Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes
y/o contaminantes orgánicos
Karen Bibiana Quiroga Salinas
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias, Departamento de Química
Bogotá, Colombia
2019
Biocarbonizados en la agricultura:
adsorción y desorción de nutrientes
y/o contaminantes orgánicos
Karen Bibiana Quiroga Salinas
Trabajo Final presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ciencias Química
Directora:
Quím., Dra Sc. Yazmin Yaneth Agámez Pertuz
Línea de Investigación:
Materiales y energía
Grupo de Investigación:
Laboratorio de Investigación en Combustibles y Energía (LICE)
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias, Departamento de Química
Bogotá, Colombia
2019
Dedicatoria
A la Virgen de Chiquinquirá, a Dios
A mis padres, porque todo lo que he
logrado ha sido gracias a su constante
amor, apoyo y confianza.
A toda mi familia
En especial a mi hermana Valentina
A Karol Pinilla por su amor y compañía.
Agradecimientos
Quiero expresar mis agradecimientos a la Virgen de Chiquinquirá y a Dios por
permitirme disfrutar de la compañía y el apoyo de todas las personas que me
rodean y me guían en los sueños que emprendo. Quiero empezar por mis padres y
mi hermana que son el combustible de mi vida y que me han brindado más que su
apoyo incondicional una familia de la cual me siento orgullosa de pertenecer.
Agradezco enormemente a Karol por su incondicional amor y por creer en cada paso
que doy, por su paciencia y por todas las enseñanzas que me ha dejado y me seguirá
dejando el hecho de estar a su lado. Agradezco el incondicional apoyo que me ha
brindado mi tía Cristina al hacerme parte de su familia. También quiero mencionar
a mis profesores Yazmin Agámez por su alegría, sus enseñanzas y su apoyo
constante y a José de Jesús Díaz por transmitirme su energía renovadora y por
impulsarme a alcanzar metas grandes, a los dos les agradezco porque amablemente
me abrieron las puertas del camino que recorro y por hacerme sentir en el
laboratorio de LICE como en mi hogar; a todos mis compañeros y sobre todo a
todas las personas que han sido mi base y mi motor para mantener mis
convicciones al hacer lo que me gusta. Además, quiero agradecer a la Universidad
que me ha permitido crecer profesionalmente y ser parte de ella cumpliendo paso a
paso todas mis expectativas. Muchas gracias a todos.
Resumen y abstract V
Resumen
Este trabajo proporciona una visión general de los biocarbonizados y su papel como
enmienda de bajo costo en los suelos, describiendo su composición y propiedades
fisicoquímicas, tales como la porosidad y área superficial que influye en la adsorción de
cationes y aniones determinando la disponibilidad de nutrientes; la capacidad de
intercambio catiónico, el pH, la conductividad eléctrica y la densidad aparente
determinadas por las materias primas y las condiciones de pirólisis, que a su vez afectan
la capacidad de los biocarbonizados como mejoradores del suelo. De igual forma, se
describe la influencia que tiene la incorporación de biocarbonizados en los suelos respecto
a su estructura, textura, porosidad, distribución de tamaño de partículas y densidad. Se
presentan los diferentes métodos de caracterización y el análisis de adsorción y desorción
de biocarbonizados mediante la cinética e isotermas de adsorción; además, se dan a
conocer los diferentes mecanismos de adsorción de macro-micronutrientes y
contaminantes orgánicos como tintes sintéticos, hidrocarburos aromáticos policiclicos,
antibióticos y plaguicidas, que permiten la mejora de la productividad agrícola y la
remediación de suelos mediante la adición de biocarbonizados en suelos.
Palabras clave: Biocarbonizados, mejoramiento de suelos, calidad de los suelos,
nutrientes y compuestos orgánicos.
Resumen y abstract VI
Abstract
This research provides an overview of the biochar and their role as a low cost soil
amendment, describing their composition and physicochemical properties, such as porosity
and surface area that influences the adsorption of cations and anions by determining the
availability of nutrients; the cation exchange capacity, pH, electrical conductivity and bulk
density determined by the raw materials and pyrolysis conditions, which in turn affect the
ability of biochar soil improvers. Similarly, it describes the influence of the incorporation of
biochar soils with respect to their structure, texture, porosity, particle size distribution and
density. The different methods of characterization and analysis of adsorption and
desorption of biochar by kinetics and adsorption isotherms are presented; In addition, the
different mechanisms of adsorption of macro-micronutrients and organic pollutants such as
synthetic dyes, polycyclic aromatic hydrocarbons, antibiotics and pesticides, which allow
the improvement of agricultural productivity and soil remediation through the addition of
biochar soils, are reported.
Keywords: Biochar, soil improvement, soil quality, nutrients and organic compounds.
Contenido VII
Contenido
Pág.
1. Caracterización de biocarbonizados ...................................................................... 3
1.1 Biocarbonizados ..................................................................................................3
1.2 Materias primas en la síntesis de Biocarbonizados. ............................................4
1.3 Composición orgánica e inorgánica de Biocarbonizados. ........................................5
1.4 Efecto de las condiciones de pirólisis y propiedades físicas y químicas de los
Biocarbonizados. ...........................................................................................................8
1.4.1 Área superficial y porosidad ........................................................................... 14
1.4.2 pH .................................................................................................................. 18
1.4.3 Conductividad eléctrica .................................................................................. 19
1.4.4 Densidad aparente ........................................................................................ 19
1.4.5 Capacidad de intercambio catiónico .............................................................. 21
2. Caracterización de suelos y su relación con los biocarbonizados. ................... 23
2.1 Composición química del suelo .........................................................................29
2.1.1 Composición orgánica del suelo .................................................................... 29
2.1.2 Composición inorgánica de suelos................................................................. 31
2.2 Orden y Textura del suelo ................................................................................33
2.3 Propiedades fisicoquímicas del suelo ................................................................36
2.3.1 Propiedades físicas del suelo ........................................................................ 36
2.3.2 Propiedades químicas del suelo .................................................................... 39
2.4 Usos y beneficios de biocarbonizados en suelos...............................................42
3. Adsorción de nutrientes por biocarbonizados. .................................................... 45
3.1 Biocarbonizados como soporte de nutrientes ....................................................45
3.2 Estudios de caracterización de BC ....................................................................55
Contenido VIII
3.3 Cinética e isotermas de adsorción y desorción. ................................................ 57
3.4 Adsorción. ......................................................................................................... 61
3.5 Adsorción y desorción de macronutrientes (NPK) ............................................. 66
3.5.1 Nitrógeno....................................................................................................... 66
3.5.2 Fósforo .......................................................................................................... 73
3.5.3 Potasio .......................................................................................................... 79
3.6 Adsorción y desorción de micronutrientes ......................................................... 81
4. Adsorción de compuestos orgánicos por biocarbonizados. .............................. 85
4.1 Mecanismos de adsorción de compuestos orgánicos por biocarbonizados....... 85
4.2 Aplicaciones ...................................................................................................... 89
5. Conclusiones y recomendaciones ....................................................................... 93
5.1 Conclusiones .................................................................................................... 93
5.2 Recomendaciones ............................................................................................ 95
6. Bibliografía ............................................................................................................. 97
Contenido IX
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1. Morfología de BC´s. ........................................................................................3
Figura 1-2. Incremento exponencial de estudios de BC en la literatura. Fuente: Scopus
database (https://www-scopus-com). .................................................................................4
Figura 1-3. Pirólisis de la celulosa y mecanismo de formación de BC [35]. .......................9
Figura 1-4. Pirólisis de la hemicelulosa y mecanismo de formación de BC [35]. .............10
Figura 1-5. Pirólisis de la lignina y mecanismo de formación de BC [35]. .......................11
Figura 1-6. Caracterización fisicoquímica y bioquímica en BC´s. ....................................14
Figura 1-7. Espectogramas de SEM y EDX de muestras de a) vaina de guisante, b) hojas
de col y c) cáscara de naranja [63]. .................................................................................17
Figura 2-1. Aporte de nutrientes al suelo por parte de minerales primarios. Adaptado de
[114]. ...............................................................................................................................33
Figura 2-2. Triángulo textural de suelos. Adaptado de [112]. ..........................................36
Figura 3-1. Datos de cinética de adsorción (a) e isoterma (b) y modelado del fosfato en el
BC de ingeniería. Los símbolos son datos experimentales y las líneas son resultados de
modelos [12]. ...................................................................................................................59
Figura 3-2. Diferentes tipos de interacciones entre nutrientes y grupos funcionales
característicos de la superficie del BC a temperaturas de pirólisis menores y superiores a
450°C. .............................................................................................................................65
Figura 4-1. Remediación del suelo a partir de la adsorción de compuestos orgánicos por
BC´s mediante los diferentes mecanismos de adsorción. ................................................86
Contenido X
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1-1. Propiedades fisicoquímicas de BC de diferentes materias primas. ................ 23
Tabla 2-1. Características y solubilidad de los tipos de humus [114]. ............................. 30
Tabla 2-2. Minerales primarios y secundarios de los materiales parentales del suelo.
Adaptada de [114]. .......................................................................................................... 32
Tabla 2-3. Características, diámetro de partícula y subdivisión de separados en los suelos
[114]. ............................................................................................................................... 34
Tabla 2-4. Influencia de las características del suelo en la capacidad de almacenamiento
de agua [113]. ................................................................................................................. 38
Tabla 2-5. CIC para diferentes texturas del suelo y materia orgánica [113]. ................... 42
Tabla 3-1. Composición química (nutrientes totales) de diferentes fuentes de biomasas.
....................................................................................................................................... 47
Tabla 3-2. Valores de parámetros de ajuste óptimo de simulaciones de modelos de cinética
de adsorción de P, isotermas y cinética de desorcióna [12]. ............................................ 59
Contenido XI
Lista de Símbolos y abreviaturas
Abreviaturas
Abreviatura Término
13C RMN Resonancia Magnética Nuclear de 13C
AS Área superficial
BC Biocarbonizado
BC`s Biocarbonizados
CE Conductividad eléctrica
CIC Capacidad de Intercambio Catiónico
DRX Difracción de rayos X
EAA Espectroscopía de Absorción Atómica
FTIR Espectroscopía de Infrarrojo con Transformada de Fourier
H/C Relación atómica H/C
IR Espectroscopia Infrarroja
NPK Nitrógeno, Fósforo y Potasio
O/C Relación atómica O/C
RMN Resonancia Magnética Nuclear
SEM Microscopia Electronica de Transmisión
SEM-EDX Microscopia Electrónica de Rastreo
TEM Microscopia Electronica de Transmisión
Introducción
Las últimas décadas se han caracterizado por un aumento continuo de la población
humana lo cual ha resultado en una mayor demanda de alimentos; es por esta razón que
existe una necesidad apremiante de fortalecer la producción agrícola para garantizar el
suministro de alimentos. Problemáticas relacionadas con el consumo irracional y costoso
de fertilizantes, la eutrofización, la generación de gases de efecto invernadero y las
variadas deficiencias de nutrientes relacionadas con el agotamiento severo de la fertilidad
del suelo se han convertido en la principal limitación para la sostenibilidad de la agricultura
a escala global. Razón por la cual, el uso de biomasa en la elaboración de fertilizantes
brinda la posibilidad de implementar prácticas agrícolas que disminuyan las implicaciones
en el medio, puesto que la biomasa es la cuarta fuente de energía más grande del mundo
con una producción primaria anual de 220 mil millones de toneladas secadas al horno y la
primera en países en desarrollo que representa el 14 y el 35% de la energía primaria.
Numerosos estudios [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] dan a conocer sus investigaciones respecto al
uso de biocarbonizados como enmienda en los suelos o fertilizante de liberación lenta,
demostrando que son materiales orgánicos alternativos que se sintetizan a partir de
residuos agrícolas, forestales, animales y municipales de bajo costo, que debido a sus
propiedades fisicoquímicas (área superficial, porosidad, pH, conductividad eléctrica,
densidad aparente, capacidad de intercambio aniónico) y el contenido y capacidad de
retención de nutrientes permiten mejorar las condiciones de los suelos optimizando sus
propiedades, lo que resulta en la productividad de cultivos, restauración de tierra
degradada, mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero asociados con la
agricultura, adsorción de contaminantes orgánicos como herbicidas y fungicidas y metales
pesados en suelos.
Aunque se han usado los biocarbonizados en aplicaciones al suelo como enmiendas, aún
falta por estudiar sus propiedades enfocadas a la utilización como portadores de nutrientes
[8]. Por esta razón, este trabajo pretende dar a conocer las diferentes propiedades de los
biocarbonizados, centrándose en el papel que estos materiales cumplen en la adsorción y
desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos, para que en fin último puedan ser
aplicados en diferentes tipos de suelo y optimizar la producción de cultivos. De acuerdo
con lo anterior, el objetivo general del trabajo consiste en describir el papel de los
biocarbonizados en la agricultura en relación con la adsorción y desorción de nutrientes y
compuestos orgánicos mediante el análisis del estado del arte y de esta manera,
comprender las propiedades óptimas de los biocarbonizados para la adsorción y desorción
de nutrientes para su uso como enmienda agrícolas y finalmente, comprender las
propiedades óptimas de los biocarbonizados para la adsorción y desorción de sustancias
orgánicas para la remediación de suelos agrícolas.
1. Caracterización de biocarbonizados
1.1 Biocarbonizados
El término biocarbonizado hace referencia a un material rico en carbono, de textura fina
con un área superficial específica alta [9], una sustancia porosa de grano fino,
representado en la Figura 1-1, con capacidad de retención de nutrientes y agua [10],
predominantemente estable, recalcitrante [11], resistente a la descomposición microbiana,
ampliamente reconocido como un adsorbente rentable importante que almacena
nutrientes, contaminantes químicos, incluidos metales pesados, compuestos orgánicos y
otras contaminaciones ambientales [12]. Los biocarbonizados (BC`s) se encuentran
disponibles como materia prima de bajo costo [13] [14] [15] a partir de residuos de biomasa
de la agricultura y la industria como la madera, pasto, bagazo [16] [17], estiércol de cerdo
[1] rastrojo de maíz [18], bambú [10], cáscaras y paja de arroz [19], residuos de
invernadero, desechos municipales [2], cáscara de maní y cacahuete de soja [20], entre
otros. Hoy en día, los BC´s están recibiendo una gran atención en la investigación debido
a su importancia potencial en aplicaciones agronómicas y ambientales [21].
Figura 1-1. Morfología de BC´s.
Lehmann y col. [16] uno de los principales investigadores en este tema, define los BC´s
como una sustancia porosa de grano fino, rica en carbono, que se produce por la
4 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
descomposición térmica de la biomasa en condiciones de oxígeno limitado y temperaturas
relativamente bajas (<700 °C). Un estudio reciente de Getachew y col. [8] sostiene la
misma definición de Lehmann y col. [16] reduciéndola a que es un material sólido obtenido
de la conversión termoquímica de biomasa en un entorno con oxígeno limitado
denominado pirólisis.
Según las estadísticas de Scopus hay 7607 artículos publicados desde 2005, siendo el
2017 el año de mayor publicación de investigaciones sobre los BC´s, como se ilustra en la
Figura 1-2. Mayoritariamente en países tales como China con 2794 publicaciones, Estados
Unidos con 1538 y Australia con 655. Los BC´s se han ganado la denominación de “nuevo
oro negro” lo cual explica el gran número de investigaciones en este tema; sin embargo,
de acuerdo con Conte, y col. [22] de este gran número de estudios pocos se han realizado
en campo y en su mayoría se han llevado a cabo a nivel de laboratorio.
Figura 1-2. Incremento exponencial de estudios de BC en la literatura. Fuente: Scopus
database (https://www-scopus-com).
1.2 Materias primas en la síntesis de Biocarbonizados.
La comprensión de las propiedades fisicoquímicas expuestas anteriormente se encuentra
estrechamente relacionada con el tipo de material inicial utilizado y los parámetros
pirolíticos, que a su vez afectan la composición elemental, la velocidad de producción y
estabilidad térmica de los BC´s [23]. La literatura publicada sobre materias primas de BC´s
indica que: primero, el tipo de materia prima puede presentar diferentes propiedades físicas
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Documentos publicados por año
Capítulo 1 5
y químicas y por lo tanto diferentes efectos en las propiedades del suelo. En segundo lugar,
puede tener diferentes impactos, por ejemplo, los efectos de los BC´s hechos a base de
materiales leñosos pueden tener más efectos beneficiosos en las propiedades del suelo
[19].
En la Tabla 1-1 se clasifican las materias primas en: residuos agrícolas, forestales,
animales y municipales, cada una de estas biomasas corresponden a BC´s que se
prepararon a diferentes temperaturas de pirólisis, que presentan propiedades
fisicoquímicas diferentes y que por lo tanto, han sido utilizadas como enmiendas para los
distintos tipos de suelos. Los BC´s obtenidos a partir de materiales de arroz (cáscara y
paja) presentados en la Tabla 1-1, muestran una relación atómica alta de O/C e H/C a
temperaturas entre 500 y 650ºC [5] al igual que la paja de maíz entre 400 y 700ºC, en
comparación con otras materias primas. Suliman y col. [24] estudiaron el impacto de un
BC de madera de abeto Douglas, corteza de abeto Douglas y madera de álamo híbrido,
comprobando que con el aumento de la temperatura de pirólisis, las fracciones volátiles,
O/C y H/C disminuyeron linealmente, y también se eliminaron los grupos funcionales
oxigenados tales como los grupos carbonilo, carboxilo e hidroxilo. Además, informaron que
la temperatura de pirólisis alta da como resultado contenidos alcalinos altos, lo que
finalmente conduce a un pH y CE más altos en BC´s.
1.3 Composición orgánica e inorgánica de Biocarbonizados.
Los BC´s cuentan con una característica sustancial en cuanto a su composición química
que los diferencian de otras materias primas. Estos se encuentran conformados
principalmente de carbono relativamente recalcitrante, carbono lábil o lixiviable y cenizas
que contienen el material inorgánico [25]. La característica más importante que presentan
los BC´s es su estabilidad, debido a la gran cantidad de estructuras de carbono aromáticas
fusionadas, siendo la naturaleza de estas estructuras la razón principal de su estabilidad
[3] [26].
6 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
Las estructuras aromáticas en los BC´s se forman por pirólisis partiendo de la
deshidratación provocada por calor, puesto que la biomasa vegetal sufre transformaciones
químicas que conducen a la formación de estructuras aromáticas, seguida de una
condensación progresiva de unidades aromáticas más pequeñas en láminas conjugadas
más grandes [25], que se forman por reacciones de descarboxilación, deshidrogenación,
desmetilación y ciclación [27]. Así mismo, con un grado creciente de modificación térmica
la biomasa pierde carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; posteriormente se aromatiza
y luego se condensa en una red poliaromática, siendo esta la razón por la que las
relaciones atómicas H/C y O/C se utilizan como indicadores del grado de condensación en
BC´s [27]. Además, el valor de H/C refleja la aromatización de la materia orgánica, mientras
que el valor de O/C refleja el contenido de los grupos funcionales polares superficiales, la
hidrofilicidad y la estabilidad de BC´s en los suelos [28].
La estructura aromática fusionada de los BC´s puede tener diferentes formas que varían
entre carbono amorfo, originado a temperatura de pirólisis baja, que consiste en una
mezcla completamente amorfa compuesta de elementos alifáticos y aromáticos pequeños
y resistentes al calor, y carbono turbostrático formado a temperaturas altas donde se
observa un crecimiento sucesivo y un orden creciente de largo alcance de cristalitos
turboestráticos [29]. Para caracterizar cuantitativamente dichas estructuras aromáticas en
diferentes matrices de BC, se llevan a cabo técnicas de caracterización tales como
resonancia magnética nuclear (RMN) de 13C en estado sólido asociado con las técnicas de
desintegración de Bloch (BD) o polarización directa (DP) [27], espectroscopia infrarroja de
transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X (DRX), microscopia electrónica de
barrido (SEM) y microscopia electrónica de transmisión (TEM) [3].
En el estudio realizado por Jindo y col. [19] la composición química de los BC´s se
determina por FTIR y RMN donde los espectros IR obtenidos muestran que al aumentar la
temperatura de carbonización hay una modificación de los grupos funcionales, puesto que
los grupos alifáticos (representados por la banda con estiramiento C-H alifático 2950-2850
cm-1 a una temperatura creciente de 400 a 600 °C) disminuyen y el carbono aromático
aumenta (con bandas representativas de enlaces C-H de 750-900 y 3050-3000 cm-1, C=C
1380-1450 cm-1, C-C y C-O 1580-1700 cm-1), lo que hace que los BC´s tengan un mayor
carácter recalcitrante. Cuando el rango de temperatura de carbonización es de 700-800 °C
la intensidad de las bandas como la de los grupos hidroxilo y los grupos aromáticos
Capítulo 1 7
disminuyen gradualmente [19]. También, los espectros de 13C RMN muestran una fuerte
señal aromática a 127 ppm, observándose con claridad en BC´s obtenidos a 600°C. Los
compuestos de carbono fácilmente degradables aparecen en los BC´s producidos entre
300 y 400 °C debido a que exhiben amplias señales de alquilo y bandas de carbohidratos,
por lo tanto contienen una gran cantidad de carbono volátil [30].
En el estudio realizado por Al-Wabel y col. [31] el análisis de FTIR de muestras de BC´s
se logró utilizando el rango de bandas de 500-4000 cm-1 para caracterizar grupos
funcionales orgánicos de superficie para muestras de BC. El análisis de DRX también se
llevó a cabo para identificar estructuras cristalográficas en los BC´s producidos. Para
identificar los cambios en las superficies y la estructura de los BC´s se utilizó un
microscopio electrónico de barrido (SEM) a partir del análisis de imágenes.
La composición inorgánica de un BC comprende minerales presentes como inclusiones de
ceniza, tales como macro y micronutrientes. La presencia de estos elementos durante la
pirólisis cumple un papel importante en la estructura química de los BC´s debido a que se
incorporan a la estructura aromática y se generan reacciones organometálicas, en donde
el nitrógeno puede sustituir uno o dos átomos de carbono en compuestos aromáticos [25].
Los BC´s ricos en hierro producidos a partir de turba e investigados por espectroscopía
57Fe Mössbauer muestran la formación de enlaces Fe3C y pequeños fragmentos de hierro
ferromagnético a temperaturas de pirólisis superiores a 600°C [26]. Materias primas
comunes como: cáscaras de arroz, cáscaras de nueces, aguas residuales, lodo, entre
otras, contienen cantidades sustanciales de sílice amorfa. De igual forma, en los BC´s
existe la presencia de una porción de elementos tales como Si, Fe, S, P, K, Mg, Al y Ca
que varían de acuerdo con el tipo de materia prima de donde provienen [25]. La presencia
de estos minerales en los BC´s se incrementa con el aumento de temperatura de pirólisis
a causa de su volatilidad, lo que afecta la composición y estructura química de los BC´s
[32]; además, con el aumento del pH en los BC´s el contenido de cationes intercambiables
(K, Ca y Mg) se incrementan gracias a la presencia de cenizas ricas en óxidos e hidróxidos
de metales alcalinos [9].
8 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
1.4 Efecto de las condiciones de pirólisis y propiedades físicas y químicas de los Biocarbonizados.
Los BC´s se caracterizan porque presentan propiedades físicas y químicas indispensables
relacionadas con el tipo de materia prima utilizada y las condiciones de producción
concernientes al tratamiento por pirólisis: temperatura de calentamiento y duración [8] [19]
[33], que en conjunto controlan la macro y microestructura de las partículas de BC y a su
vez determinan su aplicación final y su efecto en las propiedades físicas del material en el
que este sea aplicado [34]. La pirólisis se puede dividir principalmente en pirólisis rápida y
pirólisis lenta, la diferencia se basa en la velocidad de calentamiento. La pirólisis rápida se
describe como la descomposición térmica de la biomasa de baja densidad de energía en
ausencia de O2 a temperaturas medias (400−600 °C) con una alta velocidad de
calentamiento (> 300 °C/min) y un corto tiempo de residencia (0,5-10 s). Este proceso
produce un líquido de alta densidad energética conocido como biocombustible, un gas de
densidad energética relativamente baja conocido como gas de síntesis y BC´s con un valor
calorífico ∼18 MJ kg− 1. La pirólisis lenta se define como la carbonización de la biomasa en
un rango de temperatura más amplio (300-800 °C), con una baja velocidad de
calentamiento (5−7 °C min− 1) y un largo tiempo de residencia (generalmente más de 1
hora). En este proceso, el BC es el producto principal. Durante el proceso de pirólisis, la
biomasa se calienta a una temperatura superior a 300 °C en ausencia de oxígeno; los
componentes orgánicos se descomponen térmicamente para liberar una fase de vapor,
mientras que el BC de fase sólida residual permanece estable. La fase de vapor se enfría
luego para producir el bio-aceite, en el que los compuestos polares y de alto peso
molecular se condensan, mientras que los compuestos volátiles de bajo peso molecular
como por ejemplo: CO, H2, CH4 y C2H2, permanecen en la fase gaseosa. El proceso físico
y las reacciones químicas que ocurren en la pirólisis son complejas y dependen de las
condiciones del reactor, la velocidad de calentamiento y la naturaleza de la biomasa [35].
Teniendo en cuenta las condiciones necesarias para la pirólisis, el mecanismo general de
formación de BC´s consiste en los mecanismos de pirólisis de los componentes principales
de la biomasa: celulosa, hemicelulosa y lignina. El mecanismo de pirólisis de la celulosa
se caracteriza por una disminución de los grados de polimerización [36], lo que ocurre en
dos reacciones principales: (I) descomposición y carbonización de la celulosa a bajas
Capítulo 1 9
temperaturas de pirólisis y lentas tasas de calentamiento (pirólisis lenta) [37] y (II) rápida
volatilización acompañada por la formación de levoglucosano a altas temperaturas de
pirólisis y rápidas velocidades de calentamiento (pirólisis rápida) [38]. En el proceso de
pirólisis mostrado en la Figura 1-3, la celulosa se despolimeriza inicialmente en
oligosacáridos seguida por la escisión del enlace glucosídico para producir D-
glucopiranosa, experimentando un reordenamiento intramolecular para formar
levoglucosano [39]. El levoglucosano puede formar levoglucosenona a través de un
proceso de deshidratación, que luego puede proceder a través de varias vías, incluida la
deshidratación, la descarboxilación, la aromatización y la condensación intramolecular
para formar un BC sólido. Alternativamente, el levoglucosano puede sufrir una serie de
procesos de reordenamiento y deshidratación para formar hidroximetilfurfural, que puede
descomponerse para producir el biocombustible y gas de síntesis. También puede sufrir
una serie de reacciones de polimerización por aromatización y condensación
intramolecular para formar BC [35][40] [41].
Figura 1-3. Pirólisis de la celulosa y mecanismo de formación de BC [35].
El mecanismo de la pirólisis de hemicelulosa es similar al de la celulosa (Figura 1-4); este
también comienza con la despolimerización para formar oligosacáridos seguida por la
escisión del enlace glicosídico de la cadena de xilano y el reordenamiento de las moléculas
despolimerizadas para producir 1,4-anhidro-D-xilopirosa [42]. Esta última actúa como un
producto intermedio en la pirólisis de la hemicelulosa. Además, puede experimentar varias
10 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
vías, como la deshidratación, la descarboxilación, la aromatización y la condensación
intramolecular, para formar un BC sólido, o puede descomponerse en los compuestos de
bajo peso molecular bio-oil y syngas [35][43].
Figura 1-4. Pirólisis de la hemicelulosa y mecanismo de formación de BC [35].
La estructura de la lignina resulta ser más complicada, en comparación con la celulosa y
las hemicelulosas, teniendo un complejo mecanismo de descomposición. Una reacción de
radicales libres es la ruta dominante y uno de los mecanismos más importantes
involucrados en la pirólisis de lignina [44]. Los radicales libres se generan por la ruptura
del enlace lignina β-O-4. Se cree que este es el paso inicial en la reacción de la cadena de
radicales libres [45] [46] [35]. Los radicales pueden capturar los protones de otras especies
con enlaces C-H o O−H débiles (por ejemplo, C6H5−OH) y por lo tanto, formar productos
descompuestos como la vainillina y 2-metoxi-4-metilfenol. Más adelante en la línea de
tiempo de reacción, los radicales se pasan a otras especies para una reacción adicional
conduciendo a la propagación de la cadena. Finalmente, las reacciones en cadena
terminan cuando dos radicales chocan entre sí para formar compuestos estables como se
muestra en la Figura 1-5.
Capítulo 1 11
Figura 1-5. Pirólisis de la lignina y mecanismo de formación de BC [35].
Al igual que la celulosa, las hemicelulosas y la lignina, hay algunas especies inorgánicas
en la biomasa que pueden influir en gran medida en la formación de un BC. Durante la
pirólisis, elementos como potasio y cloro son altamente móviles y pueden vaporizarse a
temperaturas relativamente bajas. En contraste, el calcio y el magnesio están unidos
iónicamente o covalentemente con moléculas orgánicas y se vaporizan a altas
temperaturas [47]. Fósforo, azufre y nitrógeno se unen covalentemente con compuestos
orgánicos complejos dentro de las células de las plantas y se descomponen a bajas
temperaturas de pirólisis, esto indica que el proceso de pirólisis de la biomasa puede ser
descrito como un proceso autocatalítico a causa de que algunos de los constituyentes
inorgánicos de la biomasa, especialmente potasio, calcio y magnesio, pueden tener
efectos catalíticos significativos en la formación de un BC [48], esto conduce a la
producción de más compuestos gaseosos, como el CO, H2, CH4, C2H4 y CO2, que a su vez
da como resultado un mayor craqueo del BC [35].
Durante la pirólisis, la biomasa experimenta una diversidad de cambios físicos, químicos y
moleculares [26] [49] [50] relacionados con el aumento del área superficial, la cantidad de
nutrientes, la formación de estructuras porosas y grupos funcionales de superficie. La
temperatura de pirólisis es un factor dominante que afecta las propiedades estructurales y
superficiales de los BC´s [8][17] [51]. Los BC´s producidos a partir de la pirólisis a
temperatura relativamente baja se caracterizan por tener una estructura menos
condensada y un alto contenido de materia volátil que contiene sustratos que se
descomponen fácilmente y conserva la mayor parte de la estructura química alifática de la
12 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
biomasa cruda [17]. Por el contrario, con un aumento de la temperatura de pirólisis se
induce al craqueo térmico, produciendo tanto materia orgánica volátil, como un aumento
del contenido de estructuras aromáticas que surgen por condensación después de la
deshidrogenación de carbohidratos [19] [29]; de igual manera, se afectan las relaciones
atómicas H/C y O/C, donde la relación H/C se puede utilizar para caracterizar el grado de
aromaticidad y maduración de un BC [52] [53]. Adicionalmente, con el aumento de la
temperatura se incrementan el área superficial, la porosidad, la cantidad de cenizas, el pH,
la conductividad eléctrica [26] [54] y el alto contenido de carbono aromático; sin embargo
debe tenerse en cuenta que cada una de estas propiedades varía de acuerdo con la
biomasa con la que los BC´s sean elaborados [19].
Un estudio realizado por Takaya y col. [2] con BC´s derivados de diferentes residuos
agrícolas muestra que con pirólisis a baja temperatura se produjo un mayor rendimiento
de los BC´s y una composición enriquecida de materia volátil que con pirólisis a alta
temperatura; ya que los rendimientos de los BC´s y los contenidos volátiles disminuyen
gradualmente a medida que aumenta la temperatura de pirólisis. Otros estudios [17] [26]
[55] [56] [57] han utilizado materias primas diferentes, por lo tanto los efectos de la
temperatura de pirólisis en BC varían, un ejemplo de ello, es un estudio realizado con
cáscaras de fruta y de arroz [58], en este se muestra que al aumentar la temperatura de
pirólisis, el rendimiento, la CIC y el porcentaje de C, H y N disminuyen. Sin embargo, el
área superficial, la conductividad eléctrica y el contenido de cenizas aumentan.
Así mismo, se muestra que los BC´s producidos a 300 °C son de naturaleza ácida mientras
que los producidos a 650 °C son alcalinos. Además, espectros FTIR revelan algunas
variaciones y también similitudes en sus grupos funcionales, puesto que a bajas
temperaturas de pirólisis se desarrollan bandas de carboxilo, enlaces aromáticos, hidroxilo,
carboxilo, amina y otros grupos aromáticos; por el contrario, al aumentar la temperatura la
presencia de dichos grupos disminuye [8]. En otro estudio realizado con ramas de árbol de
manzano [19], el número de grupos funcionales ácidos disminuye en función de la
temperatura de pirólisis, especialmente los grupos funcionales carboxílicos. Por el
contrario, se encuentra una tendencia inversa para los grupos funcionales básicos [26].
Además, al aumentar la temperatura, la morfología y la estructura de los BC´s se muestran
distintas formas de grietas y huecos, debido a la descomposición diferencial de
hemicelulosas, celulosa y lignina [8].
Capítulo 1 13
Jindo y col. [19] y Ahmad y col. [54] evaluaron diversas propiedades elementales,
moleculares y superficiales de materias primas. Uno de ellos [54] utilizó materias primas
tales como: hojas de caña de azúcar, bagazo, paja de arroz y cáscara a cuatro
temperaturas de pirólisis (450, 550, 650 y 750 °C), en el segundo estudio, a partir de
temperaturas de 400 a 800 °C se obtuvieron BC´s derivados de paja de arroz, astillas de
manzano y roble [19]. En ambos estudios [19] [54], se encuentra que de la pirólisis a baja
temperatura se originan altos rendimientos de los BC´s, puesto que el contenido de
carbono es mayor para los producidos a altas temperaturas, presentando gran área
superficial; a temperaturas entre 550 y 600°C se muestran características estables y bajas
relaciones H/C y O/C y la capacidad de retención de agua de los BC´s aumenta, aunque
se limita por los tipos de materia prima; a 550°C las características de los BC´s tienen un
beneficio potencial en cuanto al secuestro de carbono y la adsorción de nutrientes y a
400°C los BC´s retienen compuestos volátiles y fácilmente lábiles [54]. En conclusión, para
los dos estudios mencionados, los BC´s obtenidos a partir de materiales de arroz
mostraron un alto rendimiento y propiedades químicas únicas debido a la incorporación de
elementos de sílice en su estructura química. Los BC´s obtenidos de materiales de madera
mostraron un alto contenido de carbono y un alto carácter de adsorción [8]. Por lo tanto, la
temperatura de pirólisis tiene un fuerte efecto sobre las propiedades de los BC´s para
satisfacer sus aplicaciones [34].
Como ya se ha mencionado, tanto las condiciones de pirólisis y el tipo específico de
biomasa afectan a los componentes y estructura del BC [33] [59] [60], lo que resulta en
diferencias significativas en las características de los BC´s que los hacen aplicables a
áreas relacionadas con la retención de nutrientes [26] [61]. Zhao y col. [26] sugirieron que
con el aumento de temperatura de pirólisis se incrementa el contenido de carbono fijo, el
contenido de carbono y minerales inorgánicos (K, P, Fe, Zn, Ca, Mg). Además, la variación
en las características fisicoquímicas de los BC´s causa variabilidad en la disponibilidad de
nutrientes dentro de cada BC [8].
Los BC´s derivados de materias primas leñosas muestran un cambio mayor en el contenido
volátil a temperaturas de 400 a 800 °C, en comparación con otras materias primas, esto
se debe a la presencia de lignina, que pueden resistir parcialmente la descomposición
pirolítica a 400 °C, pero no a temperaturas tan altas como 950 °C. Los BC´s derivados de
material de arroz muestran un alto contenido de cenizas en todos los rangos de
temperatura [19] como lo indican Manickam y col. [62] al determinar el contenido de
14 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
cenizas implementando un procedimiento termogravimétrico estándar a una temperatura
de 550ºC.
Los estudios [3] [24] [51] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] realizados en BC´s de diferentes
materias primas los caracterizan por análisis próximo (carbono fijo, contenido de cenizas,
materia volátil y humedad), análisis elemental (C, N, H, O, S), análisis químico (pH, CE y
CIC), análisis físico estructural (área superficial, volumen del poro y grupos funcionales) y
análisis bioquímico (celulosa, hemicelulosa y lignina) [63] como se ilustra en la figura 1-6.
Figura 1-6. Caracterización fisicoquímica y bioquímica en BC´s.
1.4.1 Área superficial y porosidad
La porosidad y el área superficial (AS) representan las propiedades físicas más críticas de
los BC´s, en cuanto a la adsorción de sustancias tales como: agua, nutrientes,
contaminantes orgánicos y metales pesados. Los BC´s son materiales de composición
heterogénea lo que significa que su área superficial puede exhibir propiedades hidrofílicas,
hidrofóbicas, ácidas o básicas [70]. Los heteroátomos O, N, P y S se incorporan a las
estructuras aromáticas de BC´s, lo que lleva a heterogeneidad química de la superficie
derivada de las diferencias en la electronegatividad entre estos heteroátomos y los átomos
de carbono aromáticos. La funcionalidad de la superficie se puede caracterizar mediante
técnicas de espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS), FTIR y técnicas de desorción
programada por temperatura (TPD) [35]. La temperatura de pirólisis es un factor dominante
• Carbono fijo
• Materia volátil
• Contenido de cenizas
• Humedad
Análisis próximo
• Carbono
• Hidrógeno
• Oxígeno
• Nitrógeno
Análisis elemental
• Área superficial
• Volumen y tamaño del poro
• Grupos funcionales y caracterización de estructuras aromáticas: RMN 13C, FTIR, DRX.
Análisis físico/estructural
• pH
• CE
• CIC
Análisis químico • Celulosa
• Hemicelulosa
• Lignina
Análisis bioquímico
Capítulo 1 15
que afecta las propiedades estructurales y superficiales de los BC´s [17] [51] [52], una
producción de BC a temperaturas altas, generalmente conduce a un aumento del AS al
liberar materia volátil de la superficie de la biomasa, aumento de la porosidad y mayor
distribución de poro [35], en comparación con la producción de BC´s a temperaturas más
bajas [1] [19].
Los BC`s de ramas de manzano presentan un incremento respecto a su área superficial
específica, SBET, Brunauer-Emmett-Teller (BET) desde 2 m2 hasta 109 m2 a medida que se
aumenta la temperatura de pirólisis desde 300 hasta 600 °C respectivamente. Este
aumento del AS se relaciona con la degradación progresiva de los materiales orgánicos
(hemicelulosas, celulosa y lignina) y la formación de haces vasculares o estructuras de
canales durante la pirólisis [71] [72], puesto que la hemicelulosa tiene una alta reactividad
durante el tratamiento térmico a una temperatura más baja (por debajo de 300 °C) [26].
Cuando la temperatura de pirólisis aumenta de 300 a 400 °C la ruptura de la hemicelulosa
junto con otros compuestos orgánicos genera más microporos dentro del BC [59]. Así
mismo, se forman algunas estructuras de carbono amorfo durante este rango de
temperatura debido a la degradación de la celulosa donde los microporos pueden estar
formados por estructuras amorfas de carbono [26] [73].
En general, a 500°C se encuentra un aumento en la porosidad de los BC`s debido a la
descomposición de la lignina y la liberación rápida de H2 y CH4 [25]. A temperaturas
superiores a 600°C, se produce la degradación de la lignina y la reacción de condensación
aromática [28] [74], lo que aumenta la liberación de materia volátil y crea más poros [75].
A una temperatura más alta, el área superficial incrementa debido al aumento de la
superficie microporosa y del volumen de microporos. Con el aumento de temperatura de
pirólisis también se presenta una distribución del tamaño de poro dominada por poros con
un tamaño entre 20 nm y 50 nm [40]. En otro estudio [24] se ha demostrado que los BC`s
derivados de madera exhiben áreas superficiales más altas que los derivados de otras
biomasas debido al contenido de lignina. Sin embargo, al aumentar hasta los 800°C, la
temperatura de pirólisis para la formación de BC`s de cáscara y paja de arroz se
encuentran áreas superficiales más bajas debido a que el contenido de cenizas en los
BC`s bloquea el acceso a los microporos [19].
El tipo de materia prima, la temperatura de pirólisis y el tiempo de residencia de
carbonización influyen en la porosidad de los BC`s [55] [76] bien sea macro y microporosa,
16 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
la cual puede contener aire o agua, reduciendo en gran medida la densidad aparente de
toda la partícula de BC [25]. La capacidad de los BC`s para retener el agua es una función
de la combinación de su porosidad y funcionalidad superficial [77]. Sin embargo,
dependiendo de las condiciones de pirólisis, cuando se usan temperaturas bajas se hace
particularmente importante la recondensación de compuestos orgánicos volátiles en los
BC`s dado que pueden bloquear estos poros y su potencial de adsorción. Atkinson y col.
[70] y Li y col. [72] sugieren que la porosidad de BC`s disminuye debido a la presencia de
sustancias, tales como lípidos, ácidos fúlvicos y húmicos, que a su vez muestran
diferencias en la temperatura de producción de BC`s en la rigidez molecular que puede
restringir el acceso poroso.
Blanco y col. [7] indican que la aplicación de BC aumenta linealmente la porosidad del
suelo en un 2 a 41%. Omondi y col. [78] encontraron que la adición de BC aumentó la
porosidad del suelo en un 8.4%. Similar a la densidad aparente, el BC parece aumentar la
porosidad más en suelos de textura gruesa que en suelos de textura fina. El BC puede
aumentar la porosidad del suelo al a) reducir la densidad aparente del suelo, b) aumentar
la agregación del suelo, c) interactuar con las partículas minerales del suelo y d) reducir el
relleno del suelo. Así mismo, al aumentar la porosidad mejora la permeabilidad del aire, se
optimiza la estructura del suelo y se promueve el crecimiento del cultivo [28].
La aplicación de BC puede afectar la distribución del tamaño de los poros del suelo a través
de a) la porosidad alta de las partículas de BC, b) la reorganización de las partículas del
suelo en contacto con las partículas de BC, c) la agregación mejorada del suelo, y d)
aumento de la bioturbación (por ejemplo, actividad de lombrices de tierra). El BC puede
aumentar la distribución del tamaño de los poros del suelo incluso a corto plazo debido a
la naturaleza porosa de las partículas de BC [79], que pueden tener una distribución más
amplia de tamaños de poros que el suelo [80].
El análisis SEM-EDX de muestras de BC permite identificar el tamaño y volumen de poro,
en el estudio de Stella y col. [63] se analizaron imágenes SEM de un BC de vaina de
guisante, estas mostraron que la superficie que se originó en el tratamiento con pirólisis
habría estabilizado los hidrocarburos volátiles, alisando la superficie del BC, mientras que
la imagen SEM del BC de hoja de col era como un esqueleto moldeado con poros
pequeños y una estructura superficial irregular y en BC de cáscara de naranja la imagen
SEM presentaba bordes rotos con depósitos de alquitrán en la superficie, como se ilustra
Capítulo 1 17
en la Figura 1-7. En este estudió se concluyó que en general estos residuos de biomasa
contienen poca lignina y un alto contenido de materia volátil que afecta la creación de poros
en los BC`s [25] [63]. En un estudio reciente [81] se empleó un microscopio electrónico de
transmisión (TEM) para observar la morfología de los poros directamente. Mohammad I.
Al‐Wabel y col. [23] determinaron que tanto la eliminación de H y O, como la producción
de vapor y CO2, a altas temperaturas de pirólisis a menudo forman las estructuras de los
poros durante la carbonización, generando un colapso de los poros que puede conducir a
la disminución de la superficie [21].
Figura 1-7. Espectogramas de SEM y EDX de muestras de a) vaina de guisante, b) hojas de col y c) cáscara de naranja [63].
De acuerdo con los datos presentados en la Tabla 1-1 los BC`s de residuos forestales y
agrícolas se destacan por presentar AS altas a temperaturas entre 600 y 800ºC, tales
como: rama de árbol de manzana con un AS de 545 m2 g-1 [19], madera de abeto de
Douglas con 490 m2 g-1 [24], cáscara de maní con 448 m2 g-1, cáscara de soja con 420
m2 g-1 [20] y roble con AS de 398 m2 g1 [19]. El volumen de poro no es un parámetro que
frecuentemente se analice, sin embargo dentro de la literatura encontrada se denota que
materias primas que sobresalen por su alto valor de volumen de poro son, en primera
medida el eucalyptus con 67.5 ml3 g-1 a 550ºC [17], seguido de aserrín de madera de Durian
(8.587 ml3 g-1 a 550ºC) [65] y cáscara de maní (0.20 ml3 g-1 a 700ºC) [20].
18 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
1.4.2 pH
El pH es una de las propiedades más características que presentan los BC`s, de acuerdo
con la literatura encontrada [2] [25] [26] [27] [32] [49] se reporta que el valor de pH de los
BC`s depende del tipo de materia prima, temperatura de pirólisis y grado de oxidación.
Además, se encuentra que el valor de pH de los BC`s aumenta con la temperatura,
probablemente como consecuencia de la concentración relativa de elementos inorgánicos
no carbonizados, ya presentes en las materias primas [19]; estos elementos (minerales)
comienzan a separarse de la matriz orgánica cuando las cenizas se forman a temperaturas
superiores a 350 °C [25] [32] [51], puesto que con el aumento de la temperatura hay un
enriquecimiento de cationes básicos en las cenizas que pueden estar asociados con
especies alcalinas, tales como carbonatos, óxidos e hidróxidos, y una reducción en la
concentración de grupos funcionales de superficies ácidas [82].
Además, Ronsse y col. [59] informaron que el pH se reguló en gran medida por la
presencia de grupos funcionales que contienen oxígeno, en BC´s generados con bajas
temperaturas se da como resultado la formación de oxígeno carboxílico y lábil; cuando se
incrementa la temperatura de pirólisis, la cantidad de grupos carboxilo aumenta y los
grupos ácidos se desprotonan a bases conjugadas, dando como resultado una suspensión
de BC más alcalina. Enders y col. [64] encontraron que BC´s con contenido de ceniza
menor a 8% presentan niveles de pH por debajo de 8.6, mientras que los producidos a
partir de biomasa leñosa con un contenido de cenizas menor a 1.5% tienen niveles de pH
inferiores a 7.5; Además, BC´s con un contenido de cenizas mayor a 32% tiene valores de
pH superiores a 10. Los BC´s con la menor relación molar de H/C tienden a tener el pH y
el contenido de cenizas más altos [23] [83].
Yuan y col. [84] encontraron que los BC´s generados son generalmente alcalinos (pH> 7)
y el pH de estos aumenta significativamente de 7.5 a 11.6 cuando la temperatura de
pirólisis aumenta de 300 a 500 °C, esto a causa del mayor contenido de cenizas. Los
valores de pH y contenido de cenizas se correlacionan positivamente, por lo tanto, los
minerales, especialmente para la formación de carbonatos (como CaCO3 y MgCO3) y los
álcalis inorgánicos (como K y Na), son probablemente la causa principal del pH alcalino
inherente a los BC´s. Manickam y col. [62] midieron el pH en agua a una relación muestra:
Capítulo 1 19
agua de 1:5 p/v. En el estudio de Stella y col. [63] para la determinación del pH, se preparó
una suspensión al 1% (p/p) de BC en agua desionizada y la suspensión se calentó a 90ºC
con agitación durante 20 minutos. La suspensión luego se dejó enfriar a temperatura
ambiente y el pH se midió usando un medidor de pH.
Las materias primas en las que se evidencia un mayor aumento de pH relacionado con el
aumento de la temperatura de pirólisis son: la paja de maíz [85], lodo de aguas residuales
[49], pino [82], hojarasca [26] y BC de paja de caña de azúcar [18]. En general, todos los
BC´s carbonizados a 750 °C muestran valores de pH superiores a 8. De acuerdo con los
datos ilustrados en la Tabla 1-1, los BC´s con mayor pH son aquellos producidos a
temperaturas altas, entre estos se encuentran los BC´s de cáscara de soja (11.3 a 700ºC)
[20], estiércol de pollo (11.8 a 750ºC) [3] y desechos de papel (11 a 600ºC) [82], adecuados
como enmienda para suelos ácidos.
1.4.3 Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es la responsable del intercambio de iones en los BC, es una
propiedad que depende del proceso de producción y el tipo de materia prima [16]. En un
estudio realizado por Stella y col. [63] se determinó la conductividad eléctrica para un BC
de hojas de col obteniendose un valor de CE de 1310 µS/cm, cáscara de naranjo 231
µS/cm y vaina de guisante 589 µS/cm; en este estudio la determinación de la CE se llevó
a cabo agitando una muestra de solución 1% p/p de BC en agua a temperatura ambiente
durante 20 min, se midió la CE usando un conductímetro. De acuerdo con la Tabla 1-1
entre las biomasas que presentan mayor CE se destacan: las cáscaras de pistacho (33.90
ds m-1) [86], avellana (18.80 ds m-1) [82], estiércol de ave (15.3 ds m-1) [87] y cáscara de
café (13.00 ds m-1) [3]. Tanto el pH como la CE aumentan gradualmente con el aumento
de la temperatura de pirólisis.
1.4.4 Densidad aparente
La densidad aparente de los BC´s difiere según las materias primas utilizadas, esta hace
referencia al material que comprende partículas múltiples e incluye la macro porosidad
dentro de cada partícula y los huecos entre partículas. En un estudio realizado por Lorn,
Vicheka y col. [88] la densidad aparente se midió apisonando el BC en una cubeta de vidrio
y secando en horno a 105 °C durante 24 horas; en otra investigación se llenó un cilindro
20 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
de vidrio (25 ml) hasta un volumen específico con BC de cáscara de arroz en polvo de
malla 40, se secó en un horno a 80ºC durante la noche, posteriormente el cilindro se tapó
durante 1-2 minutos para compactar el BC y la densidad aparente se calculó y se presentó
en g/mL siguiendo la fórmula de Ahmedna y col. [89] (Ver Ecuación (1.1)):
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (%) = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑐𝑜 (𝑔)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑣𝑎𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 (𝑚𝑙)× 100 (Ec. 1.1) [63]
En otros estudios se determinó la densidad aparente de BC´s producidos con diferentes
biomasas, obteniéndose resultados tales como: conocarpus con densidad aparente de
0.35 g/cm3 [90], cáscaras de arroz con 0.10 g/cm3 [91], cáscara de almendra con 0.74
g/cm3, trigo con 0.19 g/cm3, [92] entre otros.
Según Mukherjee y col. [74] la aplicación de BC disminuyó la densidad aparente del suelo
porque la porosidad del BC es muy alta y cuando se usa en el suelo disminuye
significativamente la densidad aparente al aumentar el volumen de poros. Githinji [93]
concluyó que al aumentar la tasa de densidad en masa de la aplicación de BC se evidencia
una densidad aparente reducida. En el estudio de Rogovska y col. [94] encontraron que
las tasas de aplicación de BC por encima de 60 Mg ha-1 tuvieron un efecto menor en la
reducción de la densidad aparente que las tasas de aplicación por debajo de 60 Mg ha -1.
Esta revisión también muestra que, en algunos casos, la aplicación de BC a tasas menores
a 10 Mg ha-1 puede no reducir significativamente la densidad aparente. Pratiwi y col. [95]
encontraron que la aplicación de BC incluso a tasas altas como 2% en peso (lo que
equivale a aproximadamente 50 Mg ha-1 de BC) no afectó la densidad aparente. La
aplicación de BC puede reducir la densidad aparente en suelos de textura gruesa más que
en suelos de textura fina. De hecho, la mayor disminución (31%) de la densidad aparente
mostrada en un estudio de Liu y col. [96] fue para un suelo arenoso de textura gruesa.
Al menos dos mecanismos podrían ser responsables de la reducción de la densidad
aparente después de la aplicación de BC. Primero, el BC tiene una densidad aparente más
baja (<0.6 g cm-3) que el suelo (~1.25 g cm-3). Por lo tanto, la aplicación de BC
probablemente reduce la densidad del suelo a granel a través del efecto de mezcla o
dilución. El alcance de este efecto puede ser particularmente grande cuando la diferencia
de densidad entre materiales es grande. Por ejemplo, el efecto del BC para reducir la
densidad aparente en suelos arcillosos puede ser menor que en los suelos arenosos
debido a que la diferencia en la densidad aparente entre BC (~0.6 g cm-3) y suelos
Capítulo 1 21
arcillosos (~1.1 g cm-3) es más pequeño que entre BC (~0.6 g cm– 3) y suelos arenosos
(~1.5 g cm-3). Segundo, el BC también podría reducir la densidad aparente a largo plazo al
interactuar con las partículas del suelo y mejorar la agregación y la porosidad. En general,
la aplicación de BC reduce la densidad aparente, pero la magnitud de estos cambios puede
variar con la tasa de aplicación de BC al suelo [7].
1.4.5 Capacidad de intercambio catiónico
La capacidad de intercambio catiónico (CIC) es una propiedad importante de los BC´s
relacionada con su capacidad para adsorber nutrientes, esta varia ampliamente
dependiendo de las condiciones de producción y de la materia prima utilizada para el
tratamiento con pirólisis [97]. En diversos estudios se reporta que la CIC disminuye
significativamente cuando la temperatura de pirólisis aumenta de 300 a 600 °C [26] [32],
este fenómeno ocurre gracias a la disminución de la densidad de carga en BC, resultado
de una mayor área superficial producida a altas temperaturas de hasta 600°C y la pérdida
de materia volátil [25], también se debe a la reducción de grupos funcionales que contienen
oxígeno y a la oxidación de carbono aromático, a causa de una menor relación de O/C
[18], la formación de ceniza y grupos carboxilo en BC [32]. A temperaturas bajas (350°C y
450°C), los BC´s exponen valores altos de CIC [3]. También, se encontró que a medida
que los grupos carboxílicos y fenólicos desaparecen la CIC en los BC´s es menor. La
disponibilidad de otros grupos como fenoles, hidroxilos, carbonilos y quinonas también
influye en la CIC [32]. La relación O/C indica una proporción más alta de grupos
funcionales en BC, lo que indica la presencia de grupos hidroxilo, carboxilo y carbonilo que
contribuyen a un mayor CIC [4]. En consecuencia, dependiendo de la biomasa carbonizada
la CIC se correlaciona inversamente con la temperatura de pirólisis [3].
La CIC se encuentra estrechamente relacionada con el pH de los BC´s, ya que es un factor
importante que permite analizar mecanismos de adsorción [17] [98] [99]. La alta reactividad
de las superficies de las partículas de BC se atribuye en parte a la presencia de un rango
de grupos funcionales reactivos (OH-, COOH), algunos de los cuales dependen del pH.
Estos grupos funcionales son sitios importantes para las cargas dependientes del pH [8].
El aumento en el pH y en el contenido de catión intercambiable se puede explicar por la
22 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes
orgánicos
presencia de cenizas en los BC´s, ya que estas son ricas en óxidos e hidróxidos de metales
alcalinos que se disuelven fácilmente.
En estudios reportados por la literatura científica las biomasas que presentan mayor CIC
son los BC´s de bagazo [1], estiércol [2], materia prima animal [49], rastrojo de maíz y roble
[3]. Los BC´s con alto contenido de cenizas, como los producidos a bajas temperaturas
(350 y 450 ºC), a partir de estiércol de pollo y cáscara de café pueden considerarse como
posibles materiales aplicables para aumentar la retención de nutrientes [3]. Por el contrario,
estudios demuestran que los BC´s fabricados a partir de desperdicios de alimentos, de
papel y conchas de avellana, presentan tendencia a disminuir la CIC al aumentar la
temperatura de pirólisis [82].
Los BC´s de bambú en polvo, exhiben una alta capacidad de adsorción de fluoruro, nitrato
y fosfato y principalmente de contaminantes orgánicos como el perclorato (ClO4-) [17]. Por
lo cual, los BC´s son útiles para la remediación de algunos elementos traza catiónicos [3]
[75] [77] [100]. Los BC´s de gallinaza y cáscara de café producidos a baja temperatura de
pirólisis (350 - 450°C), presentan alta CIC lo que hace posible la adsorción de iones como
el amonio [101]. Para los BC´s fabricados a temperaturas altas (> 600 °C) generalmente
el efecto del envejecimiento puede entrar en juego, oxidando los BC´s, aumentando la
densidad de carga negativa y aumentando la formación de complejos BC-minerales [19].
Un estudio realizado por Chintala y col. [102] investigó los efectos de la aplicación de un
BC de rastrojo de maíz sobre las propiedades químicas del suelo ácido, encontrando un
aumento significativo de la CIC en todas las tasas de aplicación; de este estudio se
concluye que el efecto de mejora de los BC´s sobre las propiedades químicas del suelo
ácido era consistente con su composición química y sus propiedades, dependiendo del
tipo de materia prima de biomasa y las condiciones de pirólisis.
La CIC es una propiedad que aumenta al disminuir la temperatura de pirólisis, sin embargo
dentro de los estudios expuestos en la Tabla 1-1 las materias primas que presentan mayor
CIC lo hacen a temperaturas entre 400 y 550ºC como por ejemplo, el estiércol de aves (75
cmol+kg-1) [87], paja de maíz (68.6 cmol+kg-1) [21], trigo (54.8 cmol+kg-1) [103]. Un valor
fuera de lo común lo presenta la cáscara de café con 73 cmol+kg-1 a 750ºC [3].
Tabla 1-1. Propiedades fisicoquímicas de BC´s de diferentes materias primas.
Materia prima
Tem. de
pirólisis (°C)
Relaciones
atómicas pH – H2O CE
(ds m-1)
AS
(m2 g-1)
Volumen
de poro
(ml3 g-1)
CIC
(cmol+kg-1) Referencias
O/C H/C
RESIDUOS AGRICOLAS
Cáscara de arroz
400
500
600
700
800
0.27
0.12
0.17
0.25
0.05
0.67
0.34
0.25
0.14
0.08
6.8
8.9
9.4
9.5
9.6
193
262
243
256
295
[19]
Cáscara de arroz
350
500
650
0.72
0.85
0.95
1.32
1.06
0.59
6.6
7.9
8.9
0.52 mS cm-1
0.92 mS cm-1
1.11 mS cm-1
10
9
8
[5]
Paja de arroz
400
500
600
700
800
0.18
0.17
0.30
0.36
0.10
0.67
0.30
0.21
0.17
0.10
8.6
9.8
10.2
10.4
10.5
46
59
129
149
256
[19]
Paja de arroz ‐
Chino
400
600
7.8
9.8
[104]
Cáscara de café 350
750
0.24
0.11
0.78
0.29
9.7
9.8
10.30
13.00
70
73 [3]
24 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos
Maíz
300
400
500
600
7.1
9.2
9.9
9.9
189 mS m-1
177 mS m-1
203 mS m-1
196 mS m-1
(N2) 4
3
3
3
708 mmolc kg-1
796 mmolc kg-1
517 mmolc kg-1
385 mmolc kg-1
[82]
Rastrojo de maíz
300
400
500
7.7
8.8
9.7
(N2) 3
3
4
[18]
Paja de maíz
400
500
600
700
0.59
0.57
0.48
0.42
0.92
0.56
0.41
0.30
10.2
10.4
10.4
10.4
350 µS cm-1
864 µS cm-1
1936 µS cm-1
2221 µS cm-1
4
6
7
3
0.008
0.012
0.012
0.006
38
68
20
19
[21]
Avellana
300
400
500
600
6.3
7.6
8.6
8.8
38.00
14.20
10.60
18.80
(N2) 1
1
3
0
59 mmolc kg-1
102 mmolc kg-1
118 mmolc kg-1
56 mmolc kg-1
[82]
Bagazo de caña
de azúcar
350
750
0.18
0.04
0.68
0.22
7.5
9.8
0.20
0.50
5
1 [3]
Cáscara de soja 300
700
0.30
0.14
0.74
0.17
7.3
11.3
5
420
0.190 [20]
Cáscara de maní 300
700
0.29
0.12
0.67
0.25
7.7
10.6
3
448
0.200 [20]
Paja de trigo
400
500
600
700
0.56
0.38
0.31
0.30
0.66
0.49
0.35
0.22
8.2
8.3
9.2
9.2
100 µS cm-1
108 µS cm-1
141 µS cm-1
172 µS cm-1
10
111
177
107
0.012
0.090
0.110
0.058
4
5
1
0.5
[21]
Capítulo 1 25
Conchas de
nuez
250
350
450
550
4.9
4.9
6.3
6.8
0.28
0.22
0.66
0.80
3
3
165
298
[86]
Cáscara de
pistacho
250
300
350
450
550
650
4.7
4.9
5.1
6.7
7.1
8.8
13.10
13.70
21.50
25.9
29.7
33.9
70
49
48
44
28
13
[86]
Trigo 450
550
8.4
9.0
1
6
54
51 [103]
Racimo de fruta
vacío
350
500
650
0.35
0.33
0.37
1.49
0.77
0.58
8.3
9.9
10.9
2.87 mS cm-1
5.36 mS cm-1
6.75 mS cm-1
21
14
12
[5]
Residuos del
peral
300
400
500
600
8.9
9.3
9.3
10.1
1
3
22
134
[105]
Residuos de
árbol de
manzana
300
400
500
600
8.5
9.5
9.8
10.3
2
3
13
99
[19]
RESIDUOS FORESTALES
Poda del olivo 450 9.3 2.43 265 36 [106]
Roble
400
500
0.23
0.17
0.63
0.39
6.4
8.1
5.60
103
[19]
26 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos
600
700
800
0.15
0.13
0.16
0.28
0.17
0.10
8.8
9.5
9.7
288
335
398
Rama de árbol
de manzana
400
500
600
700
800
0.22
0.11
0.12
0.15
0.05
0.71
0.40
0.29
0.18
0.08
7.0
9.6
10.0
10.0
10.0
11
58
208
418
545
[19]
Corteza de pino
350
750
0.32
0.17
0.66
0.16
7.9
10.0
0.10
0.20
4
1 [3]
Aserrín de
madera de
Durian
350
450
550
1.11
0.74
0.30
0.18
0.15
0.04
6.1
6.4
6.8
0.76
0.89
0.98
2
45
221
4.543
5.786
8.587
27
25
22
[65]
Madera del abeto
de Douglas
350
400
450
500
550
600
8.5
8.2
8.6
8.7
8.8
8.7
0.01
0.02
0.01
0.03
0.04
0.06
140
250
300
380
410
490
0.060
0.100
0.130
0.150
0.170
0.170
54
46
47
53
51
49
[24]
Álamo híbrido de
madera
350
400
450
500
550
600
9.2
10
10.2
10.2
10.1
10.15
0.09
0.15
0.20
0.25
0.33
0.35
180
198
260
300
362
393
0.050
0.050
0.110
0.130
0.150
0.160
31
35
34
29
26
21
[24]
Madera de
Abedul
300
375
5.1
5.2
2
6
[107]
Capítulo 1 27
475 7.5 44
Eucalipto 450
550
8.6
9.9
0.89
1.13
57.200
67.500
11
54 [108]
Astilla de pino 450 7.5 0.20 288 12 [106]
RESIDUOS ANIMALES
Estiércol de vaca
300
400
500
600
8.9
9.2
9.4
9.9
211 mS m-1
201 mS m-1
217 mS m-1
234 mS m-1
(N2) 0
0
0.2
0.1
444 mmolc kg-1
297 mmolc kg-1
478 mmolc kg-1
151 mmolc kg-1
[82]
Estiércol de
pollo
350
750
0.26
0.49
0.76
0.32
9.9
11.8
5.50
7.20
42
21 [3]
Estiércol de aves
de corral
300
400
500
600
8.1
9.8
10.6
10.6
495 mS m-1
333 mS m-1
419 mS m-1
377 mS m-1
(N2) 1.
4.00
4
6
362 mmolc kg-1
166 mmolc kg-1
78 mmolc kg-1
59 mmolc kg-1
[82]
Estiércol de aves
de corral
400
600
9.5
10.4
5
6
0.006
0.012
30
27 [109]
Estiércol de aves
200
300
400
7.2
7.3
9.9
8.59
8.96
15.30
58
69
75
[87]
Estiércol de
pavo
350
700
0.16
0.07
0.88
0.24
8.4
9.5
651 µS cm-1
981 µS cm-1
2
66 [51]
Estiércol de
cerdo
350
700
0.23
0.10
1.14
0.20
8.0
9.9
216 µS cm-1
194 µS cm-1
0
4 [51]
Estiércol porcino 400
600
10.0
10.4
5
10
0.009
0.010
52
18
28 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos
RESIDUOS MUNICIPALES Y/O BIOSÓLIDOS
Fracción
orgánica de
residuos sólidos
municipales
600
700
800
8.3
8.5
8.6
0.8
28
111
3E-04
0.011
0.037
[110]
Residuos de
molino de papel 500 0.31 48 0.091 [111]
Desechos de
papel
300
400
500
600
7.4
8.2
9.3
11.1
71.60 mS m-1
63.00 mS m-1
25.20 mS m-1
71.60 mS m-1
83 mmolc kg-1
62 mmolc kg-1
29 mmolc kg-1
34 mmolc kg-1
[82]
Desechos de
comida
300
400
500
600
7.5
8.3
9.7
10.5
465 mS m-1
423 mS m-1
573 mS m-1
645 mS m-1
104 mmolc kg-1
98 mmolc kg-1
88 mmolc kg-1
34 mmolc kg-1
[82]
Aguas
residuales 600 6.7 67 [112]
2. Caracterización de suelos y su relación con los biocarbonizados.
2.1 Composición química del suelo
Las propiedades fisicoquímicas del suelo varían de acuerdo con su composición orgánica
e inorgánica, estas pueden ser afectadas por materiales porosos, con capacidad de
retención de nutrientes, contaminantes orgánicos y agua como los BC´s.
2.1.1 Composición orgánica del suelo
La composición orgánica del suelo se encuentra conformada por residuos de origen
vegetal y animal, la principal fuente de materia orgánica del suelo son los residuos
vegetales que aportan energía y alimento a los organismos del suelo y a su vez constituyen
la materia prima para la formación de coloides orgánicos (humus) que se acumulan en el
suelo. La materia orgánica se clasifica de acuerdo con su grado de transformación en no
húmica (compuestos químicos simples), comprendiendo la celulosa (15 – 60%), la
hemicelulosa (10 – 30%), la lignina (5 – 30%), azúcares-aminoácidos-ácidos alifáticos (5 –
30%), grasas-aceites-ceras-resinas (1 – 8%) y proteínas (1 – 15%); y materia orgánica
húmica (coloides orgánicos) como ácido fúlvico, ácido himatomelánico, ácido húmico y
humina Burbano (1989) citado en [112].
A su vez, la materia orgánica del suelo se caracteriza por tener un depósito de nutrientes
unidos a su estructura orgánica, que se libera en la solución del suelo a medida que los
microorganismos del suelo la mineralizan (descomponen), para su propio metabolismo y
crecimiento. La cantidad de nutrientes proporcionados a las plantas a través de la
mineralización de la materia orgánica depende del tipo de material que se mineraliza y su
proporción de carbono (liberado entre el 50 y 90% como CO2) y otros nutrientes, como
nitrógeno, fósforo y azufre. La velocidad a la que se descompone la materia orgánica
30 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
determina la rapidez con que los nutrientes se encuentran disponibles para las plantas
[113]. Durante las reacciones de descomposición de los restos orgánicos se produce una
oxidación rápida de éstos con una consecuente liberación de elementos nutritivos para la
planta, principalmente NH3, NH4+, NO3
-, SO42-, PO4
3-, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, además de agua
y CO2 [114]. La fracción de materia orgánica se descompone rápidamente, por lo que los
nutrientes se ponen a disposición de las plantas y los microbios; en cambio, la fracción de
humus se descompone durante décadas y proporciona un suministro grande pero de
liberación lenta de nutrientes disponibles para las plantas [113].
Desde el punto de vista fisicoquímico, la materia orgánica húmica o humus es la fracción
orgánica más importante del suelo puesto que al adquirir propiedades coloidales le trasmite
al suelo propiedades únicas. El humus es el conjunto de compuestos orgánicos amorfos,
poliméricos, de alto peso molecular y de color amarillo hasta gris oscuro o casi negro, que
se acumulan en el suelo como consecuencia de su resistencia a la transformación. Se
diferencian y agrupan de acuerdo con su solubilidad, peso molecular y grado de
polimerización [114], como se muestra a continuación en la Tabla 2-1.
Tabla 2-1. Características y solubilidad de los tipos de humus [114].
Tipos de humus Característica Solubilidad
Ácidos Fúlvicos
Son compuestos de bajo peso molecular, alta
acidez (entre 900 y 1400 meq/100g), bajo
grado de polimerización.
Solubles en álcali y en ácido.
Ácidos Húmicos
Son compuestos de alto peso molecular, baja
acidez (entre 500 y 870 meq/100g), alto
grado de polimerización.
Solubles en álcali, pero precipitan en
medio ácido presentan una fracción
soluble en etanol que se conoce como
Ácidos Himatomelánicos.
Huminas Se refieren a la fracción del humus más
resistente a la descomposición.
No es soluble, ni en ácido, ni en álcali.
La materia orgánica, en todas sus diferentes formas, tiene efectos marcados en casi todas
las propiedades del suelo, donde pueden destacarse:
CIC: Se incrementa en el suelo al aumentar el contenido de materia orgánica, lo
que explica el incremento de la humificación y por lo tanto el número de grupos
carboxilo (-COOH) y fenólicos (-OH) que pueden disociarse, adquiriendo cargas
Capítulo 2 31
negativas. Al incrementarse la CIC del suelo, se reducen y hasta evitan las pérdidas
por lixiviación [114].
pH: Puede disminuir al aumentar el contenido de humus, debido a la baja capacidad
amortiguadora y el poder acidificante que tenga el humus, ya que este está
compuesto por ácidos orgánicos principalmente; así mismo, la disociación de
grupos funcionales de la materia orgánica libera H+; al reducirse el pH, a ciertos
valores, también se produce solubilización de Al3+, el cual contribuye a aumentar la
acidez del suelo.
Hidrofobicidad: Algunos tipos de humus, al acumularse en el suelo, le imprimen a
éste características hidrofóbicas, alterando sus relaciones hídricas [115].
2.1.2 Composición inorgánica de suelos
Los principales componentes inorgánicos de los materiales parentales del suelo son los
minerales; existen dos clases de minerales, los originales de las rocas conocidos como
minerales primarios y los secundarios producidos a partir de la alteración de los primeros.
Los minerales primarios se cristalizan bajo las condiciones de formación de las rocas y son
parte de ellas; estos minerales forman parte integral del suelo si éste no ha evolucionado
lo suficiente o si han sido muy resistentes a la acción de los procesos de alteración de la
roca y el suelo, acumulándose con mayor frecuencia en las fracciones de tamaño mayor
como partículas de arena y limo (entre 0.002 y 2 mm). Los principales grupos de minerales
primarios corresponden a silicatos, aunque también se presentan óxidos, hidróxidos,
carbonatos, sulfatos, sulfuros y fosfatos. Los minerales primarios menos resistentes
desaparecen del sistema, transformándose en secundarios o en especies iónicas en forma
de fracción arcillosa del suelo y que corresponden a filosilicatos y a óxidos e hidróxidos de
hierro y aluminio, aunque en algunos grupos de suelos son importantes otros componentes
como los aluminosilicatos y/o los óxidos e hidróxidos de hierro y aluminio no cristalinos
(conocidos también como “amorfos”) [114]. Las principales características de los minerales
se resumen en la Tabla 2-2.
32 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
Tabla 2-2. Minerales primarios y secundarios de los materiales parentales del suelo.
Adaptada de [114].
Minerales primarios
Tipo de mineral Característica Ejemplo
Silicatos
Neosilicatos Olivino, (Mg, Fe)2 SiO4
Sororsilicatos Epidota, Ca2(Al,Fe)3OH SiO4
Si2O7.
Ciclosilicatos Berilo, Be3Al2 Si6O18
Inosilicatos Sencillas: Piroxenos como el
Diópsido, CaMg Si2O6.
Dobles: Anfíboles como la
Hornblenda, (OH)2Ca2Na(Mg,
Fe, Al)5Al2 Si6O22
Filosilicatos Micas como la Moscovita
(también Muscovita), K(Al2)
AlSi3O10 (OH)2.
Tectosilicatos Feldespato como la Ortosa u
Ortoclasa, KAlSi3O8. A este grupo
pertenece también el cuarzo,
SiO2.
Óxidos
Minerales abundantes en rocas ígneas y
metamórficas
Magnetita, Fe3O4
Corindón, Al2O3.
Ilmenita, FeTiO3.
Pirolusita, MnO2
Oxihidróxidos Minerales que provienen de óxidos en los cuales
parte o todo el oxígeno ha sido reemplazado por OH
Diáspora, AlO(OH).
Brucita, Mg(OH)2.
Carbonatos Minerales cuya composición química corresponde a
sales derivadas del ácido carbónico.
Calcita: CaCO3
Dolomita: (Ca, Mg)(CO3)2
Sulfatos Son sales que incluyen el radical SO4- en su
estructura
Anhidrita: CaSO4
Yeso: CaSO4.2H2O.
Sulfuros
Son sales derivadas del ácido sulfhídrico, H2S. Calcopirita: CuFeS2
Pirita: FeS2
Galena: PbS
Fosfatos Son sales derivadas del ácido fosfórico, H3PO4 Apatitos: Ca5(F, Cl, OH,)(PO4)3.
Minerales secundarios
Filosilicatos Son silicatos hidratados de aluminio, magnesio,
hierro y otras bases
Óxidos e
hidróxidos de
hierro y
aluminio
Llamados también sesquióxidos de Fe y Al, son muy
comunes en suelos tropicales. Son los responsables,
en gran parte, de los colores rojizos dominantes en
estos suelos; se presentan en formas cristalinas y no
cristalinas y su característica más importante es
tener una muy baja actividad fisicoquímica en los
suelos
Gibsita: Al(OH)3
Hematita: Fe2O3
Goetita: (FeOOH)
Ferrihidrita: Fe5O8.4H2O
Manganita (MnOOH)
En varias regiones de Colombia la presencia de feldespatos, ferromagnesianos, micas y
vidrio volcánico está asociada con el suministro de diferentes nutrientes, tales como: Si,
Capítulo 2 33
Al, Ca, Mg, K, Na, Cu, Zn, Fe y Mn al suelo. En la Figura 2-1 se da a conocer los elementos
esenciales en la nutrición vegetal aportada por los minerales primarios.
Figura 2-1. Aporte de nutrientes al suelo por parte de minerales primarios. Adaptado de
[114].
*Ar: indica que los minerales son de arcilla
2.2 Orden y Textura del suelo
Conocer el orden del suelo permite realizar la clasificación del mismo y con ello conocer
de antemano las características con las que va a contar este para su estudio, en este caso
para la aplicación de BC´s con el objetivo de mejorar las propiedades fisicoquímicas del
suelo. Existen 12 clases de órdenes de suelos considerados por el Sistema Taxonómico
Norteamericano1, los cuales son: histosoles, espodosoles, andisoles, oxisoles, vertisoles,
aridisoles, gelisosles, ultisoles, molisoles, alfisoles, inceptisoles e entisoles. Por su parte,
Colombia cuenta con 11 de los 12 órdenes de suelos existentes en el mundo a excepción
de los gelisoles. Con un 58.11% del territorio nacional se destacan los suelos incipientes,
1 SOIL SURVEY STAFF. 1999. Soil Taxonomy: A Basic System of Soil Classification for Making and Interpreting Soil Surveys. 2ª. Ed. United States Department of Agriculture (USDA). Washington D. C. 869 p.
Nutrientes por cada mineral
primario
Feldespatos (K, Na, Ca,
Ar*)Anfíboles
(Ca, Na, Mg, Fe)
Piroxenos(Ca, Mg, Fe)
Micas (K, Mg, Na, Fe,
Ar*)
Óxidos de hierro (Fe y
Ar*)
Olivinos (Fe y Mg)
Carbonatos (Ca y Mg)
Sulfuros (S y Ca)
Fosfatos (P y Ca)
34 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
poco evolucionados correspondientes a los órdenes entisoles e inceptisoles; con un
28.79% se encuentran los suelos muy evolucionados, pocos fértiles como los ultisoles y
los oxisoles y con un 7.5% se destacan los mejores suelos agrícolas (andisoles y molisoles)
que apenas cubren 8.5 millones de hectáreas (IGAC, 2012)2.
La textura y la estructura de un suelo determinan su capacidad para formar agregados de
suelo, lo que permite determinar el almacenamiento de agua y nutrientes y proporcionar
un hogar para la biota del suelo debido a la presencia de materia orgánica que ayuda a
crear y estabilizar los poros del suelo y a promover la formación de agregados del suelo.
La textura es una propiedad exclusiva de la fase sólida del suelo fuertemente dependiente
del material parental del suelo; esta propiedad establece las cantidades relativas en que
se encuentran las partículas de diámetro menor a 2 mm en el suelo; estas partículas,
denominadas separados, se agrupan en tres clases, por tamaños: Arena (A), Limo (L) y
Arcilla (Ar) y son definidas como se muestra en la Tabla 2-3 por el sistema Taxonómico
Norteamericano de suelos.
Tabla 2-3. Características, diámetro de partícula y subdivisión de separados en los suelos
[114].
Separado
Rango de
diámetro de
partícula (mm)
USDA
Características Subdivisión de los
separados
Arena 2 – 0.005
Presente en grandes cantidades o en granos muy
gruesos, las partículas individuales se pueden ver
y separar fácilmente. Se satura con poca cantidad
de agua y se seca rápidamente al aire; cuando se
seca se disgrega.
Arena muy gruesa
Arena gruesa
Arena media
Arena fina
Arena muy fina
Limo 0.005 – 0.002
Apariencia suave, sedosa en estado húmedo y su
apariencia polvosa en estado seco.
Limo grueso
Limo medio
Limo fino
Arcilla < 0.002 Es más adhesiva, cohesiva, pegajosa y plástica
que el limo.
Arcilla gruesa
2 Sistema de Información Ambiental de Colombia (siac). Ministerio de Ambiente de Colombia. Consultado en: http://www.siac.gov.co/sueloscolombia
Capítulo 2 35
Retiene mucha humedad y se demora para
secarse.
Arcilla fina
La textura del suelo interviene en la aireación, movimiento del agua, retención de humedad,
retención y liberación de iones, disponibilidad de nutrientes, erodabilidad (vulnerabilidad o
susceptibilidad a la erosión), uso y manejo. De acuerdo con el tamaño de las partícula que
determina la textura, un suelo puede clasificarse: a) de textura gruesa: cuando las
partículas predominantes son de tamaño grande y b) de textura fina: cuando las partículas
predominantes son las de menor tamaño. Así mismo, las distintas partículas difieren en
cuanto a sus propiedades fisicoquímicas, por lo que la naturaleza de los suelos minerales
está determinada en gran parte por el grupo de separados que predominan en él [113].
A su vez, las diferentes cantidades en que se presentan los separados del suelo han sido
agrupadas en doce clases texturales que presentan diferentes cantidades de arena, limo
y arcilla, representados en el triángulo textural (Figura 2-2), a partir del cual es posible
determinar la clase textural de un suelo. En el triángulo se ubican los porcentajes de arena,
limo y arcilla, en el pertinente eje del triángulo se proyecta dicho valor siguiendo la dirección
indicada por la flecha, hasta que las tres líneas se intercepten determinando un punto; así
por ejemplo, el suelo utilizado en un experimento que contiene 47.4% de arcilla, 23.5% de
limo y 29.1% de arena, respectivamente se clasifica como suelo arcilloso [91]. En este
sentido, en un suelo Arcillo limoso, el separado dominante es la arcilla, ya que es el
separado que encabeza el nombre de la clase textural; en su lugar, el suelo Franco es
aquel cuyos separados están en una proporción tal que ninguno de ellos domina las
propiedades del suelo; desde el punto de vista de la planta, esta clase textural es la que
presenta un mejor equilibrio entre sus separados [114].
36 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
Figura 2-2. Triángulo textural de suelos. Adaptado de [112].
2.3 Propiedades fisicoquímicas del suelo
Las propiedades físicas y químicas del suelo tales como la porosidad, distribución del
tamaño de poro, densidad aparente, el contenido de agua, carbono orgánico disuelto, la
materia orgánica del suelo, el pH, la CIC, la CE y el contenido de nutrientes [28]
representan las propiedades que le permiten al suelo tener las condiciones necesarias
para obtener una adecuada productividad agrícola.
2.3.1 Propiedades físicas del suelo
Porosidad
El espacio de poro o porosidad del suelo se define como la relación del volumen de poro
al volumen total del suelo. Hay tres tipos de poros presentes en el suelo (macro, meso y
microporos) clasificados en función del tamaño [34]. La porosidad en suelos es importante
para la aireación, el movimiento y la retención de nutrientes y agua, también brindan refugio
a los microbios dentro del suelo [34]. El aumento de la porosidad del suelo puede mejorar
las condiciones ambientales del suelo y promover el crecimiento de las plantas [28].
Una de las alternativas para obtener mayor porosidad del suelo es la aplicación de BC
dado que puede tener implicaciones positivas para el movimiento de agua, calor y gases
en el suelo. Sin embargo, también es importante tener en cuenta que la menor densidad
Capítulo 2 37
aparente y la mayor porosidad total pueden no ser siempre beneficiosas para el
crecimiento de las plantas. Si bien la compactación excesiva del suelo reduce la aireación,
el movimiento del agua, el crecimiento de la raíz de la planta y los rendimientos de los
cultivos; a su vez, la compactación ligera puede mejorar el contacto entre la raíz y el suelo
y la conectividad de los poros, permitiendo un mayor transporte de nutrientes y agua a las
raíces de la planta. Generalmente los suelos arenosos parecen ser más sensibles a la
aplicación de BC que los suelos con alto contenido de arcilla [7]. Oguntunde y col. [116]
encontraron que la porosidad de un suelo aumentó de 47.5% a 50.6% después de la
aplicación de BC. Un aumento en la porosidad del suelo se debió a la alta naturaleza
porosa del BC [74] [34].
Distribución del tamaño de poro del suelo
La distribución del tamaño de poro tiene un efecto mayor en el flujo de agua, aire y calor
en relación con la porosidad total, ya que el flujo de energía dentro y a través del suelo
depende más del volumen de poros dentro de un rango de tamaño de poro específico que
del volumen total de poros. Estudios han encontrado que la aplicación de BC altera la
distribución del tamaño de los poros del suelo y su estructura ya que pueden reducir la
proporción de poros drenables [117] y aumentar la proporción de mesoporos [118], puesto
que el aumento en los mesoporos con aplicación de BC podría ser crítico para aumentar
la capacidad del suelo para retener el agua disponible. Los poros de suelo de tamaño
mediano pueden ser más importantes para la retención de agua disponible que los
macroporos y microporos, puesto que los macroporos grandes no retienen el agua
disponible, mientras que los microporos retienen el agua tan fuerte que es posible que gran
parte del agua retenida no esté disponible para las plantas.
Densidad aparente del suelo
La densidad aparente del suelo es un indicador de la fertilidad y la dureza del suelo. La
densidad aparente del suelo se caracteriza por un mayor número de poros, mientras que
la alta densidad aparente del suelo indica un suelo duro, menos poros y una estructura del
suelo pobre. La alta densidad aparente resulta en una baja capacidad ventilatoria que
puede frenar aún más el crecimiento de las raíces, lo que influye en la adsorción de
nutrientes y agua [28]. La adición de BC disminuye la densidad aparente del suelo y
aumenta la porosidad del suelo, alterando el contenido de oxígeno del suelo, mostrando
38 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
características beneficiosas para la mineralización del suelo y la disponibilidad de N [119]
y mejorando la capacidad de retención de agua que optimiza el desarrollo de las raíces de
las plantas y la actividad microbiana del suelo [91].
Contenido de agua en el suelo
El valor relativo del agua disponible en el suelo depende de la cantidad y la frecuencia de
las precipitaciones en cualquier estación. La textura y la estructura de un suelo determinan
su capacidad para formar agregados de suelo, lo que ayuda a determinar el
almacenamiento de agua y nutrientes (ver Tabla 2-4). Los espacios o poros que se forman
entre los agregados del suelo son capaces de almacenar agua y proporcionan un hogar
para la biota del suelo. Los suelos con una amplia gama de tamaños de partículas son
inestables y se compactan fácilmente para formar capas densas, a menudo impenetrables
que limitan el crecimiento de las raíces. La materia orgánica ayuda a crear y estabilizar los
poros del suelo, promueve la formación de agregados del suelo y contribuye al
almacenamiento de agua del suelo a través de su capacidad para absorber el agua [113].
El contenido de agua de los suelos está influenciado por la textura del suelo, la estructura
y la cantidad de materia orgánica. El BC cambia la capacidad de retención de agua del
suelo al cambiar la porosidad del suelo [120]. Los BC´s tienen una mejor capacidad de
retención de agua debido a su estructura interna, además, los BC´s aumentan los niveles
de agua, aire y nutrientes en el suelo. Los BC´s son hidrofílicos cuando la superficie se
oxida [121] por lo que aumentan la capacidad de adsorción de agua y de retención de agua
[122].
Tabla 2-4. Influencia de las características del suelo en la capacidad de almacenamiento
de agua [113].
Característica del
suelo
Efecto sobre la estructura del suelo y el
almacenamiento de agua.
Impacto en los cultivos
Aumento del
contenido de arcilla.
Ayuda a formar agregados de suelo con un
tamaño de poro pequeño, lo que aumenta la
capacidad de retención de agua.
Los poros pequeños pueden
dificultar que las plantas extraigan
el agua del suelo en condiciones
de secado.
La mala estabilidad de los
agregados puede dar lugar a
Capítulo 2 39
costras en la superficie,
endurecimiento, anegamiento y
menos agua disponible.
Bajo contenido de
arcilla o limo
Baja capacidad de almacenamiento de agua
y nutrientes dentro de la zona radicular.
Más propenso a desarrollar
repelencia al agua, restringiendo
la entrada de agua.
Estructura deficiente
del suelo
Baja capacidad de almacenamiento de agua.
Mala infiltración de agua.
Mayor riesgo de erosión.
Los rendimientos de los cultivos a
menudo están por debajo del
potencial debido al menor
almacenamiento de agua y el
acceso restringido al agua.
Arcillas de craqueo
Mayor capacidad de almacenamiento de agua
pero espacialmente variable, puesto que el
agua fluye preferentemente hacia las grietas,
mientras que las áreas entre las grietas
permanecen secas debido a la densa
estructura del suelo y al rápido flujo de agua.
Disponibilidad de agua y potencial
de rendimiento determinado por el
patrón de infiltración y la
profundidad del enraizamiento.
Alto contenido de
materia orgánica
La materia orgánica fresca estimula la
actividad biológica, incluida la fauna del suelo,
como las lombrices y las termitas, que a su
vez ayudan a formar los poros del suelo que
aumentan la porosidad del suelo, la infiltración
del agua y la capacidad de agua del suelo.
Mayores rendimientos cuando se
asocian con un mayor
almacenamiento de agua en el
suelo y ciclos de nutrientes.
2.3.2 Propiedades químicas del suelo
Carbono orgánico del suelo
El carbono orgánico total del suelo es uno de varios indicadores clave de la calidad del
suelo y la fertilidad general. Como norma, por cada tonelada de carbono en la materia
orgánica del suelo, alrededor de 100 kg de nitrógeno, 15 kg de fósforo y 15 kg de azufre
están disponibles para las plantas a medida que la materia orgánica se descompone [113].
Materia orgánica del suelo
La materia orgánica del suelo es la principal fuente de nutrientes del suelo. Esta promueve
la actividad de los microbios del suelo y la adsorción de nitrógeno y reduce las pérdidas de
nitrógeno a través de la volatilización [123]. Además, la materia orgánica del suelo puede
mejorar la estructura del suelo y las propiedades físicas, estimulando el crecimiento y el
40 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
desarrollo de los cultivos. La materia orgánica activa del suelo es un componente
importante del suelo que influye en el carbono orgánico disuelto, la biomasa microbiana y
la materia orgánica de fracción ligera; además, puede afectar el ciclo del material del suelo
y mejorar la calidad del suelo. A su vez, se ve afectada por la textura del suelo, el contenido
de agua, la temperatura y otros factores, también está relacionado con el pH del suelo y la
CIC. El BC da como resultado un contenido de materia orgánica del suelo más alta que la
aplicación de abono o fertilizante, siempre que se aplique a menos del 10% [28].
pH del suelo
El pH del suelo depende tanto de las características fisicoquímicas del suelo como las de
los BC´s. Hossain y col. [124] encontraron más de 2 unidades de aumento en el pH del
suelo después de la aplicación de BC. De igual forma, se observó un aumento en el pH de
los suelos ácidos después de la aplicación de BC´s producidos a altas temperaturas [120]
[125]. Además, el pH relativamente alto de los BC´s puede atribuirse a la presencia de
grandes cantidades de sales de elementos alcalinos (Na, K, Ca, Mg) y calcita en BC´s
[126]. El pH alto y la presencia de calcita es un atributo útil de los BC´s para neutralizar la
acidez del suelo ácido, pero puede disminuir la disponibilidad de algunos nutrientes en los
suelos calcáreos. Con el aumento en la acidez de los suelos, los cationes básicos se
neutralizan y la fertilidad del suelo se reduce, lo que restringe el crecimiento de los cultivos.
Por otro lado, Castaldi y col. [127] atribuyeron el cambio transitorio en el pH del suelo al
efecto positivo transitorio del BC en la actividad microbiana del suelo.
En general, el aumento en el pH de los suelos modificados con BC´s podría deberse a (i)
la alcalinidad del BC producido a partir de la pirólisis a alta temperatura [128]; (ii) la
formación de carboxilo, hidroxilo y grupos funcionales fenólicos cargados negativamente
en la superficie del material de BC, que reduce la concentración de H+ en soluciones de
suelo [129]; y (iii) la presencia de carbonatos, silicatos, contenido de ceniza y bicarbonatos
que unen H+ a la solución del suelo [130].
Conductividad eléctrica
En un estudio de Zolfi-Bavariani y col [87] de incubación la CE del suelo se incrementó
significativamente mediante la aplicación de BC de estiércol de aves en todas las etapas
del muestreo durante el período de incubación. El aumento de la CE en el suelo en la etapa
Capítulo 2 41
temprana de la incubación pudo ser el resultado de la presencia de sales solubles en agua
en el suelo tratado con BC a alta temperatura. Singh y col. [131] informaron la presencia
de más sales solubles en agua en el BC producido a altas temperaturas; en este estudio,
el rápido aumento de la CE en los suelos tratados con BC de estiércol de aves a 200°C
puede atribuirse a su descomposición más rápida y a la mayor producción de sales
solubles que los BC´s que se producen a mayor temperatura [132].
Capacidad de intercambio catiónico – CIC
Corresponde a la medida de la capacidad que posee un suelo de adsorber cationes y es
equivalente a la carga negativa del suelo. La CIC define la cantidad de sitios disponibles
para almacenar los cationes en el suelo. Los cationes que son sometidos a esta retención
quedan protegidos contra los procesos que tratan de evacuarlos del suelo, como la
lixiviación, evitando así que se pierdan nutrientes para las plantas. Además, como la
retención se hace superficialmente obedeciendo a deferencias de carga electrostática, los
cationes adsorbidos pueden ser intercambiados por otros de la solución del suelo,
convirtiéndose en cationes intercambiables, necesarios en los procesos de nutrición de la
planta. Los cationes más importantes en los procesos de intercambio catiónico, por las
cantidades de ellos que participan en dichos procesos, son Ca2+, Mg2+, K+ y Na+ (las bases
del suelo) y NH4+; en suelos ácidos, a partir de ciertos valores de pH, el Al3+ juega un papel
muy importante en el complejo de intercambio catiónico del suelo constituyendo, junto con
el H+, la acidez intercambiable del mismo [114].
La CIC es un indicador importante de la calidad del suelo, puesto que una alta CIC indica
una alta capacidad para la fijación de nutrientes, que es beneficioso para el crecimiento de
las plantas. Cuando el BC está en contacto con el suelo se produce una carga en la
superficie del BC, que produce adsorción electrostática. Los grupos activos de oxígeno en
la superficie del BC, como ácidos carboxílicos e hidroxilos, reaccionan con cationes
metálicos en el suelo y forman complejos de iones metálicos. Los grupos activos de
oxígeno en la superficie del BC están cargados negativamente, lo que hace que el BC
tenga una alta CIC. Cuando la relación de la adición de BC es 1:100, la CIC del suelo
aumenta en 0.92 cmol kg-1 y continúa aumentando con la adición de BC [28].
El valor que toma la CIC de un suelo también está fuertemente afectado por el valor del
pH al cual se hace la determinación, aumentando el valor de aquella al aumentar el pH.
42 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
Cuando el contenido de arcilla y de sesquióxidos de Fe y Al aumenta en el suelo, hay un
mayor aumento de la CIC del mismo por unidad de cambio que se da en el pH [114].
Respecto a la textura del suelo, las arcillas caoliníticas tienen una CIC moderada (≈10
meq/100g), mientras que otras arcillas como la ilita y la esmectita tienen una CIC más alta.
La materia orgánica humidificada tiene una CIC muy alta (250-400 meq/100 g) de acuerdo
con los datos reportados en la Tabla 2-5; por lo que en suelos con bajo contenido de arcilla,
la cantidad de humus y materia orgánica resistente del suelo es cada vez más importante
para el intercambio de nutrientes debido a que su gran área de superficie. La contribución
de la materia orgánica a la capacidad de intercambio catiónico del suelo disminuye con la
profundidad del suelo, lo que disminuye el pH del suelo y aumenta el contenido de arcilla
[113].
Tabla 2-5. CIC para diferentes texturas del suelo y materia orgánica [113].
Textura del suelo CIC (meq/100g)
Arena 1 - 5
Franco arenoso 2 - 15
Franco limoso 10 – 25
Arcillo limoso/Franco arcillo limoso 15 - 35
Arcilla 25 - 150
Materia orgánica 40 - 200
Materia orgánica humificada 250 - 400
2.4 Usos y beneficios de biocarbonizados en suelos.
En los últimos años los BC´s han ganado una atención cada vez mayor debido a que su
uso como enmienda genera un aumento en la fertilidad del suelo [11] [133] y por lo tanto
influye en sus propiedades físicas, químicas y biológicas [100] [134], teniendo así un efecto
regulador en las funciones del suelo [23]. Los BC´s proporcionan diversos beneficios en
términos del rendimiento de cultivos [101], debido a que son ampliamente reconocidos
como adsorbentes de nutrientes [12], pues mejoran la capacidad de retención de nitrógeno,
calcio, fósforo, potasio, magnesio, silicio, hierro, azufre, zinc y sodio [3] [5] [26] [32], por lo
cual, promueven la disponibilidad de nutrientes liberando sus propios nutrientes y
Capítulo 2 43
reciclando los existentes en el suelo, lo cual previene su lixiviación [135] [136]. Así mismo,
aumentan la CIC [85], el almacenamiento de carbono [101] y reducen la demanda de
fertilizantes [137].
Se han utilizado como materiales prometedores en la remediación ambiental [138] [139]
debido a características esenciales como el área superficial y microporosidad. Estudios
[12] han demostrado que los BC´s son eficientes en la adsorción de contaminantes
orgánicos (tanto en el suelo como en el agua) y contaminantes químicos, puesto que son
herramientas que favorecen la descontaminación de pesticidas, metales pesados [133] e
hidrocarburos [58] [140]. Los BC´s pueden disminuir el efecto tóxico de los contaminantes
orgánicos en las plantas y reducir su acumulación [28].
Los BC´s mejoran la compactación del suelo, la porosidad, la permeabilidad, la densidad
del suelo, el contenido de agua y la densidad aparente; promueven la mineralización,
fijación y transformación del nitrógeno orgánico en los suelos para proporcionar una fuente
de nitrógeno para los microbios y aumentar el contenido de nitrógeno. Abundantes y
complicados poros en los BC´s se retienen en los suelos y proporcionan espacio para el
crecimiento y la propagación de microbios, protegiendo a los microbios de un entorno
externo desfavorable y reduciendo la competencia de supervivencia entre los microbios
[28].
Entre otras características, los BC´s conducen a efectos potencialmente beneficiosos
sobre el mejoramiento de los suelos, la productividad de los cultivos y por lo tanto, en el
crecimiento de las plantas debido a que mejora la eficiencia del uso de nutrientes de las
plantas mejorando la retención de nutrientes del suelo durante un período más prolongado
y mediante la liberación lenta de nutrientes según los requisitos de la planta; aumentan el
pH de los suelos ácidos [3], mejoran la estructura del suelo [25], mitigan el cambio climático
al aumentar el almacenamiento de C en el suelo en varios, reducen las emisiones de gases
de efecto invernadero como CO2, CH4 y N2O [56] [21], permanecen particulados por largos
periodos de tiempo [25], disminuyen la lixiviación de macronutrientes solubles, mejoran la
actividad microbiana y la capacidad de retención de la humedad [133].
Una de las características más importantes de su aplicación en suelos es su estabilidad
(grado de aromaticidad), esta tiene una relevancia fundamental porque no solo determina
cuanto tiempo pueden retenerse los BC´s, sino también durante cuánto tiempo pueden
44 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
beneficiar el medio ambiente del suelo [27]; además de su resistencia ante la
descomposición microbiana debido a su estructura C aromática recalcitrante que aumenta
el carbono orgánico en el suelo [23]. En consecuencia, para la aplicación de los BC´s en
suelos es considerablemente útil realizar la cuantificación de la aromaticidad de los BC´s,
no solo para la predicción del tiempo medio de residencia, sino también para la
comprensión de las interacciones entre los contaminantes orgánicos hidrofóbicos
presentes en los suelos y los BC´s, lo que permitirá la adsorción de contaminantes
orgánicos por el BC [27].
3. Adsorción de nutrientes por biocarbonizados.
3.1 Biocarbonizados como soporte de nutrientes
Las respuestas del suelo, la planta y el medio ambiente a la adición de BC dependen en
gran medida de su composición, propiedades, las especies de plantas y las condiciones
ambientales y experimentales [23]. En este segmento se hace énfasis en la composición
elemental de los BC`s, la cual depende de la materia prima utilizada y la temperatura de
pirólisis. En este orden, los BC`s derivados de residuos agrícolas tienen un alto contenido
de carbono aromático debido a la mayor cantidad de lignina y celulosa presentes, lo que
le proporciona alta estabilidad y resistencia a la descomposición microbiana [18]. Los
residuos animales tienen altos contenidos de compuestos orgánicos e inorgánicos lábiles,
lo que resulta en BC´s con alto contenido de cenizas, relacionándose positivamente con la
composición química y de nutrientes de la biomasa. Además, los BC`s producidos por
pirólisis lenta contienen más compuestos alifáticos, carbono lábil y nutrientes, por lo que
se consideran beneficiosos para el manejo de suelos agrícolas, mientras que los BC´s
producidos por pirólisis rápida contienen más compuestos aromáticos y carbono fijo, y son
adecuados para el secuestro de carbono del suelo [31]. En la Tabla 3-1 se compilan los
resultados de diversos estudios donde se muestra el contenido de cenizas y de los
elementos mayoritarios con interés a nivel de macro y micronutrientes que presentan BC´s
obtenidos a diferentes temperaturas de pirólisis y clasificados de acuerdo con el tipo de
residuo (agrícola, animal, forestal y municipal). Para todos los tipos de BC´s el contenido
de cenizas aumenta con la temperatura de pirólisis, observándose altos contenidos en
biomasas tales como: cáscara de arroz con 91.25% en base seca, seguido de los desechos
municipales con 53.8% [141] y paja de arroz con 52.0% [142].
De los datos expuestos en la Tabla 3-1 también es posible observar que los principales
elementos como el C, H, O, N y S componen más del 60% de los BC´s, seguidos por
potasio, fosforo, sodio, magnesio y calcio, y en menor proporción manganeso, silicio,
46 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
hierro, aluminio, cobre y zinc [28]. Para todas las materias primas el contenido de N en el
BC es inferior al 5%, evidenciándose un alto contenido en el estiércol de pollo con 4.45%
[143], el contenido de hidrógeno es ligeramente superior al de nitrógeno, el contenido de
oxígeno alcanza un máximo del 42.3% en peso para el residuo de desechos de ave de
corral [87], el contenido de S es inferior al 3% en peso y el contenido de C aumenta en
materias primas derivadas de residuos forestales de hasta 92.34% en madera blanca de
albizia [144]. En relación con los elementos inorgánicos, se observa que el contenido de
Ca es ligeramente más alto que el de K y el de Na; lo cual hace estos materiales sean
interesantes ya que, estos iones (Ca2+, K+ y Na+) inciden en las características del suelo y
Según Tan y col. [28] el calcio y el magnesio que aportan los BC`s afectan directamente
el pH del suelo resultando en un tratamiento efectivo para los suelos estériles y arenosos.
Tabla 3-1. Composición química (nutrientes totales) de diferentes fuentes de biomasas.
BC / materia
prima
Tem. de
produc
ción °C
Ceniz
as (%)
Composición química (%)
Referencia C H N O S Ca Mg K P Na Mn Si Fe Al Cu Zn
RESIDUOS AGRICOLAS
Paja de canola
300
500
700
10.7
18.4
28.6
61.6
63.4
54.9
0.19
0.04
0.04
0.16
0.27
0.48
[84]
Bagazo
300
450
600
69.5
78.6
76.4
4.20
3.52
2.93
0.90
0.92
0.79
24.4
15.5
18.3
0.46
0.83
0.91
0.14
0.18
0.21
0.27
0.25
0.15
0.05
0.07
0.08
[145]
Paja de trigo
300
400
500
25.0
37.0
46.0
51.7
62
66.2
1.38
0.94
0.85
0.63
0.83
0.87
0.45
0.56
0.69
3.00
3.20
3.60
0.26
0.3
0.34
[142]
Paja de arroz
300
400
500
31.0
40.0
52.0
45.2
55.5
63
1.15
0.98
0.85
0.91
0.98
13.3
0.81
0.96
1.13
3.60
4.10
4.80
0.11
0.13
0.14
[142]
Paja de arroz 600 10.7 78.5 0.70 13.4 0.49 1.56 0.23 [146]
Paja de
algodón
600 2.9 74.8 0.69 17.6 1.17 4.08 [146]
Paja de trigo 600 8.1 72.9 0.81 17.2 2.08 0.42 1.82 [146]
Paja de maíz 600 3.2 72.0 1.09 18.3 0.52 0.79 4.57 0.26 [146]
Paja de trigo 0.50 0.9 0.1 3.60 5.50 [147]
Paja de maíz 0.49 0.06 0.73 0.08 [147]
Paja de soja 4.63 0.9 0.03 0.20 0.15 [148]
Cáscara de
caco sin lavar
17 70.0 1.60 1.40 37a 33a 127a 0.31a [149]
Mazorca de
maíz sin lavar
13 66.0 2.60 0.60 2a 2a 24a 0.08a [149]
Maíz 58.8 1.06 0.37b 8.64b 7.10b 19.0b 2.35b 7.30b 115 [33]
48 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos
Trigo/cebada 60.8 1.41 12.6b 9.88b 1.26b 1.94b [33]
Cáscara y paja
de arroz
43.6 1.40 3.90b 0.70b 1.20b [33]
Sorgo 56.4 0.74 4.14b 2.34b [33]
Rastrojo de
soja
75.4 1.59 0.40 [33]
Cáscara de
maní
75.3 1.83 0.90b 3.30b 1.48b 11.0b 2.05b [33]
Cáscara de
avellana
77.5 0.52 3.13b 0.61b 4.73b 0.32b [33]
Bagazo 78.6 0.87 7.33a 1.77b 2.23b 0.67b 0.43b [33]
Residuos de
comida
44.4 3.28 51.8b 4.93b 19.2b 6.64b [33]
Cáscara de
arroz
430 29 14.4b 16.5b 2b 27.3b 8b 6.7b 34b [9]
Ensilado de
sorgo
385 40 332.4b 22.8b 1.5b 24.44b 7.1b 4.75b 29.6b [9]
Cáscara de
arroz
46.5 40.2 0.17 0.13 0.48 0.15 0.14 [144]
Cáscara de
arroz
300
500
63.5
91.2
44.0
35.7
2.00
0.88
0.04d
0.07d
0.65d
1.09d
14.51d
20.54d
1.80d
3.48d
0.34d
0.35d
0.08d
0.18d
0.00d
0.00d
0.02d
0.00d [150]
Orujo de uva 300
500
25.6
48.3
49.6
19.9
1.60
0.74
1.13d
1.72d
4.86d
6.93d
164.7d
219.2d
3.63d
5.99d
0.12d
0.17d
1.75d
2.64d
1.02d
1.37d
0.09d
0.15d [150]
Cáscara de
almendra
472 3.4 89.4 0.53 0.74 0.02 [92]
Paja de trigo 368 25.1 84.4 0.83 0.8 0.08 [92]
RESIDUOS FORESTALES
Madera blanca
de albizia
5.98 92.3 0.60 0.16 0.77 0.10 0.25 [144]
Filtro de
aserrín
385 15 430.4b 12.4b 1.3b 17.8b 3.9b 3.5b 16.7b [9]
Capítulo 3 49
Maderas
blandas
74.6 0.79 0.23b 20.7b 18.0b 16.9b 0.74b 9.64b 1.38b [92]
Madera dura 388.3b 552.6b 2.10b 82.26b 135.80b 118.90b 3.18b 1.93b 5.72b 0.17b 6.22b 0.62b [151]
Madera blanda 596.3b 287.0b 2.30b 103.20b 103.40b 92.10b 3.60b 2.19b 7.23b 0.28b 9.64b 7.09b [151]
Conocarpus
200
400
600
800
4.5
5.3
8.6
8.6
64.2
76.8
83.0
85.0
3.9
2.8
1.2
0.6
0.69
0.87
0.71
0.90
26.6
14.2
6.55
4.87
2.28
1.72
0.91
0.58
43.40
51.80
64.70
67.50
3.43
3.98
4.79
7.81
0.38
0.54
0.9
1,15
0.84
0.88
1.11
1.34
[31]
Madera de
roble
400
600
12.1
13.4
70.9
79.2
3.6
2.0
0.40
0.30
12.9
3.5
2.70
0.31
0.20
0.90
0.20
0.10
0.10
[2]
Madera de
abeto Douglas
500 2.0 72.4 3.9 0.20 21.4 0.20 0.04 0.15 0.02 [152]
Palmera
datilera
300
400
500
600
700
800
14.4
16.3
19.7
20.7
21.1
21.4
57.9
66.8
72.3
72.9
73.4
74.6
4.0
3.5
2.1
1.7
1.1
0.8
0.54
0.45
0.42
0.39
0.35
0.31
20.8
11.4
4.5
3.28
3.19
2.27
2.14
1.36
1.02
0.98
0.85
0.54
4.85
6.04
5.81
7.77
7.65
8.08
1.53
1.57
1.93
1.90
1.92
2.02
2.18
2.17
2.23
2.58
2.69
2.71
[83]
Bamboo
300
450
600
66.2
76.9
80.9
4.7
3.5
2.4
0.4
0.23
0.15
27.7
16.1
14.9
0.22
0.29
0.34
0.14
0.19
0.23
0.30
0.35
0.52
0.24
0.36
0.54
[145]
Astilla de pino 450 83.7 0.36 0.33 0.05 0.17 0.02 [106]
Poda de olivo 450 75.5 1.10 2.85 0.21 0.92 0.15 [106]
Astilla de pino 428 4.4 62.8 0.37 0.24 0.04 [92]
RESIDUOS ANIMALES
Estiércol de
cerdo
400
600
27.5
34.5
20.3e
28.9e
15.7e
21.3e
16.2e
35.3e
22.1e
28.2e
455d
513d
5392d
6674d
617d
834d
156d
180d
585d
770d [109]
Estiércol de
aves
35.3 2.15 9.26b 103b 12.2b 60.2b 33.1b 2.91b [33]
50 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y contaminantes orgánicos
Estiércol de
pavo
31.8 2.02 8.25b 48.0b 29.0b 23.4b 60.8b 6.16b 472b [33]
Estiércol de
cerdo
44.9 2.79 8.25b 48.0b 29.0b 23.4b 60.8b 6.17b 472b [33]
Estiércol de
vaca
58.1 2.37 2.70b 26.9b 11.8b 17.2b 8.59b 5.87b 107b [33]
Estiércol de
ganado
48.5 1.90 4.25b 28.8b 9.93b 40.6b 9.17b 2.86b 114b [33]
Desechos de
ave de corral
400
600
0.79
0.8
52.1
52.8
5.85
4.00
0.79
0.8
3.59
2.03
2.40
1.57
[109]
Estiércol de
cerdo
400
600
0.24
0.39
54.9
57.9
2.23
1.79
0.24
0.39
2.13 1.62
3.53
0.97
1.55
[109]
Desechos de
ave de corral
250
300
350
400
1.14
1.25
1.50
1.76
4.97
5.35
6.45
7.01
1.86
2.06
2.35
2.55
[153]
Estiércol de
cabra
400
500
600
700
800
42.7
42.3
44.9
42.6
43.6
1.7
1.5
1.2
0.9
0.8
2.10
1.90
1.20
1.30
1.10
30.1
23.4
20.2
22.2
21.7
6.7
7.9
9.4
8.3
9.3
2.40
2.90
3.20
3.00
3.30
2.90
3.30
3.40
3.20
3.30
3.80
4.40
5.30
4.80
5.00
[154]
Desechos de
ave de corral
200
300
400
39.7
42.4
57.9
5.6
5.3
3.4
42.3
39.1
31.9
3.39
4.13
5.59
1.05
1.26
1.72
[87]
Estiércol de
vaca
350
700
24.2
39.5
2.60
1.51
1.43
2.31
1.00
1.69
[143]
Estiércol de
pollo
350
700
30.7
46.2
4.45
2.07
4.85
7.40
2.08
3.12
[143]
Estiércol de
vaca
350
700
28.7
44.0
3.64
1.70
32.00
4.91
1.14
1.76
[143]
Capítulo 3 51
Estiércol de
pavo
350
700
34.8
49.9
4.07
1.94
4.01
55.9
2.62
3.66
[143]
RESIDUOS MUNICIPALES Y/O BIOSÓLIDOS
Desechos
municipales
400
600
50.1
53.8
39.9
40.1
3.7
1.1
1.70
1.40
4.2
3.2
5.3
8.1
0.5
0.5
0.90
0.90
0.50
0.50
[2]
Lodos de
aguas
residuales
térmicamente
secos
22.3 1.20 2.26 4.0 1.01 89.11d 11.83d 9.09d 51.19d 3.84d 42.65d 42.65d 767d 3074d
[155]
Desperdicios
de aves
56.6 26.3b 11.0e 49.1e 13.5e 72.0e 27.1e 15.2e 0.87e 2.37e 4.79e 0.80e 1.05e [156]
Desperdicios
de aves
400
600
25.3
35.4
28.3e
35.9e
17.3e
24.0e
38.8e
58.8e
20.0e
28.7e
1099d
1437d
2909d
4311d
537d
777d
349d
366d
1164d
1633d [109]
Residuos de
poda de jardín
300
500
20.5
22.5
66.2
77.7
0.1
0.04
1.22
1.21
35.30
13.50
[24]
Las unidades para cada de los datos presentados corresponden a: a cmolc kg char -1, b mg kg-1, c mg kg, d mg/g-1, e g/kg-1
Mukome y col. [157] encontraron que los BC`s de estiércol y pasto tienen menos cenizas
y una relación C/N más baja que BC`s producidos a partir de maderas con mayor contenido
de C en detrimento de otros nutrientes presentes en la materia prima específicamente para
el N [51]. Una mayor concentración de N en los BC`s a base de estiércol puede atribuirse
al alto contenido de proteína [1], por lo que, los BC`s de plantas presentan desventaja en
términos de actuar como una fuente directa de nutrientes [51] y la selección de materia
prima, influye en las características del producto final sugiriendo que los BC´s de estiércol
tienen mayor cantidad de N disponible. De acuerdo con Wang y col. [158] compararon la
disponibilidad de nutrientes entre los BC`s derivados de estiércol y biosólidos, este estudio
demostró que el fósforo disponible aumenta con la adición de BC`s de estiércol de vaca
debido a que el fósforo se asocia con compuestos de calcio y magnesio más fácilmente
solubles. Por su parte, Hossain y col. [159] encontraron que los BC´s de lodos de aguas
residuales muestran concentraciones elevadas de N y P.
Wu y col. [160] produjeron ocho BC`s de biomasa residual (leñosas, herbáceas, estiércol
y fango) usando el método de pirólisis lenta, estos autores estudiaron la liberación de
diferentes nutrientes (N, Ca, Mg y K), concluyendo que el tipo de materia prima y la
temperatura de pirólisis desempeñan un papel significativo en la regulación de las
diferentes propiedades físicoquímicas de BC`s; La influencia de la temperatura de pirólisis
en el contenido total de nutrientes en BC´s difiere según la duración del período de reacción
de la pirólisis; puesto que, el aumento de la temperatura durante la pirólisis lenta tiende a
aumentar el contenido total de nutrientes en comparación con la pirólisis rápida, ya que
esta última puede dar como resultado una conversión incompleta de carbono a formas más
recalcitrantes que conducen a BC´s más fácilmente mineralizables [33]. de acuerdo con
Faz y col. [161] los BC`s elaborados a partir de residuos de cultivos, estiércol de cerdo y
desechos sólidos municipales a temperaturas inferiores a 500 °C presentan menos
nutrientes disponibles (N, P y K) que a temperaturas mayores a los 500°C. Además,
Rehrah y col. [162] encontraron que el contenido de cenizas de los BC`s (papel, madera
dura y materiales mixtos) también aumenta con la temperatura de carbonización,
aumentando consecutivamente el contenido de carbono en BC, con 97% de carbono para
madera dura y 62% para materiales mixtos a 750 °C.
Los rendimientos totales de BC a base de estiércol de cerdo en un cultivo de raigrás se
relacionaron con el contenido de nutrientes (NPK) y con las características mejoradas del
suelo (químicas y biológicas). Esto muestra que los BC`s de baja temperatura o pirólisis
54 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
lenta (400°C) pueden utilizarse como fertilizantes NPK potenciales con un valor
significativo [109]. Cantrell y col. [51] observaron una respuesta similar en los BC`s de
estiércol, atribuyendo sus hallazgos a la posible presencia de compuestos heterocíclicos
recalcitrantes que contienen nitrógeno, estos compuestos probablemente se volatilizan a
mayores temperaturas de pirólisis. También se ha observado una pérdida en el contenido
total de fósforo con temperaturas de pirólisis crecientes. La variabilidad de los nutrientes
en los BC`s al aumentar la temperatura se debe a su volatilidad y al efecto de la
temperatura de pirólisis tanto en la composición como en la estructura química de los BC´s
[5]. Knicker [163] demostró que los compuestos que contienen fósforo pueden volatilizarse
cerca de 760 ºC, lo que explica la disminución del contenido total de fósforo cuando las
materias primas se pirolizan a temperaturas superiores a 800 ºC.
Al aumentar la temperatura de pirólisis, Al-Wabel y col. [31] encontraron que los nutrientes
minerales (N, P, K, Ca y Mg), la CE, el contenido de cenizas, pH, carbono fijo y grupos
funcionales básicos aumentaron en un BC de conocarpus; mientras que el rendimiento,
carbono lábil, el contenido total de H, O y S y los grupos funcionales ácidos disminuyeron.
Estos autores también encontraron que las concentraciones de H, O, N y S disminuían con
el aumento de la temperatura de pirólisis, lo que podría deberse a la pérdida de grupos
funcionales superficiales que contienen O e H a través de la deshidratación. Yuan y col.
[164] encontraron que un BC de lodo cloacal preparado a una temperatura alta (700 °C)
contenía menos N total y N soluble en agua pero más P y K y P soluble en agua. Además,
durante el proceso de pirólisis de BC´s, el calentamiento hace que algunos nutrientes se
volatilicen, especialmente en la superficie del material, mientras que otros nutrientes se
concentran en el BC restante [165].
Además, el aumento de los nutrientes en BC´s está directamente relacionado con el
aumento en el pH del suelo. Por lo general, BC´s de cáscara de arroz tienen un pH alto,
por lo tanto, el suelo tratado con estos BC´s también adquiere un pH alto y al mismo tiempo
cuenta con una alta CIC y alto contenido de fósforo y potasio. La disponibilidad de
nutrientes en el suelo antes del tratamiento es menor debido al bajo pH del suelo, la
aplicación de BC´s aumenta el pH del suelo y también aumenta la disponibilidad de
nutrientes para las plantas. Estos resultados son coherentes con el hecho de que los BC´s
aumentan los niveles de nutrientes, como el magnesio. Además, la aplicación de BC´s
disminuye la lixiviación de fósforo y provoca que el calcio se vuelva cada vez más
Capítulo 3 55
disponible, ya que la superficie cargada negativamente de los BC´s atrae a los iones con
carga positiva, como el calcio, y lo pone a disposición de las plantas. Sin embargo, el calcio
en todos los tratamientos del suelo todavía se considera un nutriente escaso [5].
3.2 Estudios de caracterización de BC
Con el objetivo de identificar los mecanismos moleculares subyacentes a la retención de
nutrientes aniónicos y catiónicos y evaluar el impacto de BC´s en la estabilidad a largo
plazo, es decir, su potencial de secuestro de carbono, es necesario llevar a cabo un mapeo
elemental utilizando análisis con técnicas tales como: FTIR, RMN, XPS y EAA para medir
calcio, magnesio y potasio, entre otros [166], las cuales resultan importantes para
identificar grupos funcionales característicos que son responsables de la adsorción de
iones y, SEM o TEM para identificar la morfología de los materiales [167].
Stella y col. [63] realizaron un análisis para identificar el tamaño de poro y los grupos
funcionales presentes en la superficie de tres BC´s, esto con el fin de establecer las
interacciones químicas entre el BC y el medio ambiente, las cuales están directamente
relacionadas con su química de superficie. Los BC´s de vaina de guisante (Pisum sativum),
hojas de col (Brassica oleracea) y desechos de cáscara de naranja (Citrus sinensis), se
carbonizaron a diferentes temperaturas, de 100 a 600 °C durante 1 h y se caracterizaron
por FTIR y SEM-EDX para determinar los grupos funcionales presentes en la superficie y
su morfología y composición respectivamente. De acuerdo con el análisis FTIR de vaina
de guisante se encontraron una banda a 3408 cm-1 correspondiente al grupo carboxílico
de estiramiento O-H; una a 1600 cm-1 asignada a enlaces C=C conjugados; otra banda a
alrededor de1417 cm-1 correspondiente a vibraciones C-H en el plano; una a 1060 cm-1
correspondiente estiramiento C-O típico de alcoholes secundarios.
El espectro FTIR del BC de hojas de col muestra seis bandas fuertes en la región de 3400-
600 cm-1. Las bandas alrededor de 3397 y 1582cm-1 corresponden al estiramiento del
enlace O-H y al estiramiento C=C en anillos aromáticos respectivamente. También pueden
observarse bandas que indican la presencia de enlaces C-H de grupos alquenos, C-H de
anillos fenilo de estiramientos C-O de alcoholes en torno a 1437, 1093, y entre 875-602
cm-1 respectivamente. Las bandas en el espectro FTIR de BC derivados de cáscara de
naranja muestran la presencia de grupos O-H a 3500-3353 cm-1; estiramientos C-H de los
56 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
grupos metilo, metileno y metoxi alrededor de 2920 cm-1, grupos amina N-H que se
presentan a 1592 cm-1, compuestos nitro elásticos a 1374 cm-1 y un banda a 780 cm-1
correlacionada con la flexión C-H aromática [63].
De acuerdo con los resultados obtenidos por FTIR los grupos funcionales de superficie de
las tres muestras de BC´s fueron grupos hidroxilo, metilo, carboxílico y alqueno. Dado que,
los aniones superficiales desempeñan un papel vital en la adsorción de nutrientes
disponibles en el suelo se calculó el número total de aniones encontrando la concentración
más alta para el BC de vaina de guisante (4.25 mmol H+ Eq/g C) seguido del de cáscara
de col (4.15 mmol H+ Eq/g C) y cáscara de naranja (4.05 mmol H+ Eq/g C) [63]. Este hecho
se atribuye a la presencia de heterociclos de nitrógeno y oxígeno que son responsables
del origen de los aniones de superficie negativos en BC. De otro lado, Lawrinenko y Laird
[168] estudiando BC´s de celulosa con una CIC superior de 4 a pH 8, encontraron que la
presencia de otros aniones como oxonio o piridinio también contribuyen a la capacidad de
intercambio aniónico en BC.
De acuerdo con Ahmad y col. [20] encontraron que a medida que la temperatura de
carbonización aumenta, la humedad, los contenidos de H, N y O y el rendimiento del BC
disminuye; así mismo, se favorece la eliminación de los grupos funcionales superficiales
con la consecuente disminución de la acidez y polaridad de la superficie y el aumento de
la aromaticidad. Estos hallazgos concuerdan con lo reportado por Mishra y col. [91] en el
que, a partir del análisis FTIR de BC de cáscara de arroz reveló la ausencia del grupo
hidroxilo; al mismo tiempo, el aumento del pH del suelo aumenta la disponibilidad de
nutrientes y con ello su CIC en las plantas mejorando su crecimiento.
Zhao y col. [26] estudiaron las propiedades morfológicas y texturales por SEM, FTIR y
titulación de Boehm de BC´s de ramas de manzano, pirolizados a 300, 400, 500 y 600 °C,
encontrando que el aumento de la temperatura incrementa el contenido de carbono fijo, el
contenido de carbono y minerales inorgánicos (K, P, Fe, Zn, Ca, Mg), mientras que el
rendimiento, el contenido de materia volátil, de O y de H, la CIC y las proporciones de O/C
e H/C disminuyeron. La comparación entre las diferentes muestras indica que el pH más
alto y el contenido de ceniza se observaron a 500 °C. El número de grupos funcionales
ácidos disminuyó en función de la temperatura de pirólisis, especialmente para los grupos
funcionales carboxílicos. En contraste, se encontró una tendencia inversa para los grupos
funcionales básicos. Estos resultados muestran la importancia de los BC´s con
Capítulo 3 57
características específicas en su química superficial para su aplicación en la adsorción y
desorción de sustancias, por ejemplo, nutrientes del suelo [20].
3.3 Cinética e isotermas de adsorción y desorción.
Yao y col. [12] usando BC de hojas de tomate, enriquecido con magnesio y pirolizado a
600°C, desarrollaron un estudio cinético para evaluar la adsorción de fósforo de una
solución acuosa a partir de experimentos por lotes en los que se encontró que la adsorción
de fósforo en el BC estaba controlada por una cinética relativamente lenta que permitió
obtener una capacidad máxima de adsorción de fósforo de 100 mg g-1. En este estudio, se
usaron los modelos de pseudo primer orden, pseudo segundo orden, el de tercer orden de
Ritchie y el modelo de Elovich que considera la contribución de la desorción, de acuerdo
con las siguientes ecuaciones:
𝑑𝑞𝑡
𝑑𝑡= 𝑘1(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 (Ec. 3.1)
𝑑𝑞𝑡
𝑑𝑡= 𝑘2(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡)2 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 (Ec. 3.2)
𝑑𝑞𝑡
𝑑𝑡= 𝑘𝑛(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡)𝑛 𝑇𝑒𝑟𝑐𝑒𝑟 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑅𝑖𝑐ℎ𝑖𝑒 (Ec. 3.3)
𝑑𝑞𝑡
𝑑𝑡= 𝛼 𝑒𝑥𝑝(−𝛽𝑞𝑡) 𝐸𝑙𝑜𝑣𝑖𝑐ℎ (Ec. 3.4)
donde qt (mg·g−1) y qe (mg·g−1) son la cantidad de fósforo adsorbida en el tiempo (t) y en
el equilibrio respectivamente, k1 (h−1), k2 (g·mg−1· h−1) y kn (gn−1·mg1−n · h−1) son las
constantes de velocidad de adsorción de primero, segundo y tercer orden, α (mg · g−1·h−1)
es la tasa de adsorción inicial y β (g·mg−1) es la constante de desorción. Estos modelos
describen la cinética del sistema basada en la adsorción mono-, bi-, y n-nuclear con
respecto a la capacidad adsorbente, donde el modelo de tercer orden (n = 1.74) se ajustó
mejor con un R2 de 1.00, sugiriendo que la adsorción de fósforo en el BC podría controlarse
mediante múltiples mecanismos con una capacidad de máxima adsorción mayor que 100
mg·g-1. Estos resultados son un indicativo del potencial del BC como adsorbente y a la vez
como fertilizante cuando la carga de fósforo excede el 10% [12].
En relación con los estudios de adsorción, se usaron las siguientes ecuaciones [169] [170]:
58 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
𝑞𝑒 =𝐾𝑄𝐶𝑒
1+𝐾𝐶𝑒 𝐿𝑎𝑛𝑔𝑚𝑢𝑖𝑟 (Ec. 3.5)
𝑞𝑒 = 𝐾𝑓𝐶𝑒𝑛 𝐹𝑟𝑒𝑢𝑛𝑑𝑙𝑖𝑐ℎ (Ec. 3.6)
𝑞𝑒 =𝐾𝑙𝑓𝑄𝐶𝑒
𝑛
1+𝐾𝑙𝑓𝑄𝐶𝑒𝑛 𝐿𝑎𝑛𝑔𝑚𝑢𝑖𝑟 − 𝐹𝑟𝑒𝑢𝑛𝑑𝑙𝑖𝑐ℎ (Ec. 3.7)
𝑞𝑒 =𝐾𝑟 𝐶𝑒
1+𝑎𝐶𝑒𝑛 𝑅𝑒𝑑𝑙𝑖𝑐ℎ − 𝑃𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛 (Ec. 3.8)
𝑞𝑒 =𝑅𝑇
𝑏ln(𝐴𝐶𝑒) 𝑇𝑒𝑚𝑘𝑖𝑛 (Ec. 3.9)
donde K (L · mg−1), Kf (mg(1−n)·Ln·g−1), Klf (Ln·mg−n) y Kr (L·g−1) son términos relacionados
con las energías de interacción, el coeficiente de afinidad de Freundlich, el parámetro de
afinidad de Langmuir-Freundlich y la constante Redlich-Peterson respectivamente. Q
(mg·g−1) es la máxima capacidad de adsorción de Langmuir; Ce (mg·L-1) es la
concentración del adsorbato en el equilibrio, n (adimensional) es la constante de linealidad
de Freundlich, a (Ln·mg−n) es la constante de isoterma de Redlich-Peterson, y b (J·g·mg−1)
y A (L·mg−1) son constantes isotérmicas de Temkin. Respecto al modelo de Langmuir, este
supone una adsorción de monocapa sobre una superficie homogénea sin interacciones
entre las moléculas adsorbidas, mientras que los otros modelos son ecuaciones empíricas
o semiempíricas, que a menudo se usan para describir procesos de adsorción
heterogéneos [12] [169] [170].
Yao y col. [12] estudiaron la adsorción de fósforo obteniendo los resultados que se
muestran en la Figura 3-1 donde se observa que todos los modelos usados reproducen los
datos de adsorción, excepto el de Freundlich. De acuerdo con los parámetros que se
muestran en la Tabla 3-2 se evidencia que los modelos que presentan mejores ajustes son
los de Langmuir − Freundlich y Redlich – Peterson, por lo que la interacción entre fósforo
y el BC podría verse afectada por el proceso de Langmuir y de Freundlich, confirmando los
resultados del estudio cinético en el que la adsorción de fósforo en el BC podría ser regida
por variados mecanismos.
Capítulo 3 59
Figura 3-1. Datos de cinética de adsorción (a) e isoterma (b) y modelado del fosfato en el
BC de ingeniería. Los símbolos son datos experimentales y las líneas son resultados de
modelos [12].
Tabla 3-2. Valores de parámetros de ajuste óptimo de simulaciones de modelos de cinética
de adsorción de P, isotermas y cinética de desorcióna [12].
Parámetro 1 Parámetro 2 Parámetro 3 R2
Cinéticas de Adsorción
Primer orden
k1 = 0.337 ± 0.084 (h−1) qe = 11.950 ± 0.800 (mg·g−1) 0.989
Segundo
orden
k2 = 0.032 ± 0.004 (g·mg−1·h−1) qe = 13.260 ± 0.33 (mg·g−1) 0.999
n_th
orden kn = 0.406 ± 0.038 (gn−1·mg1−n·h−1) qe = 12.820 ± 0.57 (mg·g−1) Ce = 11.740 ± 1.490
(mg·L−1) 1.000
Elovich β = 2.390 ± 0.439 (g·mg−1) α = 2.538 ± 0.851 (mg·g−1·h−1) 0.975
Isotermas de Adsorción Langmuir K = 0.090 ± 0.067 (L·mg−1) Q = 116.600 ± 26.590 (mg·g−1) 0.972
Freundlich Kf = 21.690 ± 23.400 (mg(1−n) Ln·g−1) n = 0.342 ± 0.263 0.850
Langmuir –
Freundlich
Klf = 0.023 ± 0.054 (Ln·mg−n) Q = 103.800 ± 17.36 (mg·g−1) n = 1.749 ± 1.219 0.991
Redlich - Peterson
Kr = 0.015 ± 0.028 (L·g−1) a = 7.082 ± 2.866 (Ln·mg−n) n = 1.298 ± 0.326 0.994
Temkin b = 129.700 ± 55.900 (J·g·mg−1) A = 2.008 ± 2.832 (L·mg−1) 0.912
Cinéticas de Desorción
Segundo
orden
kds = 0.126 ± 0.122 (L·mg−1·h−1) Ce = 11.740 ± 1.490 (mg·L−1) 0.916
aNivel de confianza = 95%
Yin y col. [171] evaluaron la adsorción de amonio y fosfato en BC´s pirolizados a 300, 500
y 700°C encontrando capacidades máximas de adsorción de amonio de 93.61, 16.95 y
23.07 mg/g, respectivamente, coincidiendo con Yao y col. [12] y Fang y col. [172] en que
60 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
el mejor modelo de aplicación es el de Langmuir-Freundlich. La interacción entre el BC y
el amonio se fortalece cuando la relación de 1/n es pequeña, en este estudio el valor de
1/n aumentó con la temperatura, por lo cual se deduce que el BC de baja temperatura
(300°C) mostró mejores características para la adsorción de amonio.
Para el caso de fosfato, un BC producido a 700°C muestra una fuerte adsorción
alcanzando el equilibrio en 12 h y ajustando al modelo de pseudo segundo orden y los de
Freundlich y Langmuir-Freundlich; dado que, la capacidad máxima de adsorción de fosfato
es de 116.58 mg/g, se considera que podría usarse como un fertilizante eficiente para
eliminar fosfato [12] [171]. Zeng y col. [173], encontraron que los datos de adsorción se
ajustaron a los modelos de isotermas de Freundlich y Langmuir para describir la adsorción
de amonio y fosfato en BC, aunque el modelo de Freundlich se ajusta a los datos
ligeramente mejor que el modelo Langmuir, con coeficientes de correlación que van desde
0.947 a 0.964. Aunque este resultado difiere de otros estudios, en los que muestran que
la adsorción de fosfato se ajusta mejor a la isoterma de Freundlich que al modelo de
Langmuir debido a la precipitación de fosfato [174].
Trazzi y col. [167] y Gao y col. [175] estudiaron la adsorción de fosfato en muestras de BC
cuando se analizan los modelos de isoterma de Langmuir y Freundlich. La isoterma de
Langmuir asume una adsorción uniforme, mientras que la isoterma de Freundlich sugiere
una superficie heterogénea con una distribución no uniforme de calor de adsorción sobre
la superficie. El modelo de Langmuir dio los valores más altos de R2, lo que muestra que
la adsorción podría describirse mejor con ese modelo. En Martínez y col. [134] demostraron
que la adsorción aumenta cuando la concentración de fósforo en la solución aumenta para
todos los tratamientos (diferentes porcentajes de suelo/BC). La comparación de isotermas
obtenidas en este estudio sugiere que la influencia del BC es mayor en los niveles más
altos de fósforo y en los altos porcentajes de BC agregado. Sin embargo, se encontró que
cuando la concentración de fósforo aumenta, la adsorción es más sensible a la adición de
BC. Los parámetros de isoterma de Langmuir indican que un suelo recolectado en el
“Centro Agrícola de Marengo” ubicado en la sabana de Bogotá (Cundinamarca, Colombia),
presenta una alta capacidad de fijación de fósforo y muestra que la adsorción de fósforo
disminuye cuando aumenta la proporción de BC, siendo este comportamiento análogo al
que se encuentra en otros tipos de BC´s aplicados a suelos ácidos [145] [176] [177].
Capítulo 3 61
3.4 Adsorción.
La adsorción es un proceso físico que se produce por interacciones débiles de largo
alcance (fuerzas de Van der Waals), lo que permite que partículas, moléculas, o iones
queden atrapados o retenidos sobre la superficie de un material. La sustancia que se
adsorbe se llama adsorbato y el material que se emplea para su adsorción es el adsorbente
o sustrato. Dependiendo de las fuerzas de interacción entre el adsorbato y el adsorbente,
se define el tipo de proceso de adsorción. En los procesos de remoción se busca evitar
que las moléculas se transformen o degraden, por ruptura o por intercambio de grupos
funcionales, evitando la generación de compuestos más reactivos y tóxicos que el
compuesto original [178].
La adsorción es el proceso que controla el transporte, la transformación química y los
procesos biológicos que se van a dar sobre los compuestos orgánicos. Mientras, la
desorción es el paso del adsorbato del estado adsorbido a la fase líquida o gaseosa. La
desorción puede ser total, en cuyo caso se habla de adsorción reversible, o parcial cuando
una parte del adsorbato se une de manera irreversible [179]. La irreversibilidad o histéresis
es un fenómeno importante, ya que determina en gran medida la biodisponibilidad de
compuestos en el suelo [180] causado por la formación de enlaces irreversibles,
eliminación de partículas sólidas durante la desorción, cambios del pH, degradación y/o
cristalización del compuesto.
La incorporación de BC en suelos como enmiendas orgánicas tiene efectos positivos en
las funciones del suelo ya que actúa como un fertilizante al guardar nutrientes y aumentar
las cantidades solubles y/o retenidas de nutrientes debido a las características de carga y
superficie de BC´s [181] [182] [183], lo que resulta en un aumento en el contenido y la
absorción de nutrientes por las plantas, mejorando así el rendimiento de cultivos y por lo
tanto las propiedades generales del suelo, la eficiencia en el uso de nutrientes, liberación
de nutrientes y/o retención, una nutrición equilibrada de las plantas y una mayor
disponibilidad de nutrientes para las plantas [184] [185]. En el suelo se ha demostrado que
el efecto del BC sobre la retención de nutrientes y la lixiviación varía dependiendo de la
carga del BC, de la temperatura de pirólisis, de la cantidad de aplicación, de la textura del
suelo, del pH del suelo, de las especies de nutrientes, de la hidrofobicidad y del
envejecimiento del BC [186] [187].
62 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
Un valor de CIC alto de BC´s en suelos permite que los BC´s retengan los cationes por
intercambio de cationes y una alta área superficial, porosidad interna y la presencia de
sitios de superficie polares y no polares en BC`s, que le permiten adsorber nutrientes [188].
Además, los BC`s pueden contener nutrientes esenciales en sí mismos [189] que podrían
conservarse [190] y luego a lo largo del tiempo, podrían ser liberados y posteriormente
utilizados por las plantas [188]; razón por la cual los BC`s se han ganado la denominación
de fertilizante de liberación lenta [137] [161] [191].
Se requiere un fertilizante de liberación lenta para liberar gradualmente nutrientes al suelo
a lo largo de la temporada de crecimiento y proporcionar la mayoría de los nutrientes a la
planta sin pérdidas por lixiviación [67]. Lehmann y col. [120] sugirieron dos enfoques
básicos para reducir la capacidad de lixiviación de nutrientes y aumentar sus tasas de
retención: 1) los BC`s pueden actuar como un agente de liberación lenta de nutrientes; y
2) los sitios de adsorción se mejoran como resultado de la aplicación de BC, que contribuye
a la retención de nutrientes. Ippolito y col. [192] sugirieron que el BC de pasto producido a
baja temperatura de pirólisis (250 °C) mejoró la calidad del suelo calcáreo al reducir la
lixiviación de nutrientes, mientras que el material carbonizado a altas temperaturas
aumentó la cantidad de nutrientes en los lixiviados.
Tras la aplicación de BC en el suelo, en general, las tasas más altas de adsorción de
nutrientes por los cultivos se deben a: a) el contenido de nutrientes nativos del BC, b)
mejoras en las propiedades físicas del suelo (es decir, densidad aparente, pH agua y
retención de nutrientes), c) desarrollo vigoroso de la raíz, d) promoción de la actividad y
función microbiana, e) estimulación del crecimiento de las plantas y promoción de
comunidades microbianas (rizobacterias), f) aumento de la mineralización de nutrientes del
suelo nativo y, g) reducciones en las pérdidas de nutrientes [23].
Morales y col. [166] y Yao y col. [193] plantean que los BC`s tienen el potencial de adsorber
nutrientes, debido a propiedades tales como el pH, los grupos ácidos superficiales y la CIC.
Sin embargo, es crucial comprender mecanismos subyacentes de la adsorción de
nutrientes que describen la capacidad de adsorción de compuestos polares y apolares
como la quimisorción, producida por la formación de enlaces (iónico o covalente), que
generan la modificación de la superficie del adsorbente, dando lugar a un nuevo
adsorbente; las interacciones entre adsorbente y adsorbato pueden ser interacciones
Capítulo 3 63
químicas y/o físicas entre las que intervienen las fuerzas de Van der Waals, el enlace de
hidrógeno, la transferencia de carga, el enlace iónico y las interacciones hidrofóbicas [194].
Las Interacciones hidrofóbicas determinan en gran medida el comportamiento de los
compuestos aromáticos sin grupos funcionales polares [195]. Los efectos hidrófóbicos
combinan fuerzas entrópicas, que expulsan los compuestos orgánicos hidrófobos de la
solución acuosa, con interacciones superficiales débiles resultantes de las fuerzas Van der
Waals, dando como resultado un reparto homogéneo en dominios hidrófobos, en fase
mineral tales como, dominios de superficie neutros [196] [197] macro, meso, micro y
nanoporos hidrófobos [198]. En contacto cercano con las regiones hidrófobas, los restos
aromáticos se estabilizan mediante interacciones de Van der Waals, dipolo-dipolo, dipolo
inducido y fuerzas dispersivas [196], siendo esta última la contribución dominante. Para
ambientes con alto contenido de carbono orgánico, la materia orgánica actúa como
adsorbente hidrófóbico y las estructuras aromáticas se disuelven o se reparten, en fase
orgánica [199].
Las interacciones donor-aceptor de electrones resultantes de estructuras de carbono
aromáticos condensados, se basan en las fuerzas de atracción entre entidades ricas en
electrones (donantes) y deficientes en electrones (aceptores). En este caso, los sistemas
π aromáticos ricos en electrones pueden actuar como donantes π, y los sistemas π
deficientes en electrones como receptores π [200]. Brennan y col. [201] han observado
que los grupos carboxílicos se clasifican como donantes de electrones y ácidos de
Bronsted fuertes. Los fenoles son aceptores de electrones y son de tipo Lewis, asociados
con regiones ricas en electrones π [201]. Los grupos funcionales básicos (quinina y fenol)
reaccionan con radicales libres, y esta reacción se puede usar para incluir moléculas
funcionales o polímeros en la superficie [201] (Figura 3-2).
Otro mecanismo, ocurre cuando el amonio reacciona con grupos funcionales ácidos para
formar amidas y aminas. En condiciones ambientales, el amoníaco puede actuar como un
ácido de Bronsted y/o de Lewis, lo que conduce a la formación de una sal de amonio o una
amida después de la reacción con un grupo carboxilo de superficie, lo que explica las
razones por las cuales se genera histéresis en la desorción del amoníaco, dado que las
sales de amonio podrían disociarse en agua [190]. Por otra parte, los iones amonio son
capaces de unirse a través de un intercambio electrostático con otras especies catiónicas
en la superficie del BC [149] [202].
64 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
En las superficies de BC´s que contienen heteroátomos con grupos funcionales químicos,
influyen interacciones de unión al hidrógeno, ion-dipolo y dipolo-dipolo. Mientras que, en
superficies de BC´s con alto contenido de carbono (hidrofóbicas) prevalece la capacidad
de intercambio aniónico, a partir de la cual se proporcionan sitios de adsorción para
compuestos no polares. Mukherjee y col. [202] sugieren que la capacidad de intercambio
aniónico puede existir en condiciones muy ácidas, por el contrario, Inyang y col. [203]
informaron que una capacidad de intercambio aniónico es estable en el rango de pH 4 - 8
para un BC producido a 500 °C. De acuerdo con Settanni y col. [204] los grupos
funcionales con oxígeno y nitrógeno son los responsables de la capacidad de intercambio
aniónico en los BC`s, representados por formas piridínicas y pirrólicas que dependen del
pH. Stella y col. [63] observaron heterociclos con oxígeno por 13C RMN en BC`s derivados
de maíz y paja de arroz caracterizados por tener sustancias neutras como éteres cíclicos
y grupos oxonio, potenciales para la capacidad de intercambio aniónico. En BC de rastrojo
de maíz se encontraron valores altos de capacidad de intercambio aniónico a causa de la
presencia de grupos funcionales piridínicos protonados. De igual forma, esta capacidad es
influenciada por la temperatura de pirólisis y la naturaleza química de la materia prima
utilizada (Figura 3-2) [168].
Los BC`s envejecidos tienen una capacidad de intercambio aniónico alta en comparación
con los BC´s frescos, debido a altas concentraciones de cargas negativas en sus
superficies que facilitan la adsorción de la materia orgánica, como en el caso de las arcillas;
esta alta capacidad puede promover la incorporación del suelo donde la materia orgánica
y los minerales se unen entre sí al BC. Bornemann y col. [205] indican que el BC fresco,
con baja oxidación de la superficie, es hidrófobo y adsorbe moléculas hidrófobas, como
contaminantes orgánicos. De acuerdo con Cheng y col. [206] tanto la capacidad de
intercambio aniónico como la CIC varían con el pH del suelo y con la edad y el clima al que
se exponen los BC`s.
Como se muestra en la Figura 3-2, en la superficie de los BC`s existe una gama de grupos
funcionales cuya composición puede “diseñarse” de acuerdo con el tipo de tratamiento, la
temperatura de pirólisis, entre otros, que contribuyen a la CIC y que por su carga negativa
se usan como bases de Lewis para la adsorción de cationes, estos son: piridina, fenólico,
carboxílico, lactona y amina, producidos por la oxidación o envejecimiento del BC [173],
[202]. Los grupos funcionales con alto contenido de oxígeno tienen alta CIC, en cambio los
Capítulo 3 65
BC`s con grupos funcionales con bajo contenido de oxígeno muestran propiedades
básicas y comportamiento de intercambio aniónico, característicos de BC`s recién
producidos [206].
Bagreev y col. [207] señalan que en BC`s con alto contenido de cenizas minerales, los
sitios ácidos se derivan de óxidos metálicos como sílice, hierro y aluminio, y las
propiedades básicas se atribuyen a la presencia de óxidos superficiales básicos. Lopez-
Ramon y col. [208] han observado que estos sitios básicos (especialmente quinina y
grupos fenólicos) reaccionan con radicales libres, por lo que generan la unión de moléculas
o polímeros funcionales en la superficie del BC. De acuerdo con esto, es posible concluir
que los BC´s propician el crecimiento de las plantas mediante la retención de cationes por
una mayor concentración de grupos funcionales de superficie (especialmente los grupos
carboxílicos, fenol, hidroxilo, carbonilo o quinona) relacionandose con una mayor CIC.
Figura 3-2. Diferentes tipos de interacciones entre nutrientes y grupos funcionales característicos de la superficie del BC a temperaturas de pirólisis menores y superiores a 450°C.
66 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
3.5 Adsorción y desorción de macronutrientes (NPK)
3.5.1 Nitrógeno
El nitrógeno es el nutriente vegetal más limitante en la mayoría de los ecosistemas
terrestres fríos o templados. En los suelos, la mayoría del nitrógeno existe en formas
orgánicas complejas que deben amonificarse (NH4+) y luego nitrificarse (NO3
-), por
mineralización (proceso mediante el cual el nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno
inorgánico), antes de que la mayoría de las plantas lo absorban. La amonificación es un
proceso biótico conducido principalmente por bacterias heterótrofas y una variedad de
hongos [209]. En su lugar, la nitrificación es un proceso más comúnmente mediado por
organismos autótrofos, incluyendo bacterias y arqueas, en suelos agrícolas, de pastizales
y forestales [210]. Stevenson y Cole [209] han demostrado que la adición de BC a los
suelos minerales superficiales puede influir directamente en las transformaciones de
nitrógeno, razón por la cual resulta importante revisar las influencias directas e indirectas
de BC´s en la amonificación, nitrificación, desnitrificación y fijación de nitrógeno, y
proporcionar mecanismos potenciales que impulsan dichas relaciones. Berglund y col.
[211] encontraron que los BC`s aumentan las tasas de nitrificación neta en los suelos de
bosques templados y boreales que de otro modo no muestran una nitrificación neta. En
suelos con condiciones menos ácidas las bacterias nitrificantes son favorecidas por la
adición de BC debido a que una aumento del pH del suelo influye satisfactoriamente en la
nitrificación [209]. Por su parte, el tipo de biomasa utilizada influye potencialmente en la
amonificación y nitrificación [212]. Prayogo y col. [213] encontraron que las tasas de
mineralización de nitrógeno en el suelo aumentaron con la adición de un BC de astillas de
sauce debido a que las fracciones de carbono lábil de BC mejoran la actividad microbiana
y aumentan las tasas de mineralización neta de nitrógeno en el suelo [188].
Las mayores tasas de transformación de nitrógeno inorgánico resultantes de la aplicación
de BC´s se explican por a) un aumento de la nitrificación debido a la mayor abundancia de
bacterias oxidantes de amoniaco, b) mineralización de nitrógeno orgánico en el suelo [214]
y c) el aumento de la desnitrificación debido a la abundancia de bacterias desnitrificantes
[215]. De acuerdo con Lehman y col. [216] la mayor relación C/N de BC´s y las mayores
tasas de descomposición en los suelos modificados con BC`s frescos conducen a niveles
más altos de nitrógeno inorgánico que se inmoviliza en la solución del suelo debido a la
Capítulo 3 67
estructura aromática estable del BC [217]. Mientras que, Cheng y col. [218] encontraron
que la adición de BC no afectó las transformaciones de N inorgánico en diferentes suelos
Yao y col. [193] afirman que la capacidad de los BC´s de transformar el nitrógeno
inorgánico se debe a la adsorción de nitrógeno mineral (NO3- y NH4
+), cuya velocidad
depende de la naturaleza de la materia prima y las condiciones de la pirólisis.
Por su parte, la desnitrificación es un proceso de asimilación biótica en el que el nitrato se
reduce a nitrógeno gaseoso en ausencia de oxígeno. Varios intermedios (incluidos NO y
N2O) se forman durante este proceso reductor y se liberan potencialmente a la atmósfera
del suelo cuando las condiciones no son favorables para la reducción completa de nitrato
a nitrógeno. La influencia de los BC´s en la desnitrificación muestra que los BC`s tienen el
potencial de catalizar la reducción de N2O a N2, lo que reduce potencialmente la emisión
de este importante gas de efecto invernadero a la atmósfera. Un aumento en la nitrificación
neta en suelos de bosques ácidos cuando se agregan BC`s potencializa la desnitrificación
en condiciones anaeróbicas donde la disponibilidad de encontrar carbono es alta [212].
La temperatura de formación de BC también afecta los procesos de amonificación y
nitrificación. Los BC`s producidos a bajas temperaturas poseen más grupos funcionales
carboxílico e hidroxilo, que actúan como sitios de unión de nutrientes [120]. Zhang y col.
[219] evaluaron la incorporación de BC a 400 y 600 °C, concluyendo que a estas
temperaturas se llevó a cabo la adsorción de amonio en el suelo, lo que condujo a
marcadas reducciones de nitrógeno inorgánico del suelo. Gundale y DeLuca [212]
evaluaron el efecto de la temperatura en la formación de BC a partir de varios sustratos
leñosos de abeto Douglas, en donde el BC de alta temperatura (800 °C) demostró valores
altos de pH, CE y nitrato extraíble en relación con el BC de baja temperatura (350 °C). En
contraste, la densidad, el amonio y los fenoles solubles y totales fueron menores en los
BC`s de alta temperatura en relación con los BC`s de baja temperatura [212]. Esto se debe
a que el nitrógeno orgánico, probablemente presente como grupo funcional amina en la
biomasa a baja temperatura, se transformó gradualmente en compuestos similares a
piridina aumentando el pH de la superficie a mayores temperaturas (> 600 °C) por
reacciones de deshidroxilación [207].
En general, la aplicación de BC también afecta la dinámica del nitrógeno en el suelo, lo
que lleva a un aumento en la retención de nitrógeno inorgánico como resultado de la alta
capacidad de adsorción del BC, una reducción en la volatilización de amoniaco, emisiones
68 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
de óxido nitroso, aumento de la nitrificación, disminución de la desnitrificación y una mejora
en la inmovilización biológica de nitrógeno debido a la actividad microbiana y a compuestos
orgánicos lábiles del BC; todos los cuales actúan sinérgicamente para mitigar las pérdidas
de nitrógeno del suelo y reducir potencialmente el riesgo de contaminación del aire y del
agua [191], mejorando así la asimilación de las plantas y la eficiencia del uso de nitrógeno
[220]. Sin embargo, algunos estudios de campo encontraron que la adición de BC no alteró
la dinámica del nitrógeno en el suelo [221] o incluso condujo a la inmovilización de N o
pérdida negativa, lo que redujo la disponibilidad de N en las raíces [220] [222]. Por lo tanto,
las influencias de la adición de BC deben ser intensamente investigadas en suelos de
diferentes regiones [85], puesto que las respuestas de las plantas a la adición de BC varían
considerablemente debido a cambios en la nutrición del suelo, la capacidad de retención
de agua y la actividad microbiana y el tipo de suelo. Los incrementos positivos del
rendimiento generalmente se asociaron con BC de madera dura y BC`s que poseen
nutrientes vegetales, como BC elaborado a partir de desechos de aves de corral [191].
Amonio
El nitrógeno se libera en grandes cantidades en forma de amonio (NH4+), este se genera
por procesos microbianos y tasas altas de nutrientes que convierten el nitrógeno en formas
orgánicas que se encuentran principalmente en las proteínas y ácidos nucleicos en formas
minerales (amonio, nitrato y nitrito) que por acción de los microorganismos nitrificantes y
desnitrificantes pasan a emisiones gaseosas que incluyen gas amoníaco volátil (NH3), gas
nitrógeno (N2), óxido nitroso (N2O) y otros gases de nitrógeno reactivos (aminas e indoles).
Por su parte, el amonio constituye una proporción muy alta de nitrógeno soluble en los
desechos animales y puede adsorberse en sitios con carga negativa o entre capas
intermedias de arcilla en los suelos [223]. Cuando se liberan, las bacterias nitrificantes lo
convierten en nitrito y posteriormente en nitrato en condiciones aeróbicas que
eventualmente se lixivian al agua subterránea [2].
La retención de amonio por BC`s puede explicarse por la adsorción electrostática a grupos
funcionales de superficie con contenido de oxígeno que generan una carga negativa al
BC [122] [149] [224]. Los sitios cargados negativamente en la superficie de BC pueden
permitir la unión electrostática de cationes como NH4+ a través de grupos funcionales
ácidos (carboxilo e hidroxilo) en su superficie por intercambio catiónico [225] [226] [227].
Varios autores [214] [33] [149] sugirieron que la adsorción de amonio en BC se debe a su
Capítulo 3 69
CIC elevada, que puede ser limitada y depende de la biomasa y las condiciones de
producción [228]; además, los BC´s recién producidos típicamente tienen una capacidad
muy baja para adsorber amonio [193], con el tiempo las superficies del BC se oxidan y la
retención de cationes aumenta [206]. Los dominios típicamente pequeños de anillos
aromáticos fusionados de muchos BC´s están densamente conformados con grupos
funcionales oxidados cuando se exponen al suelo durante largos periodos de tiempo [229].
En términos de adsorción de nutrientes, cada vez es más evidente que los grupos de
superficie pueden jugar un papel más importante que el AS y la porosidad en BC [230]
[231]. Liang y col. [232] notaron que las altas proporciones de O/C pueden ser
responsables de la adsorción de nutrientes, encontrando que las proporciones de potasio
a carbono eran al menos 0.18 más altas en las superficies del BC.
Wang y col [226] encontraron que la adsorción de amonio no aumentó con una mayor
oxidación del BC, esto puede explicarse debido a la competencia con otros cationes en los
sitios de intercambio. Esto concuerda con una observación común de que los cationes
aluminio, hierro y otros metales dominan los sitios de intercambio a valores de pH muy
bajos [233]. Incluso los BC`s basados en madera relativamente ricos en carbono, poseen
cantidades apreciables de cenizas que contienen metales [64]. La ceniza de madera
comúnmente contiene altas concentraciones de óxidos metálicos, incluidos CaO, MgO,
Fe2O3, TiO2 y CrO. La exposición de BC´s a las cenizas solubilizadas puede resultar en la
retención de estos óxidos potencialmente catalíticos en las superficies activas del BC.
Estas superficies de óxido pueden adsorber eficazmente amonio o amoniaco y
potencialmente catalizar la fotooxidación de amonio [234].
Yao y col. [193] encontraron que 9 de los 13 BC`s probados en su experimento de
adsorción podrían remover NH4+ de la solución (0.1 g de BC en 50 mL de 10 mg NH4
+ L-1),
con tasas de remoción que van desde 1.8% a 15.7%, variando ampliamente con la materia
prima y la temperatura de pirólisis. Ding y col. [235] encontraron que un BC de bambú
(pirólizado a 600 °C y agregado al 0.5% en peso a 0-10 cm de profundidad) afectó las
concentraciones de amonio en la solución del suelo a 20 cm de profundidad cuando se
agregó a una velocidad de 400 kg N ha-1 a un suelo limoso arenoso, pero no se observaron
diferencias a 40 cm de profundidad después de 70 días. Además, Dempster y col. [236]
observaron que cuando se agregaba un BC con CIC de ~10 cmolc kg-1 a un suelo arenoso
(CIC de ~2 cmolc kg-1) se redujo la lixiviación de NH4+ días siguientes a la fertilización. En
cuanto a la desorción, Clough y col. [191] encontraron que el amonio adsorbido por grupos
70 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
funcionales orgánicos cargados negativamente en superficies de BC puede ser totalmente
desorbible por cloruro de potasio. Sin embargo, los resultados de la desorción del BC de
maní mostraron baja capacidad de adsorción con KCl [226].
Hale y col. [149] reportaron bajos coeficientes de partición (Kd). El Kd describe la
distribución de amonio entre la fase sólida y la solución en equilibrio. Es la pendiente de la
curva de adsorción o desorción en una concentración de solución de suelo única [237]. Los
Kd de alrededor de 100 L kg-1 para amonio para dos tipos de BC, uno producido en un
horno de carbón tradicional y el otro en una sola cámara de combustión. Yao y col. [193]
corroboran esto, ya que informaron una adsorción débil de amonio en la mayoría de los
BC´s (se adsorbió entre el 1.8 y el 15.7% del NH4+ agregado).
Nitrato
El nitrato es un compuesto muy soluble, es la forma dominante de nitrógeno residual en el
suelo. La actividad microbiana mejorada del suelo vegetal inducida por la adición de BC
puede ser una de las razones para la acumulación reducida de nitratos en el suelo, debido
a una elevada inmovilización microbiana de nitrógeno [25] [238]. Los suelos generalmente
no tienen la capacidad de adsorber nitrato porque el suelo no presenta capacidad de
intercambio aniónico en su pH natural. Sin embargo, un estudio de Gai y col. [21] encontró
que los BC´s a base de cáscara de arroz tenían una alta capacidad para adsorber nitrato.
Una mejora en la retención de nitratos inducida por la adición de BC se puede explicar por
la existencia de grupos funcionales básicos en la superficie del BC o quimisorción a través
del enlace hidrógeno [239] [220]. Lawrinenko y Laird [168] informaron que la capacidad de
intercambio aniónico del BC aumenta con la producción de grupos oxonio funcionales
independientes del pH. Por su parte, Xiao y col. [85] observaron que la adición de BC
redujo el grado de lixiviación de nitrato en el perfil del suelo.
La adsorción de N-NO3- (nitrógeno nítrico) por BC hasta 0.6 mg g-1 se produce a
temperaturas >660°C con cantidades adsorbidas dependientes de la materia prima y la
concentración de nitrato. Yao y col. [193] señalan que la capacidad de los BC´s de mayor
temperatura para eliminar N-NO3- es consistente con los hallazgos de Mizuta y col. [240]
que encontraron que el BC de bambú fabricado a 900 °C presentaba una alta capacidad
de adsorción de N-NO3-. Kameyama y col. [241] realizaron un estudio con BC de bagazo
Capítulo 3 71
de caña de azúcar pirolizado a temperaturas de 400-800°C, encontrando que el BC a ≥700
°C realizó una adsorción importante de N-NO3-. A altas temperaturas de pirólisis, los BC`s
presentaban un pH alto (8,7-9,8), por lo cual la adsorción de N-NO3- se origina gracias a la
presencia de grupos funcionales básicos. Del mismo modo, Dempster y col. [236]
mostraron que un BC a base de eucalipto, sintetizado a una temperatura de 600°C puede
adsorber nitrato cuando se coloca en una solución de nitrato de amonio (10 g:100 mL),
presentando una adsorción de hasta 80% después de 24 h.Con base a lo anterior, la
adsorción de nitrato debe ocurrir a una temperatura de al menos 600 °C.
Yao y col. [193] probaron la importancia del mecanismo de retención de nitrato, con
respecto a su lixiviación, utilizando dos BC`s (de casco de maní y de madera de pino
brasileño elaborados a 600 °C) con buenas propiedades de retención de nitrato. Estos se
incorporaron (2% en peso) en un suelo arenoso, en columnas, y se aplicó una solución
(34.4, 10.0 y 30.8 mg L-1 de NO3-, NH4
+ y PO43-, respectivamente). Después de enjuagar
las columnas con 4 volúmenes de agua durante 4 días, se descubrió que los materiales de
BC redujeron el nitrato, lo que supone una lixiviación del 34%. En Dempster y col. [236] el
BC de eucaliptus se colocó en macetas lisimétricas (25 t ha-1) sosteniendo un suelo
arenoso, fertilizado ((NH4)2SO4; 40 kg N ha-1) y se regó durante 21 días, el nitrato lixiviado
fue reducido en un 25% en comparación con un tratamiento de control. Por lo tanto, los
BC´s que adsorben nitrato pueden reducir la lixiviación del mismo. Las diferencias en la
magnitud de la lixiviación de nitrato es reducida entre los estudios de laboratorio y de
columna posiblemente por el hecho de que los estudios de columna contienen suelo, con
tasas de BC y concentraciones de nitrato que difieren de los estudios de laboratorio, y
tienen el potencial para otras vías de pérdida tales como inmovilización y desnitrificación
de NO3- [191].
Kameyama y col. [241] estudiaron la permanencia del nitrato adsorbido, midiendo el nitrato
en columnas de suelo modificado con el mismo BC de bagazo (0%, 5% o 10% en peso).
Descubrieron que cuando se aplica una solución de 20 mg N L-1 de nitrato de potasio a las
columnas del suelo, la concentración máxima de nitrato en el efluente es de ~ 5% menor
que en un suelo no enmendado. De este estudio se concluye que el nitrato que se adsorbió
débilmente por el BC, podría ser desorbido por infiltración de agua, y que el resultado neto
podría ser un mayor tiempo de residencia para el NO3- en el suelo, permitiendo una mayor
oportunidad para que la planta lo absorba. Por lo tanto, el papel de un BC en reducir la
lixiviación de nitrato depende de su capacidad de adsorción, la CIC y la capacidad de
72 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
intercambio aniónico dependientes de la oxidación del BC en el suelo, la tasa de BC
aplicada, la carga de nitrógeno del ecosistema dado, las características hidráulicas del
suelo resultantes, eventos de precipitación/irrigación, tipo de suelo y demanda de nitrógeno
por plantas y microbios.
A temperaturas de pirólisis bajas Ippolito y col. [242] descubrieron que menos nitrato se
lixivió. Esto se explica por la presencia de compuestos de carbono fácilmente degradables
a la temperatura más baja y una mayor inmovilización de nitrógeno. Un extracto de KCl 2M
de la matriz incubada de BC-suelo también apoyó este razonamiento con menos nitrato
presente en suelos tratados con un BC tratado a baja temperatura. En un estudio de campo
de Xiao y col. [85] en el primer y tercer año se demostró que la adición de BC de paja de
maíz no tuvo influencia en la concentración de nitrato en una capa de suelo mixto en
cosecha. En el segundo año, los tratamientos con BC a tasas de 10 y 20 t ha-1 aumentaron
las concentraciones de nitrato en las capas de suelo de 10-20 y 0-20 cm, respectivamente,
atribuidas a la mejora en la retención de nitrato o la promoción de la mineralización del
suelo.
Sin embargo, se han informado resultados confusos con respecto al efecto de la aplicación
de BC en la lixiviación de nitrógeno. Por ejemplo, Laird y col. [188] observaron una
reducción de la lixiviación total de nitrógeno en un 11% en suelos agrícolas típicos del
medio oeste de Estados Unidos después de la adición de BC a la capa superficial del suelo,
concluyendo que el BC se puede utilizar como una enmienda efectiva del suelo para
reducir las pérdidas de nitrógeno. Ding y col. [137] notaron una reducción de la lixiviación
de amonio a una profundidad del suelo de 0.2 m en un 15%.
Xiao y col. [85] mostraron que la adición de BC disminuyó la concentración de amonio del
suelo solo en la capa superficial de 20 cm, presumiblemente debido a que el BC estimuló
la volatilización de amoniaco o promovió la nitrificación, convirtiendo el amonio en nitrato
o ambos. Zhao y col. [243] en un estudio de campo de varios años, encontraron que el BC
estimuló el proceso de nitrificación, atribuido al mayor aumento del pH del suelo causado
por la adición de BC; sin embargo, no se encontró evidencia de que la adición de BC haya
incrementado significativamente la concentración de nitrato- en la cosecha en el año 2012.
En los años 2013 y 2014 no hubo efectos en la cosecha con la adición de BC. Además, se
observó poca diferencia en las capas de suelo más profundas (20-200 cm). Este hallazgo
puede estar relacionado con el hecho de que el amonio solo aumentó rápidamente en la
Capítulo 3 73
capa superficial del suelo después de la fertilización y luego disminuyó a su nivel original
debido a la nitrificación, lo que resultó en lixiviación mínima de amonio en el perfil del suelo
[244]. Estos resultados contradictorios son posibles debido a las diferencias en las
propiedades entre los BC´s, lo que plantea una necesidad urgente de revelar la relación
entre las características del BC y sus efectos sobre la adsorción de amonio y nitrito.
Además, la materia prima y la temperatura durante la pirólisis pueden influir en la estructura
molecular y la distribución del tamaño de los poros del BC, y por lo tanto afectar las
características de adsorción del mismo.
3.5.2 Fósforo
El fósforo (P) es uno de los principales nutrientes que limita el crecimiento de los cultivos.
La aplicación de fertilizantes fosfatados en los suelos ácidos deriva en la formación de
compuestos secundarios insolubles, que disminuyen la eficiencia del fertilizante. La adición
de BC, puede ser una solución al problema de disponibilidad de nutrientes, especialmente
de fósforo [150]. Similar al ciclo del nitrógeno, el recambio microbiano y la descomposición
regulan la mineralización de fósforo y por lo tanto, influyen en la cantidad de fósforo
disponible para la absorción de la planta. Sin embargo, a diferencia del ciclo del nitrógeno,
la disponibilidad de fósforo también se ve afectada por una serie de reacciones abióticas
dependientes del pH que influyen en la proporción de grupos de fósforo soluble a insoluble
en el suelo [16].
Los BC´s son fuente directa de sales de fósforo soluble e intercambiable, mediante
diferentes mecanismos: a) los BC´s modifican el pH del suelo y a su vez facilitan la
presencia de metales formadores de complejos de fósforo (Al3+, Fe3, Fe2+, Ca2+); b) los
BC´s promueven la actividad microbiana y la mineralización de fósforo; c) la presencia de
sales de fósforo solubles y la disponibilidad de fósforo intercambiable se asocian con la
liberación de sales de fósforo de los BC´s durante la carbonización; d) hay una interferencia
de los BC`s en la adsorción de fósforo mediante óxidos de Al y Fe; y e) los BC`s generan
cambios inducidos en la capacidad de intercambio iónico del suelo [70]
La concentración de fósforo en los tejidos de las plantas es pequeña en relación con la
gran concentración de carbono, una porción significativa de fósforo se incorpora dentro de
las moléculas orgánicas a través de enlaces éster o pirofosfato (P-O-P) [209]. La
combustión o carbonización de materiales orgánicos puede mejorar considerablemente la
74 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
disponibilidad de fósforo en el tejido de las plantas al dividir los enlaces fósforo orgánicos,
lo que da como resultado un residuo de sales de fósforo solubles asociadas con el material
carbonizado. Gundale y DeLuca [212] demostraron esto como un aumento de fosfato
extraíble a partir de BC`s elaborados a partir de residuos forestales. También, se ha
observado un aumento de fósforo extraíble en suelos enmendados con una variedad de
materiales carbonizados para suelos tropicales [189]. Además de liberar directamente
fósforo soluble, el BC puede tener una alta capacidad de intercambio iónico [232] y puede
alterar la disponibilidad de fósforo al proporcionar capacidad de intercambio aniónico o
influir en la actividad de los cationes que interactúan con fósforo. Es posible que sitios de
intercambio positivo compitan con los óxidos de Al y Fe (por ejemplo, Gibbsita Al(OH)3 y
goethita (forma mineral del oxihidróxido de hierro (III), cuya fórmula es α-Fe³⁺O)) para la
adsorción de fósforo soluble, puesto que al reducir la presencia de Al3+ y Fe3+ libres cerca
de la superficie de las raíces de las plantas, el BC puede promover la formación y el
reciclaje de fracciones de fósforo lábiles [245].
Una parte importante del ciclo del fósforo consiste en una serie de reacciones de
precipitación que influyen en la solubilidad y cantidad de fósforo disponible para la
adsorción. El grado en que se producen estas reacciones de precipitación está fuertemente
influenciado por el pH del suelo debido a que los iones responsables tales como Al3+, Fe2+,
Fe+3 y Ca2+ presentan formas poco solubles que pueden co-existir con la química
superficial inherente al BC como se observa en la Figura 3-2 [209]. En suelos alcalinos, la
solubilidad de fósforo está regulada principalmente por su interacción con el calcio, donde
se desarrolla una vía mineral de apatita (Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)) en cascada. En suelos
ácidos, la disponibilidad de fósforo está regulada principalmente por su interacción con los
iones Al3+ y Fe2+, Fe3+, donde se forman fosfatos de Al y Fe altamente insolubles. Los BC`s
pueden influir en la precipitación de P en estos grupos insolubles al alterar el pH y por lo
tanto, la fuerza de las interacciones iónicas de P con Al3+, Fe2+, Fe+3 y Ca2+ [189] [246] o
por clasificación orgánica de moléculas que actúan como quelatos de iones metálicos
[224].
Un aumento en el pH asociado con la adición de BC a los suelos ácidos se debe a una
mayor concentración de óxidos de metales alcalinos (Ca2+, Mg2+ y K+) en los BC´s y una
concentración reducida de Al3+ [132]. Agregar estos metales alcalinos, tanto como sales
solubles como asociados con los sitios de intercambio en BC, es probablemente el efecto
Capítulo 3 75
más significativo de los BC´s en la solubilidad del fósforo, particularmente en suelos ácidos.
Además de su efecto sobre el pH del suelo, los BC´s también pueden influir en la
biodisponibilidad de fósforo a través de varios otros mecanismos asociados con la
precipitación de fósforo, como la adsorción superficial inducida por BC de moléculas
orgánicas quelantes. Los BC´s cuentan con una superficie excepcionalmente buena para
adsorber moléculas orgánicas polares o no polares en un amplio rango de masa molecular
[205]. Las moléculas orgánicas involucradas en la quelación de iones Al3+, Fe3+ y Ca2+
serán potencialmente adsorbidas en superficies hidrófobas de BC´s. Los ejemplos de tales
quelatos incluyen ácidos orgánicos simples, ácidos fenólicos, aminoácidos y proteínas o
carbohidratos complejos [209].
De acuerdo con Uchimiya y col. [247], después del proceso de pirólisis, los contenidos
totales de carbono y nitrógeno del BC de estiércol disminuyen, mientras que a menudo se
observa un aumento progresivo del contenido de fósforo total. Con respecto a las especies
de fósforo, la mayoría del fósforo en el estiércol crudo se presenta como ortofosfato,
pirofosfato y monoésteres, pero la pirólisis los convierte en especies de fósforo inorgánicas
que variarán con respecto a su solubilidad y disponibilidad para las plantas [248]. En
particular, los compuestos de Ca/Mg y su contenido relativo determinan la lentitud con que
se libera fósforo del BC de estiércol [249].
Estudios como los de Marchetti y Castelli [250] y Gunes y col. [251] han demostrado que
el BC de estiércol puede aportar más fósforo disponible para las plantas que los
fertilizantes inorgánicos de fósforo. El tratamiento térmico del estiércol aumenta el pH, los
grupos funcionales orgánicos y transforma fósforo lábil en minerales de fosfato en BC`s
[252]. El aumento del contenido mineral también influye en la electroquímica de la
superficie y en las propiedades de intercambio iónico del BC [253]. A medida que aumenta
el pH, los compuestos de fósforo fácilmente solubles en BC pueden disminuir
gradualmente [156]. Además, un valor de pH excesivamente alto será desfavorable para
el crecimiento del cultivo.
Un estudio de extracción de fósforo a partir de BC de estiércol de cerdo muestra una
extracción relativamente alta en soluciones de oxalato de amonio (89.5 a 97.7%) y NaOH-
EDTA (40.1 a 77.7%), inferior al 10% en agua desionizada y soluciones de Mehlich-3.
Excepto por el oxalato de amonio, las eficiencias de extracción en las otras tres soluciones
disminuyeron con el aumento de la temperatura de pirólisis, en particular para el BC
76 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
fabricado a 700°C que solo asciende a 0.7 y 0.9% en agua desionizada y soluciones de
Mehlich-3. El fósforo se liberó con mayor rapidez en el BC de menor temperatura (400°C)
especialmente durante las primeras 40 h el nivel de liberación de fósforo del estiércol
aumentó de 0.3 a 2.2 g kg− 1. Sin embargo, la liberación de fósforo de BC a 700°C aumentó
con el tiempo transcurrido, mientras que sus niveles de liberación fueron extremadamente
bajos y solo en un rango limitado de 0.004 y 0.0158 g kg -1. Mientras que para el BC a
400°C, la liberación de fósforo mantuvo un nivel relativamente alto de 03.3 g kg-1 durante
un período de observación de 300 h. Esto se debe a que con el aumento de la temperatura
de pirólisis a más de 400 °C, los compuestos de carbono en las muestras de BC se
carbonizaron considerablemente, y algunos grupos funcionales importantes, tales como O-
H fenólico, C-H alifático y C–O aromático, se transformaron en carbonatos y/o se
gasificación a CO2. Los carbonatos fueron los principales componentes alcalinos en el BC
y se generaron más a temperaturas de pirólisis más altas, lo que conllevó a un aumento
de pH no favorable para los cultivos [249].
Xu y col. [224] evaluaron los efectos de cuatro tasas de aplicación de BC (0, 1%, 5% y
10%, p / p) sobre la adsorción y desorción de fósforo en tres tipos de suelo con diferentes
niveles de acidez. Los resultados mostraron que a medida que aumentaba la tasa de
aplicación de BC, la adsorción de fósforo aumentaba en el suelo ácido, pero disminuía
ligeramente en el suelo alcalino. La desorción de fósforo aumentó significativamente en
todos los niveles de aplicación de BC en los suelos estudiados. Sin embargo, el aumento
en la adsorción de fósforo con la adición del BC se atribuye al calcio, inducida por la
precipitación de fósforo y es menos afectada por los óxidos de hierro y aluminio.
El mecanismo sugerido para las interacciones entre los aniones fosfato y la superficie del
BC es la formación de puentes de hidrógeno con elementos funcionales de la superficie
del BC: grupos hidroxilo, carboxilo, carbonilo e incluso compuestos fenólicos [254] sin
embargo, la capacidad del BC para retener los fosfatos es mucho menor que la del suelo
porque el BC se obtuvo a altas temperaturas, altas velocidades de calentamiento y largos
períodos de contacto [167].
También, se observa la adsorción de fósforo por BC`s que tienen una significativa cantidad
de sales minerales, específicamente aquellas que tienen magnesio [255]. A su vez, la
adsorción de fósforo en BC estuvo influenciada por la concentración de fosfato en solución,
por la temperatura de carbonización y por el tiempo de residencia. Cuanto mayor sea la
Capítulo 3 77
temperatura de carbonización y cuanto mayor sea el tiempo de residencia, mayor será la
capacidad de adsorción. Sin embargo, la diferencia en las cantidades de fosfato adsorbido
es menor para temperaturas más altas, puesto que la reactividad de los sitios de superficie
y la velocidad de difusión intrapartícula de iones de adsorción en los poros del adsorbente
aumentan [256]. La mayoría de las investigaciones confirman que la adsorción de fosfato
aumenta con la temperatura [175] [257] [258]. La capacidad de adsorción de fosfato por el
BC aumentó con la temperatura de pirólisis, posiblemente debido a las reacciones de
precipitación de iones metálicos entre el fosfato y el carbón de calcio y el magnesio [2]. Se
obtuvieron resultados opuestos para la adsorción de fosfato en dolomita mineral y en
residuos de trigo modificado [259], lo que sugiere una tendencia a que los iones fosfato se
escapen de la fase sólida a la fase en masa a medida que aumenta la temperatura de la
solución.
Trazzi y col. [167] encontraron que la máxima adsorción de fosfato se logró cuando la
concentración de fosfato en la solución fue la más alta. La adsorción de fosfato en las
muestras de BC se analizó utilizando los modelos de isoterma de Langmuir y Freundlich.
La isoterma de Langmuir asume una adsorción uniforme en todos los sitios de unión,
mientras que la isoterma de Freundlich sugiere una superficie heterogénea con una
distribución no uniforme de calor de adsorción sobre la superficie [260]. Para este estudio
el modelo de Langmuir dió los valores más altos de R2, lo que muestra que la adsorción
de BC a base de Miscanthus y caña de azúcar podría describirse mejor con ese modelo.
Resultados similares fueron encontrados por Gao y col. [175] y por Kilpimaa y col. [261]
para otros BC. De este estudio se concluye que los BC´s formados a 500ºC durante 60
min se comportaron mejor en relación con la adsorción de fosfato en términos de energía
gastada; además, el proceso de adsorción se caracterizó como endotérmico no
espontáneo y la adsorción aumentó con la temperatura [167].
En un estudio de incubación realizado por Morales y col. [166] se ejecutaron ensayos para
determinar el efecto de un suelo enmendado con cinco niveles de BC (0.5, 10, 20 y 35%
p/p) sobre los fenómenos de adsorción y desorción de fósforo. También se evaluó el efecto
del tiempo de contacto de las mezclas suelo/BC sobre la disponibilidad de fósforo. Se
encontró que la adsorción es menor en suelos que contienen BC frente al suelo sin
tratamientos. La cantidad desorbida acumulada, después de ocho extracciones
consecutivas fue 85% superior cuando se agregó BC en 35% p/p. Además, la aplicación
de BC aumentó la concentración de fósforo soluble hasta 38% después de 30 días de
78 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
incubación cuando se añadió 35% p/p. Por lo cual se deduce que los BC´s inducen
cambios en las propiedades de retención de fósforo del suelo que pueden ser benéf icas
para los suelos agrícolas. Por otra parte, Morales y col. [166] demostraron que
dependiendo de la temperatura de pirólisis y el tipo de biomasa se aumenta la capacidad
de adsorción de fósforo y el coeficiente de partición de adsorción. La Kd describe la
distribución de fósforo entre la fase sólida y solución en equilibrio, es la pendiente de la
curva de adsorción o desorción en una concentración de solución de suelo única [237].
Otro estudio de incubación Martinez y col. [134] manifiesta que el BC a base de Eucalyptus
globullus obtenido a altas temperaturas, alta velocidad de calentamiento y largos periodos
de contacto, especialmente al 20 y 35% de BC, conduce a cambios en las propiedades del
suelo que podrían ser beneficiosos para los suelos agrícolas, mejorando potencialmente
la disponibilidad de fósforo en suelos ácidos, por lo cual la presencia de BC favorece la
liberación lenta de los fertilizantes fosforados en la solución del suelo, manteniendo así la
cantidad necesaria a lo largo del tiempo para una correcta nutrición de las plantas. Sin
embargo, los autores indican que es necesario tener cuidado al extrapolar los resultados
de laboratorio al campo porque en condiciones naturales, una mayor concentración de
fósforo en la solución del suelo también puede conducir a mayores pérdidas por lixiviación,
dependiendo de la precipitación que tenga lugar.
En el estudio de Martínez y col. [134], con el fin de obtener isotermas de adsorción de P,
se tomaron muestras de cada tratamiento de suelo en una solución de fósforo (KH2PO4)
que posteriormente se preparó en CaCl2 y se agitó durante 24 h, utilizándose diferentes
concentraciones (100, 250, 500 y 1000 mg kg-1), una vez que las muestras alcanzaron el
equilibrio (24 h), se centrifugaron y se tomó una alícuota de 1.0 ml del sobrenadante
clarificado para determinar la cantidad de fósforo. A partir de la realización de este
experimento, se obtiene que la adsorción aumenta cuando la concentración de fósforo en
la solución aumenta para todos los tratamientos. Por su parte, los parámetros isotérmicos
de Langmuir indicaron que el suelo (ácido) presenta una alta capacidad de fijación de
fósforo. Además, se evidenció un aumento en el pH del suelo, traducido en un aumento en
el número de cargas negativas de los coloides del suelo, que conlleva a un aumento en la
repulsión aniónica y la reducción de la adsorción de aniones fosfato [202].
En cuanto a la desorción, esta se ve influenciada por la concentración de fósforo en
solución, por la temperatura de carbonización y por el tiempo de residencia. La
Capítulo 3 79
desorbabilidad del fosfato se puede definir como la relación del fosfato desorbido al total
adsorbido por los adsorbentes, y se puede usar para indicar el grado de desorción del
fosfato del adsorbato [262]. Además, la velocidad de desorción del fosfato del BC depende
claramente de las condiciones de desorción empleadas, el gradiente de concentración de
fosfato y las concentraciones de varios iones en solución. Según Morales y col. [166], la
materia prima hace una diferencia significativa en las propiedades de desorción de fosfato
y abre la posibilidad de diseñar preparaciones de BC para objetivos específicos de manejo
de suelos.
Los BC´s también pueden aumentar la alcalinidad del suelo, lo que resulta en un aumento
en la disponibilidad de fósforo ya que, en condiciones ácidas (pH <4), este nutriente estaría
ligado como fosfatos de hierro y aluminio insolubles por el aluminio y los óxidos de hierro
respectivamente [263] [181]. La CIC y la química de superficie también podrían influir en
la retención de nutrientes [188]; por ejemplo, Zheng y col. [264] observaron que la química
de la superficie (carga superficial negativa) y las reacciones de precipitación de fosfato
metálico desempeñan un papel más importante que el del área superficial en las
capacidades de adsorción de fosfato. Se cree que la capacidad de adsorción de fosfato
aumenta con el aumento de los niveles de iones metálicos, por lo que los BC´s con menor
contenido de cenizas tendrán menores capacidades de adsorción de fosfato [2]. Sin
embargo, también se reportan estudios en los que se presenta una disminución en la
adsorción de fósforo con la aplicación de BC que es afectada por el pH, puesto que a
medida que aumenta el pH, la superficie del suelo se carga más negativamente,
aumentando la repulsión de los aniones y disminuyendo la adsorción de fósforo [224]. De
manera similar, Walter y col. [265], por ejemplo, informaron que los BC`s de cáscara de
arroz no tuvieron efecto sobre la adsorción de nitrógeno y fósforo para un cultivo de batata,
sugiriendo que la alta relación C/N de estos BC puede haber aumentado la inmovilización
de nitrógeno en el suelo e inhibido la adsorción de nutrientes.
3.5.3 Potasio
En este apartado se hace énfasis en la disponibilidad del potasio en los BC`s pero no se
enfatiza en la adsorción y desorción de potasio debido a la falta de estudios en esta área.
Los BC`s aplicados a los suelos mejoran la disponibilidad de cationes [189]. En un estudio
de Zolfi-Bavariani y col. [87] el BC producido a mayor temperatura fue más efectivo para
aumentar la disponibilidad de potasio en el suelo en comparación con los preparados a
80 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
temperatura más baja. El alto valor de CIC de la muestra de suelo tratado a 400°C y una
correlación significativa entre la disponibilidad de la CIC y potasio del suelo indican un
posible efecto de la CIC sobre la recuperación de potasio en la muestra de suelo tratada
con el BC de 400°C. Liang y col. [232] confirmaron un aumento en la disponibilidad de
potasio como resultado del aumento en la CIC del suelo mediante la adición de BC al suelo
[87].
Además, los BC´s influyen en el ciclo de nutrientes a través de procesos biológicos, físicos
y químicos a corto y largo plazo [188] [263]. En el corto plazo, las fracciones lábiles de BC
pueden introducir potasio biodisponible en los suelos [181], así como retener nutrientes
dentro de sus poros, mientras que los efectos del BC a largo plazo podrían implicar la
creación de hábitats favorables para los hongos del suelo, como las micorrizas, que
influyen en el ciclo de nutrientes [266]. La materia orgánica del suelo aumenta la CIC del
suelo y al hacerlo, aumenta la cantidad de potasio, calcio y magnesio disponible para la
liberación durante la mineralización [267]. El potasio también se libera relativamente rápido
de los residuos de cultivos para contribuir a las reservas de potasio no intercambiables y
de solución del suelo. Sin embargo, a diferencia del nitrógeno y el fósforo, el potasio
disponible en muchas situaciones parece estar más vinculado al tipo de suelo (complejo
de arcilla) que a la materia orgánica del suelo [113].
Las formas químicas y la liberación de potasio y sodio de BC de paja de arroz durante el
procesamiento a temperaturas de pirólisis entre 400 °C y 1373 °C. Entre 473 °C y 673 °C,
aproximadamente la mitad del contenido total de metal (48 y 55%, respectivamente, para
K y Na) se perdió por vaporización, y al calentarse más a 1373 °C, la pérdida fue más lenta
y se totalizó en ~70%. Aproximadamente el 90% del potasio total en el BC de paja de arroz
estaba en forma soluble en agua y, por lo tanto, estaba disponible para la planta antes de
la pirolisis, fue esta forma de potasio la que se perdió cuando se calentó hasta 673 °C. Con
el aumento de la temperatura (> 600 °C), una mayor proporción del potasio restante se
encontró en forma intercambiable y extraíble con ácido. Wornat y col. [268] encontraron
que los BC´s de pino y hierba producidos a 625 °C contenían del 15 al 20% de oxígeno, y
utilizando espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), llegaron a la
conclusión de que tanto potasio como calcio están bien dispersos en las matrices de BC y
pueden unirse a los grupos funcionales que contienen oxígeno, como fenóxidos iónicos
(es decir, fenóxidos de potasio). Sin embargo, el calentamiento adicional a temperaturas
Capítulo 3 81
más altas condujo a mayores pérdidas por vaporización, así como a la incorporación de
potasio en la estructura de silicato, que se espera sea mucho menos biodisponible. Estos
resultados fueron respaldados por los hallazgos de Shinogi [269], quienes informaron una
reducción de potasio disponible de 14 a <1% durante la pirólisis de BC de lodos de
depuradora, mientras que las concentraciones de potasio total se duplicaron (0.5% a 250
°C a 1.12 por ciento a 600 °C).
3.6 Adsorción y desorción de micronutrientes
Las investigaciones realizadas en cuanto a la adsorción y desorción de micronutrientes
como: S, Ca, Mg, Na, Mn, Si, Fe, Al, Cu y Zn son escasas. Solo se reportan algunos
estudios de adsorción de zinc y otros en los que se evidencia la disponibilidad de
micronutrientes con la adición de BC, por lo tanto, la adsorción de micronutrientres por
BC`s de diferentes biomasas requiere más investigación. Xu y col. [145] a partir de un
experimento de columna de suelo observaron que con la adición de BC al suelo
aumentaron Ca, K y Mn disponibles en el suelo, mientras que el S y Zn disminuyeron
después de la adición de BC. En otro estudio se reporta que la adición de BC al suelo
disminuyó significativamente los niveles de Ca, P, Mn y Zn, y aumentó las concentraciones
de K y Na en soluciones de lixiviados.
Azufre
Existe un potencial significativo para que los BC´s influyan en la mineralización de azufre
y en la actividad de oxidación en el suelo. Aunque la mayoría del azufre del suelo se origina
a partir del material geológico original, el azufre del suelo existe en estado orgánico y debe
ser mineralizado antes de la absorción por la planta [209]. El azufre orgánico existe ya sea
como sulfato o como azufre unido a carbono. La mineralización de azufre se favorece en
pH ligeramente ácido a neutro. La oxidación del azufre se lleva a cabo tanto por
organismos autótrofos (por ejemplo, Thiobacillus) como por organismos heterótrofos. Sin
embargo, estos organismos autótrofos tienen requisitos excepcionalmente altos para
ciertos elementos traza que se encuentran en concentraciones relativamente altas en BC´s
[270]. Las adiciones de BC al suelo que reducen en última instancia la superficie del albedo
de los suelos minerales dan como resultado un calentamiento más rápido de los suelos en
primavera aumentando las tasas de oxidación o mineralización del azufre [209].
82 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
En el tratamiento por pirolisis hasta el 50% del total de azufre de ocho tipos de biomasa se
perdió durante la pirólisis a 500 °C. Knudsen y col. [271] estudiaron la transformación de
azufre durante la pirólisis de la paja de trigo danesa típica, antes de la pirólisis, se encontró
que el azufre estaba asociado en parte como sulfato inorgánico (40 a 50% del S total) y en
parte como proteínas (50 a 60%). Los resultados indicaron que del 35 al 50% del total de
azufre se liberó a la fase gaseosa durante la pirólisis a 400 °C como resultado de la
descomposición térmica del azufre. A temperaturas altas (500 °C - 700 °C), el contenido
de azufre residual de BC no cambió significativamente. Sin embargo, las formas de azufre
cambiaron en las condiciones altamente reductoras prevalecientes durante la pirólisis, con
la desaparición del sulfato inorgánico (S) (al 21.1% a 500 °C y al 3.1% a 800 °C) debido a
la conversión a sulfuro insoluble (por ejemplo, CaS, K2S) en la matriz de BC, o de
superficies de BC fijas a reactivas, ya sea mediante la adición de azufre a sitios insaturados
o mediante la sustitución de oxígeno en óxidos de superficie [165].
Las adiciones de BC a los suelos minerales también pueden afectar directa o
indirectamente las reacciones de adsorción de azufre y la reducción de azufre. Puesto que
el BC mejora las propiedades físicas del suelo a través del aumento de la superficie
específica, la capacidad de retención de agua y la mejora del drenaje de la superficie [209].
El azufre se adsorbe fácilmente a las superficies minerales en el ambiente del suelo y
particularmente por óxidos de hierro y aluminio. Las adiciones de materia orgánica al suelo
reducen la adsorción de sulfato en suelos de bosques ácidos; por lo tanto, las enmiendas
de BC pueden actuar para aumentar las concentraciones de solución de azufre en suelos
ácidos ricos en hierro [165]. Sin embargo, no se reportan investigaciones de adsorción y
desorción de azufre por BC.
Zinc
El zinc es uno de los metales pesados liberados en el ambiente, esencialmente de fuentes
industriales. Las concentraciones excesivas de zinc en el suelo pueden causar daños a
largo plazo en el ecosistema (suelo-planta-microbio). En suelos ácidos, la acidificación
puede disminuir la CIC y las concentraciones de nutrientes, afectar la materia orgánica del
suelo y la dinámica microbiana, y cambiar la capacidad de retención e inmovilización de
metales pesados. Se han informado los efectos de BC en la adsorción de zinc por el suelo,
por ejemplo, Chen y col. [272] encontraron que la adsorción de zinc podría ajustarse bien
con el modelo de Langmuir, con capacidades de adsorción de zinc máximas de 4.54 mg
Capítulo 3 83
g-1 por BC de madera dura. Xu y col. [273] indicaron que la capacidad máxima de adsorción
de zinc del BC derivado de estiércol de ganado era de 31.6 mg g−1 y que la precipitación
con fosfato o carbonato era el mecanismo principal. Beesley y Marmiroli [274] encontraron
que la adsorción de zinc en la superficie del BC de madera dura disminuyó las
concentraciones de lixiviados en 45 veces. Kołodynska [275] mostraron que el BC derivado
de estiércol de cerdo y vaca aumentó la eliminación de zinc al aumentar la concentración
de BC, la concentración de zinc y el pH del suelo.
Dai y col. [276] compararon los efectos de BC de estiércol de cerdo y paja de colza en la
adsorción de zinc por cuatro tipos diferentes de suelo ácido. La adsorción y/o desorción de
zinc a diferentes concentraciones iniciales y pH se determinó a partir de experimentos de
adsorción y desorción por lotes. La incorporación de BC aumentó la adsorción de zinc por
cuatro tipos de suelos ácidos cuando la concentración inicial de zinc fue mayor a 0.25 mm.
Los aumentos en la adsorción de zinc difirieron con el tipo de BC y el tipo de suelo. El suelo
con mayor contenido de caolinita (Al2Si2O5(OH)4), CIC relativamente pequeña y área de
superficie pequeña, tenía la capacidad de adsorción de zinc más baja, mientras que el
suelo con más esmectita, CIC y AS grande, tenía la mayor capacidad de adsorción de zinc
junto con un gran contenido de materia orgánica y pH (5.91) son propiedades importantes
para inducir mayores capacidades de adsorción de zinc, porque la materia orgánica puede
formar complejos con los metales pesados [221].
La adsorción de metales pesados por el suelo se describe mediante mecanismos de
adsorción electrostáticos y no electrostáticos [273] [277]. Los metales pesados en solución
acuosa pueden intercambiarse con cationes en los sitios de adsorción de las mezclas de
BC y suelo. Después de ser adsorbido, el zinc puede ser reemplazado por cationes
intercambiables tales como Na+ y K+. El zinc adsorbido que permanece en los sitios de
adsorción, se mantiene por adsorción no electrostática (es decir, la formación de complejos
entre zinc y grupos funcionales de oxígeno) y la precipitación superficial entre zinc y
algunos aniones [278] [279]. En este estudio Dai y col. [276] introdujeron nitrato de sodio
para desorber el zinc En general, sodio es un competidor más efectivo para los sitios de
adsorción de zinc que otros cationes como potasio, ya que contribuye en gran medida a la
adsorción electrostática de zinc. Además, los grupos de oxígeno funcionales (es decir, –
OH y –COOH), desempeñan un papel importante en la adsorción no electrostática de zinc.
84 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
De acuerdo con Dai y col. [276] la adsorción de zinc aumentó al aumentar el pH, ya que
según lo informado por Jiang y col. [277] y Abollino y col. [280] un aumento en el pH puede
aumentar la carga superficial negativa de las mezclas BC-suelo y también puede conducir
a la hidrólisis de zinc .El Zn es un elemento anfótero que puede reaccionar con ácidos y
bases; en general, el zinc precipita como Zn(OH)2 cuando el pH es mayor que 7, y el
precipitado se puede disolver con la formación de Zn(OH)42− debido al efecto del ion común
cuando el pH es mayor que 10 [281] [282].
El aumento de la adsorción de zinc con el aumento del pH se atribuyó principalmente al
aumento de la carga superficial negativa. El principal mecanismo para la adsorción de zinc
cambió gradualmente de adsorción electrostática a no electrostática a medida que el pH
aumenta. La adsorción no electrostática fue mayor con el BC de estiércol que con el BC
de paja, la adsorción electrostática fue mayor para el BC de paja que para el BC de
estiércol. Otra posible razón fue que había más minerales (relacionados con P y Si) en el
BC de estiércol que en el BC de paja, lo que también resultó en la mayor adsorción no
electrostática [276].
4. Adsorción de compuestos orgánicos por biocarbonizados.
Los BC´s han sido estudiados por varios investigadores [283] [284] [285] [286] [287] por
tener una estructura porosa, superficies cargadas y una gran cantidad de grupos
funcionales de superficie (grupos carboxilo, hidroxilo, hidroxilo fenólico y carbonilo), lo que
lo convierte en un adsorbente eficiente para contaminantes orgánicos y una herramienta
prometedora para la remediación del suelo gracias a que son efectivos en la eliminación
de diversos contaminantes orgánicos, colorantes aromáticos, antibióticos, bifenilos
policlorados (PCB), hidrocarburos poliaromáticos (HAP) y agroquímicos generados por
fuentes industriales, residenciales, agrícolas y comerciales que con frecuencia contaminan
los ecosistemas del suelo. La amplia aplicación de BC´s se debe a varias características,
por ejemplo, gran AS, capacidad de intercambio iónico, grupos funcionales, capacidad de
adsorción y microporosidad [288].
4.1 Mecanismos de adsorción de compuestos orgánicos por biocarbonizados
De acuerdo con Ahmad y col. [138] Younis y col. [289] y Vithanage y col. [290] distintos
mecanismos, tales como la interacción hidrofóbica, el llenado de poros, el reparto, la
interacción donor-aceptor de electrones la interacción electrostática y los enlaces de
hidrógeno podrían ser los principales mecanismos de adsorción de contaminantes
orgánicos en BC´s, tal como se presenta en la Figura 4-1. La variación en estos
mecanismos de eliminación y las propiedades fisicoquímicas del BC tienen implicaciones
en su eficacia e idoneidad para la remediación de contaminantes específicos. Diferentes
factores como la temperatura de pirólisis, la dosificación de los BC´s, el proceso de
envejecimiento, el pH de la solución y el tiempo de contacto influyen en gran medida en la
capacidad de adsorción total del BC al alterar los mecanismos de eliminación [287] [291]
[292] [293] [294] descritos a continuación.
86 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
Figura 4-1. Mecanismos de adsorción de compuestos orgánicos por BC´s preparados por
diferentes residuos que propician la remediación de suelos.
Reparto
La adsorción de contaminantes orgánicos en BC´s depende de las características de las
fracciones carbonizadas y no carbonizadas. En BC´s el reparto de compuestos orgánicos
se produce en la fase no carbonizada que contiene compuestos alifáticos y poliaromáticos,
como cetonas, azúcares, fenoles, entre otros [296]. El reparto inicia ya sea con la difusión
de adsorbatos en los poros o en la biomasa de la porción no carbonizada del BC [254]
[295]. Más adelante, en el reparto, estos compuestos orgánicos se solubilizan dentro de la
matriz del BC para mejorar su adsorción. Este mecanismo es dominante cuando se
produce a una alta concentración de soluto y con BC´s enriquecidos con alto contenido de
materia volátil. Los estudios de y Sun y col. [296] muestran que las fracciones de carbono
orgánico de BC´s de madera y de hierba aumentaron la adsorción de herbicidas como
norflurazon y fluridona a través del reparto.
Interacciones π-π
De acuerdo con Zheng y col. [297] algunos compuestos orgánicos son considerados
aceptores de electrones π, mientras que en los BC´s pirolizados a baja temperatura (< de
500 ° C), el sistema π aromático actúa como un aceptor de electrones, y a alta temperatura
(>500 ° C) el BC sirve como donor de electrones π [297] [298]. La grafitización total del BC
se produce a temperaturas mayores a 1100°C, pero las distribuciones de carga no
Capítulo 4 87
uniformes dentro de los anillos aromáticos de los BC´s a más de 500 °C pueden aumentar
o reducir su densidad electrónica, creando sistemas π-ricos en electrones o deficientes
[29]. Los grupos funcionales de la superficie del BC pueden actuar como donor de
electrones π debido a que a) los grupos hidroxilo están situados en los anillos de benceno
(especialmente participando en la resonancia como donor de electrones π); y b) un fuerte
aceptor de electrones π debido a grupos funcionales carboxilo en los anillos de benceno
(especialmente, los grupos carboxilo protonados que participan en la resonancia
electrónica como aceptador de electrones π) [299]. Li y col. [300] encontraron que las
especies protonadas y neutrales del antibiótico tetraciclina son receptores de electrones π
efectivos, ya que el mecanismo de interacción π-π - antibiótico puede contribuir a la mayor
adsorción de tetraciclina en un BC de bagazo.
Enlaces de hidrógeno y grupos funcionales
La superficie del BC contiene una serie de grupos funcionales como hidroxilo fenólico,
carboxilo y anhídrido, que forman fácilmente enlaces de hidrógeno con los electrones del
anillo de benceno de algunos contaminantes emergentes (cualquier producto químico que
generalmente no se controla en el ambiente, pero puede causar efectos adversos
conocidos o sospechosos en los ecosistemas y la salud humana en concentraciones
ambientalmente relevantes), lo que mejora la capacidad de adsorción del BC [298]. La
formación de enlaces de hidrógeno en la superficie del BC es posible gracias a la presencia
de grupos carboxilo, amina o nitro en antibióticos de cloranfenicol [293].
Interacciones electrostáticas
Zheng y col. [297] indican que las interacciones electrostáticas son el mecanismo más
importante involucrado en la adsorción de compuestos orgánicos iónicos o ionizables.
Puesto que los adsorbatos catiónicos tienden a unirse con la superficie cargada
negativamente del BC, los aniónicos se unen con la superficie cargada positivamente del
BC y los adsorbatos iónicos generalmente se atraen hacia la superficie adsorbente de
carga opuesta. De acuerdo con Ahmad y col. [138] el pH y la fuerza iónica determinan las
fuerzas electrostáticas atrayentes y repulsivas en la adsorción de contaminantes orgánicos
ya que, el pH de la solución controla la carga neta en la superficie del BC, la superficie del
BC mantiene una carga positiva a bajo pH, mientras que a un pH alto la superficie del BC
capta una carga negativa neta [202]. El aumento de la fuerza iónica de la solución de
adsorbato finalmente mejora la adsorción durante la interacción electrostática repulsiva
88 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
entre los adsorbatos y el BC. En un estudio Inyang y col. [301] encontraron que la adsorción
de los tintes de violeta de metilo y azul de metileno implicó el proceso de interacción
electrostática a través de un BC de bagazo.
Interacciones hidrofóbicas
La interacción hidrófoba implica tanto el reparto como los mecanismos hidrófobos en la
adsorción de compuestos orgánicos. Los BC´s con estructura amorfa contienen
proporciones considerables de dominios alifáticos "blandos", lo que proporciona un medio
eficaz para el reparto de compuestos orgánicos hidrófobos. Li y col. [302] encontraron que
la adsorción de contaminantes orgánicos ionizables como el ácido p-clorobenzoico , el
ácido o-clorobenzoico y el ácido benzoico estuvo dominado por la interacción hidrofóbica
al igual que en un estudio de Longcheng y col. [293] en el que la adsorción de bifenilos
policlorados en BC estuvo dominada por el reparto hidrófoba.
Llenado de poros
El llenado de poros comprende uno de los mecanismos de adsorción más importantes para
diversos contaminantes emergentes, puesto que la adsorción se correlaciona con las
propiedades superficiales del BC y es directamente proporcional al área del microporo
[303]. De acuerdo con Pignatello y col. [304] la presencia de microporos (<2 nm) y
mesoporos (2–50 nm) en la superficie del BC determina la aplicabilidad del mecanismo de
llenado de poros en la adsorción de contaminantes orgánicos. Dependiendo del tipo y la
naturaleza del BC, el mecanismo de llenado de poros facilita la gran adsorción de
contaminantes orgánicos tanto polares como no polares. El proceso de llenado de poros
favorece la adsorción de compuestos orgánicos, generalmente a baja concentración de
soluto y en BC que contiene un pequeño contenido de materia volátil [295]. Según Ran y
col. [305] se espera que un BC con alto contenido de carbono aromático y mayor AS sea
un mejor adsorbente para contaminantes debido a las interacciones π-π hidrófobas y a los
mecanismos de llenado de poros. Además, el efecto selectivo de polaridad de la superficie
promueve interacciones específicas para los solutos orgánicos polares, mientras que el
efecto selectivo de la porosidad dificulta la adsorción de moléculas orgánicas grandes.
Zhang y col. [306] encontraron que el llenado de poros domina la adsorción de 17β-
estradiol por los BC´s. Mientras que, Ji y col. [307] hallaron una mayor adsorción de
antibiótico sulfametoxazol en BC, probablemente por llenado de microporos y debido al
Capítulo 4 89
bajo tamaño molecular del adsorbato. Kasozi y col. [295] encontraron que el mecanismo
dominante de llenado de microporos estuvo involucrado en la adsorción del catecol por
BC´s de pino y roble. En un estudio de Nguyen y col. [308] el pequeño diámetro molecular
de los poros del BC de Pino bronco se atribuyó a la adsorción de 1,2,4-triclorobenceno y
1,4-diclorobenceno a través del mecanismo de llenado de poros.
4.2 Aplicaciones
Los BC´s han sido ampliamente utilizados como adsorbentes de bajo costo para diferentes
contaminantes orgánicos como los tintes sintéticos, antibióticos, hidrocarburos aromáticos
policiclicos y plaguicidas que se bioacumulan o degradan en los suelos generando daños
ambientales que ocasionan la baja productividad de cultivos. En este sentido, los BC´s se
usan eficientemente en la remediación o eliminación de contaminantes de los suelos como
se describe en los siguientes párrafos.
Remediación de tintes sintéticos
Los tintes sintéticos se liberan al medio como componentes de los efluentes de las
industrias de cuero, papel, textil y de la impresión, tienen impactos adversos en términos
de carbono orgánico total, demanda de oxígeno biológico y demanda química de oxígeno
y pueden causar daños ecológicos graves; además, son difíciles de tratar mediante
métodos convencionales debido a su resistencia a la luz y a los agentes oxidantes [309].
Los BC´s se han utilizado para eliminar tintes mediante varios mecanismos, por ejemplo,
Xu y col. [84] compararon la eficacia de eliminación del violeta de metilo en BC´s derivados
de la paja de canola, la paja de cacahuete, la paja de soja y de la cáscara de arroz y
encontraron que el orden de capacidad de adsorción era consistente con la cantidad de
carga negativa de los BC´s (paja de canola > paja de cacahuete > paja de soja > cáscara
de arroz), lo que indica que la atracción electrostática desempeñó un papel importante en
la adsorción de este colorante al igual que en otros estudios [301] [310] donde el
mecanismo predominante fue la atracción electrostática.
Según Ahmad y col. [138] además de la funcionalidad química y las fuerzas electrostáticas,
los adsorbatos orgánicos pueden verse afectados por el pH y la fuerza iónica, por ejemplo,
la capacidad de adsorción del BC derivado de residuos de cultivos pirolizado a 350 °C para
90 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
violeta de metilo aumentó considerablemente de pH 7.7 a 8.7. La pirólisis de la biomasa
influyó en gran medida en la adsorción de los colorantes a medida que el área de superficie
aumentaba con temperaturas más altas de pirólisis. El BC de paja de arroz preparado a
700 °C bajo nitrógeno y aplicado a una solución de 25 mg L-1 de colorante verde de
malaquita mostró una eliminación del 95% a pH 5 y 30 °C en 40 min [311].
Remediación de antibióticos
De acuerdo con Długosz y col. [312] la constante de liberación y aparición de productos
farmacéuticos, sus metabolitos y productos de transformación en el medio ambiente se ha
convertido en un motivo de gran preocupación debido a su extenso uso en la medicina
humana y veterinaria, encontrándose con frecuencia en aguas residuales tratadas, aguas
superficiales y subterráneas en todo el mundo. La eliminación de antibióticos ha sido
estudiada utilizando adsorbentes como los BC´s [313]. La adsorción de antibióticos puede
variar mucho según las propiedades del antibiótico y del BC utilizado [193] [314]. En
algunos casos, la tasa de eliminación puede ser tan alta como el 100% según las clases
de antibióticos [313]. Los principales mecanismos en la adsorción de antibióticos por BC´s
han sido las interacciones π–π, donor-aceptor de electrones, llenado de poros e
interacciones hidrófobas [297] [301] [315]. El pH es un factor importante para la eliminación
efectiva de antibióticos, por ejemplo, la adsorción de sulfametoxazol en BC derivado de
caña a pH 7.0, hizo que la superficie del BC se cargara negativamente, provocando el
aumento proporcional de sulfametoxazol con el aumento del pH [297]. En otro estudio
[316], los modelos de isotermas de Langmuir y Freundlich se aplicaron para ajustar los
datos de adsorción del antibiótico levofloxacino en BC´s de cáscara de arroz y astillas de
madera.
Remediación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)
Según Ogbonnaya y col. [317] los HAP son constituyentes de los hidrocarburos del
petróleo y se han vuelto omnipresentes en el medio ambiente debido a la explotación
persistente del petróleo crudo y sus derivados, estos pueden sufrir fotolisis, oxidación
química, volatilización, lixiviación, bioacumulación y/o adsorción en el suelo. La
disminución en las concentraciones de HAP total y biodisponible por adición de BC debido
a sus propiedades de adsorción, se ha estudiado por Werner y Karapanagioti [318] quienes
demostraron que la adsorción de los HAP por BC´s de madera se realiza por interacciones
Capítulo 4 91
π-π y mecanismos de llenado de poros, adsorción multicapa, cobertura superficial,
condensación en poros capilares y adsorción. Otros ejemplos exitosos incluyen la
reducción de fenantreno en la biota del suelo después de la adición de BC y una
disminución en la concentración de los HAP en un 50% [140] [317]. En otro estudio de
Khan y col. [319] la eliminación de HAP en el suelo usando BC de lodo de depuradora
producido a 500°C se llevó a cabo por el mecanismo de reparto.
La temperatura de pirólisis en relación con la biomasa utilizada afecta la adsorción, es así
como James y col. [320] determinaron la capacidad de adsorción de fenantreno de los
BC´s de madera de las especies Pinus y Betula y demostraron que la adsorción de
fenantreno se incrementó con el área de superficie más alta de BC´s producidos a
temperaturas altas. También la eliminación de fenantreno se logró a través del BC de
madera de pino producido a 350 y 700 °C, mostrando retención de HAP en micro o
mesoporos del suelo [321] [322].
Remediación de pesticidas orgánicos
Los pesticidas orgánicos se agregan al suelo deliberadamente para controlar plagas y
enfermedades en la agricultura. El aumento de la adsorción y la disminución de pesticidas
en presencia de BC´s puede reducir el riesgo de contaminación ambiental y exposición
humana, aumentando el rendimiento de los cultivos. La adsorción de pesticidas orgánicos
por BC´s ha sido observada por algunos investigadores, como Graber y col. [323] quienes
a partir de su estudio concluyeron que los BC´s con mayor AS y por lo tanto mayor
capacidad de adsorción, no son deseables en la adsorción de plaguicidas, esto se debe a
que si la fuerza de adsorción del BC supera un umbral específico, entonces el plaguicida
no obtendrá un control adecuado de plagas o malezas. Por lo tanto, Graber y col. [323]
sugirieron un valor de hasta 10 s de m2 g−1 de AS del BC para lograr el propósito de control
de plagas. Así mismo, Nag y col. [324] encontraron un fuerte efecto de la aplicación de BC
en el suelo sobre la eficacia de la atrazina para controlar la hierba de raigrás observando
que la dosis para el suelo modificado con BC (1% p/p) podría incrementarse de 3 a 4 veces
para lograr un control de malezas deseado, señalando también, que la magnitud del efecto
del BC sobre la eficacia del herbicida depende de la química de la molécula del herbicida
y de su modo de acción.
Li y col. [325] en su estudio sobre el comportamiento de adsorción y desorción de atrazina
por BC de residuos de yuca encontraron que la adición de 0.1% –5% (w / w) de BC
92 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
promovió la adsorción de atrazina de 1.7 a 36 veces en comparación con el control natural
del suelo, después de 60 días. Dicha liberación de atrazina del suelo se vio afectada por
un rango de pH de 3 a 9 y la cantidad de atrazina desorbida aumentó con el aumento de
las condiciones de pH. Del mismo modo, se encontró que la intensidad de la perturbación,
la complejación de la superficie y el intercambio de cationes desempeñan funciones
importantes en los mecanismos de adsorción. Por su parte, Zhelezova y col. [326]
examinaron cómo el BC de madera afectó la adsorción y degradación de dos herbicidas,
glifosato y diurón ,en el suelo arenoso y otro arcillos; encontrándo que con la adición de
BC el pH aumentó en ambos suelos al igual que la capacidad de retención de agua del
suelo arenoso. La adsorción de diurón mejoró con el BC en ambos suelos, mientras que
la adsorción de glifosato se redujo en el suelo arenoso. Del mismo modo, Cederlund y col.
[326] usando un BC de madera para reducir la lixiviación y adsorción de los pesticidas
clorpirifos, diurón y glifosato en un sistema de prueba de columna de arena. Demostraron
que la cinética de adsorción estaba controlada por los valores de log Kow de los pesticidas
y las tasas de adsorción variaban en el orden: clorpirifos > diuron > glifosato. La lixiviación
de diurón se redujo mediante la aplicación de BC y la retención se relacionó linealmente
con el espesor de las capas de BC. La lixiviación fue baja para todos los pesticidas cuando
estos se agregaron directamente al BC y luego se agregaron a la columna, sugiriendo que
el BC puede ser usado como un medio para mitigar la lixiviación de pesticidas.
5. Conclusiones y recomendaciones
5.1 Conclusiones
1. Mediante la discusión y el análisis del estado de arte se concluye que los
biocarbonizados dependiendo del tipo de biomasa y la temperatura de pirólisis a la
que se produzcan, se comportan como enmiendas de bajo costo que permiten
mejorar la calidad de los suelos y con ello la productividad de los cultivos, debido a
que su aplicación incrementa la disponibilidad de nutrientes para las plantas y por
lo tanto, la adsorción y desorción de nutrientes del suelo durante un período
prolongado debido a su estabilidad y estructura. De igual forma, los
biocarbonizados propician la remediación de los suelos debido a características
esenciales como el área superficial y la microporosidad que permiten la adsorción
de compuestos orgánicos.
2. De acuerdo con la bibliografía consultada se encuentra que las materias primas de
mayor utilización en la preparación de los biocarbonizados son las provenientes de
residuos agrícolas, forestales, animales y municipales, destacando por sus
propiedades fisicoquímicas como conductividad eléctrica las biomasas de cáscaras
de pistacho, cáscaras de avellana, cáscaras de café y estiércol de ave de corral;
por tener un pH alto y por lo tanto aumentar el pH ácido de los suelos sobresalen
la cáscara de soja, el estiércol de pollo y desechos de papel; por sus áreas
superficiales altas se destacan las ramas de árbol de manzana, las cáscaras de
soja y maní y el roble; aquellas que se caracterizan por tener un gran volumen de
poro son el eucalipto, cáscara de maní y aserrín de abeto de Douglas; y finalmente,
por su capacidad de intercambio catiónico sobresalen el estiércol de aves, paja de
maíz y trigo.
3. Debido a que a menores temperaturas de pirólisis los grupos funcionales que
contienen oxígeno y que son los responsables de la adsorción se conservan en la
94 Biocarbonizados en la agricultura: adsorción y desorción de nutrientes y
contaminantes orgánicos
superficie de los biocarbonizados, se encuentra que la temperatura de pirólisis
óptima para la adsorción de nutrientes y contaminantes orgánicos oscila entre 400
y 550ºC, ya que a temperaturas mayores aunque se obtiene un aumento del área
superficial, conductividad eléctrica, pH, volumen de poro y mayor estabilidad en la
estructura del biocarbonizado, la adsorción se ve afectada por la disminución de la
capacidad de intercambio catiónico.
4. La aplicación de biocarbonizados depende de la composición, el orden, la textura
y las propiedades fisicoquímicas del suelo, ya que con la adición de
biocarbonizados disminuye la densidad aparente del suelo y aumenta su porosidad,
lo que incide en un mayor contenido de oxígeno, en características beneficiosas
para la mineralización del suelo y en una mayor disponibilidad de nitrógeno y
capacidad de retención de agua, lo que optimiza el desarrollo de las raíces de las
plantas y la actividad microbiana del suelo. Además, el biocarbonizado da como
resultado un contenido de materia orgánica más alta en el suelo que la aplicación
de abono o fertilizante.
5. En cuanto a la adsorción de nutrientes se concluye que la retención de amonio por
biocarbonizados se llevó a cabo por la adsorción electrostática a grupos funcionales
de superficie con contenido de oxígeno que generan una carga negativa al
biocarbonizado. Mientras que, la adsorción de fósforo se realizó por interacciones
iónicas del fósforo con Al3+, Fe2+, Fe+3 y Ca2+. Para el zinc, el principal mecanismo
de adsorción cambia gradualmente de adsorción electrostática a no electrostática
a medida que el pH aumenta.
6. La adsorción de compuestos orgánicos por biocarbonizados se da principalmente
por atracción electrostática para tintes sintéticos, interacciones π–π, donor-aceptor
de electrones, llenado de poros e interacciones hidrófobas para antibióticos e
hidrocarburos aromáticos policiclicos; en su lugar, la pirólisis de la biomasa influye
en gran medida en la adsorción de compuestos orgánicos debido a que a
temperaturas altas de pirólisis se incrementa el área superficial y con ello la
adsorción.
Conclusiones y recomendaciones 95
5.2 Recomendaciones
1. De acuerdo con el estado de arte realizado se evidencia la falta de estudios acerca
de la adsorción de potasio y micronutrientes tales como S, Ca, Mg, K, P, Na, Mn,
Si, Fe, Al, Cu y Zn; por lo cual se recomienda realizar investigaciones que
permitirían tener un conocimiento más completo acerca de la adsorción y los
mecanismos de adsorción de los biocarbonizados y su aplicación en suelos.
2. Para futuras investigaciones sobre biocarbonizados se recomienda la aplicación en
campo, debido a que la mayoría de estudios desarrollados se llevan a cabo con
experimentos en lotes o en columnas; además, los estudios en campo podrían ser
útiles para identificar la acción de biocarbonizados en la biota del suelo, su dosis
de aplicación a gran escala y su efecto en los cultivos.
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