TORRES SANCHEZ Rosa M. (1), ZABALA Stella M.(2) y FALASCA Silvia (2)

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Scientific registration n°: 2334 Symposium n°: 4

Presentation: poster

Efecto de la materia orgánica en el transporte de agua por surfactantes

Soil organic matter effects in water transport by surfactants

Effets de la matière organique du sol sur le mouvement de l’eau en présence de surfactants

TORRES SANCHEZ Rosa M. (1), ZABALA Stella M.(2) y FALASCA Silvia (2) (1) CETMIC. Cno. Centenario y 506, C.C.49 (1897) M.B.Gonnet, Argentina

(2) CIBIOM. Serrano 669 (1414) Buenos Aires. Argentina.

RESUMEN

El movimiento de agua subyacente, producido por surfactantes (en sentido contrario a la ubicación inicial del mismo) en un sistema de suelo no saturado, esta condicionado por la presencia de materia orgánica, que actua como un segundo surfactante disminuyendo la presión capilar y en consecuencia la cantidad de agua movida es menor. Esto sucede superada una cantidad de agua inicial donde la configuración del film de agua es óptima (máximo de agua movida). La disminución de la materia orgánica y el consecuente aumento de partículas de menor tamaño, en presencia de surfactante, provoca un menor movimiento de agua, para valores de agua inicial mayores del máximo. Coincidiendo con lo encontrado por Tschapek, la velocidad del movimiento en estos sistemas es menor, alcanzándose el equilibrio del sistema en 24hs. El movimiento de agua en ausencia de surfactantes (debido a la presencia de materia orgánica y distribucion de tamaño de particulas) es mayor que en presencia de surfactante, pero de sentido contrario, debido a la mayor variación de presión capilar generada.

INTRODUCCION

Es conocido[1-4] que cuando algunos surfactantes se esparcen sobre una superficie acuosa, la

cual esta sobre materiales dispersos formando un sistema no saturado de agua, arrastran el

agua subyacente con ellos. Como fue descripto por Tschapek [5] en materiales finos no

saturados la mayor dificultad para arrastrar el agua subyacente lo constituyen la discontinuidad

y fino espesor del film de la misma, por ello en la medida que disminuye el tamaño de las

partículas de un sistema, el contenido inicial de agua debe ser mayor, para mover la misma

cantidad de agua. En materiales gruesos (arena) el film de agua es continuo y mas profundo

aun a bajos contenidos iniciales de agua; en estos sistemas Karkare[6] comprobó que el

movimiento de agua es originado, principalmente, por gradientes de presión los cuales se

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el tamaño de las partículas) o la tensión superficial del fluido que lo moja (adición de surfactantes insolubles en agua). El tamaño de los poros, en ausencia de surfactante, gobierna la dirección del movimiento del agua (de las partículas menores hacia las mayores); mientras que la presencia asimétrica, en sistemas con igual tamaño de partículas, de surfactantes empuja el agua a través de gradientes de presión capilar originada en la interfase de las dos secciones del sistema.

El desafío de este trabajo y su continuación es la utilización de surfactantes en suelos naturales, para dirigir el movimiento del agua. En estos sistemas naturales, se combina: la presencia de un surfactante natural, como es la materia orgánica y la amplia distribución de tamaño de partícula (desde 1000 a 1µm) que lo constituye. Para ello, en esta primera instancia, estudiamos el efecto de la materia orgánica, como surfactante, reduciendo la presión capilar en el sistema con alcohol tetradecanol y como cementante, reduciendo el porcentaje de partículas de menor tamaño. El tiempo de contacto, el contenido inicial de agua y el sentido del movimiento también fueron evaluados.

MATERIALES Y METODOS

Los suelos utilizados corresponden al horizonte A, Ustiupsament típico y Argiudol típico provenientes de las provincias de La Pampa (localidad de Anguil, denominado Ang.) y Buenos Aires (localidad de Castelar, denominado Cast.).

Estos suelos fueron tamizados para eliminar restos de raíces, lavados con agua destilada y secados al aire.

La tabla 1 muestra algunas de las característica iniciales y después del tratamiento con H

2

O

2

de ambos suelos, determinadas anteriormente [7].

Suelos Trat.

H

2

O

2

CIC

(meq//Kg) PZC (pH)

%Mater.

Orgánica Anguil antes

después Castelar antes después

8.9 5.0 22.8 20.1

3.0 2.7 4.3 3.0

1.7 0.1 1.6 0.2

Tabla 1: Capacidad de intercambio catíonico (CIC), Punto de cero cargas (PZC) y contenido en materia orgánica, antes y después del tratamiento con H

2

O

2

en ambos suelos.

La textura de los suelos iniciales [7], fue la siguiente: 1000-50µm: 30 y 13,3%; 50-5µm: 53 y 66% y para la fracción <5µm: 17 y 23%, para Anguil y Castelar respectivamente.

La distribución del tamaño de partícula se realizo en medio húmedo de hexametafosfato en un equipo micromeritic, después de separar la fracción mayor de 75µm.

La destrucción de materia orgánica fue realizada por tratamiento con H

2

O

2

a 90 ° C y determinada por el método indicado en Black et al. [8].

El equipo utilizado para medir el movimiento del agua es una columna de 2cm de diámetro y 5

cm de largo, formada por tres secciones (anillos), donde se empaqueta el suelo a una humedad

determinada. La parte izquierda de la columna (anillo 1), contiene el surfactante en cantidad

preestablecida. Después de un tiempo prefijado (en horas) de contacto, con la columna en

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posición horizontal, se determina el contenido en agua de las distintas secciones por pesada y se indica como %p/p, respecto del suelo seco.

El surfactante utilizado fue alcohol tetradecanol [ CH

3

(CH

2

)

13

OH ] , el cual se aplico disuelto en cloroformo.

RESULTADOS Y DISCUSION

La influencia del tiempo de equilibrio del sistema, fue estudiada en el suelo Anguil inicial y tratado con H

2

O

2

,la fig. 1 muestra el efecto del tiempo en la cantidad de agua movida con concentraciones de surfactante del orden de 10

^-2

g/100g suelo.

Fig. 1

La variación de agua para los distintos tiempos de equilibrio, indica que el movimiento de agua se completa en 24hs., mientras que para sistemas de partículas gruesas (arena) debido a la mayor velocidad del agua en filmes de mayor espesor [5], el movimiento se completa en tiempos menores que 1 hora [10]. Las medidas de movimiento de agua posteriores se realizaron con un tiempo de equilibrio del sistema de 24hs.

La tabla 2 muestra la distribución del tamaño de partículas para los dos suelos antes y después del tratamiento con H

2

O

2

.

Suelo Trat.

H

2

O

2

>>75µµ m 75-10µµm 10-1µµm << 1µµm Anguil antes

después Castelar antes después

36,0 44,0 34,0 10,0

38,2 22,8 36,0 45,0

19,0 17,0 23,0 22,0

6,4 16,8 6,5 22,6

Tabla 2: distribución de tamaño de partículas antes y después del tratamiento con H

2

O

2.

Contrariamente a lo indicado por los datos de textura de los dos suelos iniciales, la distribución de tamaño de partículas no mostró una marcada variación en la fracción arcillosa, por lo que la variación de PZC mostrada en la tabla 1, indica la existencia de un distinto contenido mineralógico en la fracción arcillosa (PZC del caolin=2,5-3,0 [11] PZC montmorillonita=1,0- 2,0 [ 12 ] ), lo cual también origina la variación de los valores de CIC. Por difracción de rayos X [7], se determino que los minerales componentes de ambos suelos, son: cuarzo, feldespatos, illita y caolín: encontrándose solo montmorillonita en el suelo Ang. lo cual origina el menor valor de pH del PZC.

La tabla 2 indica que el tratamiento con H

2

O

2

no produjo variación en la fracción entre 10- 1µm, pero si produjo un aumento considerable (63 y 72%) en la fracción arcillosa (<1µm) respecto de los suelos iniciales. La fracción >75µm sufrió un aumento de alrededor del 20% y la fracción entre 75 y 10 µ m disminuyó un 40% en el suelo Anguil; el suelo Castelar mostró un comportamiento inverso, disminución del 70% y aumento del 20%, para esas mismas fracciones.

La influencia de estas variaciones de tamaño de partícula y del contenido en materia orgánica,

sobre la cantidad de agua movida por la presencia de tetradecanol se estudio para varios

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contenidos de agua inicial, en todos los casos el movimiento del agua siguió el esquema general encontrado para otros sistemas[1] representado en la fig.

Fig. 2

La fig. 3 muestra el movimiento de agua del suelo, para los suelos naturales y con tratamiento con H

2

O

2

,en función del porcentaje de agua inicial.

Fig.3

El corrimiento de los valores máximos de % de agua movida: de 35 a 42,5 y de 35 a 40 % para Cast. y Ang. iniciales y tratados, respectivamente, indica que la presencia de mayor contenido en partículas de pequeño tamaño ( coincidiendo con lo encontrado por Tschapek [5] para distintos materiales ) prima en el movimiento del agua sobre el efecto de la disminución del contenido en materia orgánica. Esto se confirma si comparamos los suelos tratados entre sí, donde el aumento del porcentaje de partículas pequeñas (de 16,8 % a 22,6 % < 1 µm, con 0,1% de materia orgánica) produce el corrimiento del máximo de agua movida, hacia mayores porcentajes de agua inicial de 40,0 a 42,5 %. Los suelos iniciales con igual contenido en partículas < 1 µ m e igual contenido en materia orgánica, muestran un máximo menos pronunciado, debido al efecto de la materia orgánica de alrededor de 35% de agua inicial.

La disminución de la materia orgánica tendría que producir un aumento del porcentaje de agua movida, debido al aumento de la presión capilar en el sistema, producida por la variación de tensión superficial.

∆∆P= 2 γγ / r

Donde γ , es la tensión superficial en el sistema, γ= γ

1

- γ

2

originada por el alcohol tetradecanol (γ

2 =

45, 4 mN/m) y la materia orgánica del suelo (γ

1=

62,0 mN/m). Consecuentemente a menor γ resultante (en presencia de materia orgánica) la presión capilar se ve reducida y la cantidad de agua movida es menor [13].

En la figura 3 tenemos dos situaciones, para concentraciones de agua inicial inferior y superior al máximo, producidas por el alejamiento de la optima condición del film de agua sobre las partículas

(continuidad y espesor).

Para la primera situación (para un 35% de agua inicial), encontramos un efecto contrario a lo esperado, disminución de la cantidad de agua movida de 2 a 0,5% y de 3 a 0,5% para los suelos Ang. y Cast. iniciales y tratados, respectivamente; lo cual indica nuevamente que el contenido de distintos tamaños de partícula ( producidos por la desaglomeración de las partículas al disminuir el contenido de materia orgánica) es mas importante a bajas concentraciones iniciales de agua, que el aumento de la presión capilar.

Para la segunda situación ( 42 y 40 % de agua inicial), encontramos un aumento del porcentaje de agua movida ( coincidiendo con lo encontrado Karkare para arena [7]), para menores contenidos en materia orgánica de 1,8 a 3,0 y de 2,0 a 3,0 para los suelos Ang .y Cast. iniciales y tratados, respectivamente.

La figura 4 muestra el movimiento de agua en ausencia de surfactante (blancos), indicando con signo negativo el movimiento de agua en sentido contrario al encontrado en presencia de surfactante.

Fig. 4

(5)

En esta figura se ve que en todos los suelos, en ausencia de surfactante, existe una inversión del sentido del movimiento de agua, para valores de agua inicial superiores a los máximos encontrados en presencia de surfactantes. A partir de esos valores de agua inicial y debido a que el sistema comienza a estar saturado con agua, en el armado de la columna, el agua queda sobrenadante, y la materia orgánica se concentra en la porción inferior ( anillo 3 ) empujando el agua durante el equilibrado del sistema hacia el anillo 1.

Esto se confirmó con la medición de la tensión superficial del sobrenadante del suelo en cada anillo después de 24 hs de equilibrio. La tabla 3 muestra los datos de tensión superficial obtenidos para los distintos suelos en cada anillo del sistema después de 24 hs de equilibrio.

Suelo γγ final (mN/m)

anillo Anguil antes

después Castelar antes después

1 2 3 71,0 69,0 70,0 68,4 67,0 68,0 70,0 69,0 70,0 70,0 67,0 67,0

Tabla 3: Tensión superficial del suelo sin surfactante, para contenidos iniciales de agua de 44

%

Como puede apreciarse en esta tabla, el cambio de la tensión superficial en ausencia de surfactante tiene sentido opuesto al encontrado para la fig. 2 (con surfactantes).

Para una explicación concluyente de esto ultimo, es necesario realizar nuevas experiencias que están siendo diseñadas.

CONCLUSIONES

1.- La estabilidad del sistema con suelo se alcanza a tiempos mayores ( 24 hs) que lo observado para los sistemas con arena ( 2 hs ).

2.- El efecto de la materia orgánica, en el movimiento de agua en suelos no saturados producido por el surfactante, coincide con lo encontrado en sistemas de partículas gruesas. En concentraciones iniciales de agua inferiores a un máximo, disminuye la presión capilar por disminución de la diferencia de tensión superficial en el sistema, pero se produce un mayor movimiento de agua y por otra parte, en concentraciones iniciales de agua superiores a dicho máximo se produce un menor movimiento de agua. El contenido de partículas de menor tamaño, en los suelos, produjo un corrimiento del porcentaje de agua inicial máximo en presencia de surfactante.

3.- En ausencia de surfactantes todos los suelos muestran un inversión del sentido del

movimiento de agua para contenidos de agua inicial superiores a los máximos encontrados en

presencia de surfactantes. El apartamiento de la condición de no saturación y el procedimiento

de armado de los sistemas, parecen ser los responsables de la acumulación de materia orgánica

en el anillo 3 y consecuentemente el movimiento de agua hacia el anillo 1. Detalles de esto

último deberán ser confirmados con nuevas experiencias.

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REFERENCIAS

1.- M. Tschapek, C. Wasowski and R. M. Torres Sanchez. Coll. and Surface 3: 295-298 (1981)

2.- M. Tschapek, C. Wasowski and S. Falasca. Coll. and Surface 11: 69-80 (1984)

3.- M. Tschapek, C. Wasowski, R. M. Torres Sanchez and S. Falasca: in Surfactants in solution (ed.K.L.Mittal) vol 10: 441-452 (1988)

4.- M. Tschapek and C. Wasowski. Coll. and Surface.5: 65-73 (1982)

5.- M. Tschapek, C. Wasowski and S. Falasca. J. Disp. Sci. and Techn. 8 (5-6):493-500 (1987)

6.- M. Karkare and T. Fort Langmuir 9: 2398-2403 (1993)

7.- R. M. Torres Sanchez and S. Falasca. Z. fur Pfl. und Bodenkunde 160: 223-226 (1997) 8.- A. Black, D. D. Evans, J. L. White, L.G. Emsminger, F. E. Clarck: in Methods of soil anal.

Amer. Soc. of Agron. Chapter 43. Madison WI (1965)

9.- A.W. Adamson: in Physical Chem. of Surfaces (Interscience, N.Y.)(1967) 10.- M. Karkare and T. Fort Langmuir 12: 2041-2044 (1996)

11.- M. Tschapek, R. M. Torres Sanchez and C. Wasowski. Clays and Clay Min. 37: 589-592 (1979)

12.- R. M. Torres Sanchez, C. Volzone and E. Curt. Z. fur Pfl. und Bodenkunde 140: 220-224 (1994)

13.- M. Tschapek, C. Wasowski and R. M. Torres Sanchez. Plant and Soil 64: 261-267 (1981)

Keywords : surfactants, interfaces, soils, physica properties

Mots clés : surfactants, interfaces, propriétés physiques des sols

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Figura 1: Porcentaje de agua movida en funcion del tiempo (hs) de equilibrio del sistema, con

10

^-2

g de surfactante/100g de suelo para: ( ) Ang. y (Ο) Ang. tratado.

(8)

Figura 2: Esquema general del movimiento de agua. La linea continua indica el contenido de

agua y la tensión superficial iniciales. La linea punteada indica el contenido de agua y tensión

(9)

Figura 3: Porcentaje de agua movida en función del contenido de agua inicial del sistema, con

10

^-2

g de surfactante/100g de suelo para: ( )Cast; ( )Cast tratado; (Ο) Ang. y (Ο) Ang.

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