Oxidos metálicos en suelos: los efectos de la hematita y la magnetita

Si bien es cierto que la hematita y la magnetita se conocen principalmente como fuentes de hierro, hay una serie de casos de uso utilizados para mejorar y remediar los suelos. Magnetita y hematita de calidad superior, fresados según cualquier especificación, están disponibles en Pegmatite africano

Introducción al hierro en suelos

El suelo puede, naturalmente, ser alto en contenido de hierro. Los suelos que tienen un fuerte color rojo o naranja son a menudo ricos en hierro, debido a la presencia de óxidos naturales de hierro como pirita, magnetita o hematita. Estos óxidos, mientras que todos los óxidos del mismo metal base, pueden impartir propiedades salvajemente diferentes al suelo más allá del color. Tales fenómenos serán discutidos a continuación. Importante tener en cuenta es el potencial del hierro, en cualquier estado de oxidación, para ser reducido u oxidado en condiciones relativamente leves por la presencia de ciertos tipos de bacterias(1). Los compuestos de hierro se han añadido durante mucho tiempo a los suelos. En los suelos, debido a que el óxido de hierro está tan disperso en relación con otros compuestos y el propio suelo, estos óxidos de hierro cuando se obtienen del suelo no se consideran útiles para la producción de hierro/acero(2).

Magnetita en suelos

La magnetita es una forma de óxido de hierro, Fe₃O₄, que posee hierro único en los estados de oxidación Fe²⁺ y Fe^3+. Con la forma de una espinela inversa, sus propiedades magnéticas son muy valoradas. La adición de magnetita al suelo es ventajosa, ya que más tarde se puede eliminar fácilmente mediante el uso de imanes. Puede ocurrir naturalmente en el suelo, o añadirse como un agente de tratamiento del suelo.

La función principal de Magnetite como aditivo en los suelos es catalizar la degradación de los contaminantes en el suelo. Estos contaminantes incluyen, entre otros, contaminantes industriales, compuestos orgánicos aromáticos y otros. La composición del suelo es un factor importante a la hora de elegir qué plantar en el suelo, por lo que es importante eliminar los contaminantes siempre que sea posible.

Tratar con suelos contaminados

La magnetita es útil en la eliminación de otros metales pesados del suelo contaminado, con un estudio que informa de la inmovilización/eliminación efectiva de metales, incluyendo cadmio, plomo y uranio a través de la aplicación de ca. 1.5 nanopartículas de magnetita de peso(3). Este estudio afirma que la magnetita tiene fuertes propiedades de adsorción a otros metales, y puede ser útil en la eliminación in situ de contaminantes de suelos contaminados. La cloración reductiva de etilenos clorados, como el tricloroetileno y el cloruro de vinilo, se ha demostrado a partir de suelos a escala de laboratorio(4). La decloración siguió a una vía de tipo hidrólisis, que fue acelerada por un factor de diez por la adición de Fe²⁺ de magnetita. La magnetita también se ha utilizado para la reducción del nitrobenceno de los suelos, asociado con la escorrenca industrial, y se ha sugerido que el aumento de estequiometría de magnetita puede reducir el nitrobenceno en ausencia de Fe²⁺totalmente soluble (5). Se puede utilizar para estabilizar el exceso de arsénico en los relaves mineros(6), aunque en la mayoría de los casos de eliminación de la contaminación por arsénico del suelo/relaves, la adición de zinc ayuda al proceso en términos de eficiencia(7).

Otras vías que utilizan magnetita en la ayuda de inmovilizar metales pesados en los suelos incluyen donde la magnetita ha sido tratada con un revestimiento almidonado. Esta magnetita recubierta se aplicó a sistemas de suelo arenoso controlado que tiene concentraciones de arsénico de 31,45 mg kg^-1. El sistema combinado de magnetita y almidón fue capaz de eliminar alrededor del 93% de las moléculas que contienen arsénico y reducir la lixiviabilidad en más del 83%(8). Estudios similares - aunque en ausencia de la resina almidonada - han demostrado que la magnetita en el suelo puede eliminar eficazmente más del 90% de los residuos de arsénico e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) cuando se utilizó tan solo un 1% por magnetita de peso(9).

Además de los etilenos clorados, la eliminación de otros desechos industriales que pueden catalizar se puede catalizar por magnetita incluyen procesos que eliminan los hidrocarburos aromáticos policíclicos, n-alcanos y residuos de aceite refractario como contaminantes del suelo. Se han demostrado procesos de degradación de oxidación de persulfato y persulfato similares al fenton catalizados por magnetita molida en el suelo(10). Los estudios han demostrado que los catalizadores de hierro (ii) más complejos se superan simplemente mediante el simple uso de magnetita en polvo en la eliminación de hasta el 90% de los contaminantes del petróleo crudo del suelo en tan solo siete días, favorablemente en comparación con sólo el 15% de la eliminación de contaminantes para un catalizador de hierro obtenido comercialmente(11).

El uso de Magnetitas para aliviar la contaminación de los suelos de la escorrencíta industrial y agrícola es particularmente valorado debido a su falta de toxicidad humana o animal. Otros subproductos industriales que a menudo se encuentran en los suelos incluyen fenoles e hidrocarburos aromáticos relacionados, la eliminación de los cuales es catalizado por polvo de magnetita bajo luz ultravioleta. La reducción de Fe³⁺ a Fe²⁺ es la explicación principal del proceso catalítico. En particular, este proceso no se ve mejorado por la magnetita que está en forma de nanopartícula(12). Los fosfatos son contaminantes conocidos para los suelos que comúnmente ocurren por la lixiviación de plantas tratadas con fertilizantes tipo NPK. Biochar es un material orgánico producido por la combustión de pequeños desechos orgánicos como residuos agrícolas y forestales peletizados - a menudo se mezcla en solís para mejorar sus propiedades en términos de estabilidad y disponibilidad orgánica. Biochar que ha sido recubierto con magnetita en polvo se ha demostrado experimentalmente - en el laboratorio y en el campo - para eliminar el exceso de fosfatos del suelo a una velocidad de 3,38 mg de fosfato por gramo de biocarga recubierta(13). Esto representa una reducción en la lixiviación de fosfato de alrededor de dos tercios en comparación con el suelo no tratado.

Magnetita y vías biológicas en el suelo

La metanogénesis es un fenómeno natural en suelos anóxicos que es la etapa final en la descomposición de la materia orgánica - por lo tanto, para formar el propio suelo. El proceso puede considerarse ampliamente como la "fijación" biológica de dióxido de carbono y metanol en el suelo - ambos se transforman a través de la ayuda de organismos bacterianos al metano. El metano producido es una proporción significativa de acumulaciones de gas natural acumuladas. Investigaciones recientes sobre esta área han sondeado aditivos al suelo ya existente que pueden acelerar la vía de la metanogénesis - estudios experimentales en el laboratorio han añadido magnetito y carbono activado granular a las comunidades microbianas y han demostrado que la magnetita aumenta la metanogénesis (y por lo tanto produjo metano) en casi un 20%(14). Los investigadores informaron que la presencia de magnetita activó ciertas funciones de activación del gen.

Conversión de magnetita a maghemita y otros óxidos de hierro

La maghemita, γ-Fe₂O_3,se forma cuando la magnetita está expuesta a temperaturas en la región de 350 - 400 °C, o cuando está en condiciones de oxidación. Algunos suelos naturalmente ricos en magnetita pueden contener cantidades moderadas a altas de maghemita, como las que se encuentran en climas tropicales. La magnetita no es estable en suelos húmedos durante largos períodos de tiempo, convirtiéndose en magnemite(15).

Además, la magnetita puede reaccionar con nitritos en suelos(16). Tales nitritos son a menudo componentes de fertilizantes, y si la magnetita está presente llevando iones Fe³⁺ en presencia de nitrito, puede eliminar el nitrato del suelo, eventualmente reduciéndolo a óxido nítrico y luego al gas de óxido nitroso, que sale del suelo. La desnitrificación del suelo no es ideal, ya que provoca la fijación de más nitrógeno en el suelo, según el ciclo del nitrógeno. En suelos derivados de esteato, la magnetita se puede convertir en hematita(17), durante la formación del suelo.

Hematita en suelos

Al igual que la magnetita, la hematita es un óxido de hierro y tiene la fórmula Fe₂O_3. La hematita no es magnética, por lo que no se elimina fácilmente de los suelos a los que se ha añadido. También puede ocurrir naturalmente en el suelo.

La hematita es el óxido de hierro más frecuente presente en el suelo, como tal, también es la mayor fuente de hierro para la producción de hierro/acero. Los suelos lateríticos ricos en hematita se utilizan a menudo como componentes en ladrillos y otros materiales de construcción en el mundo en desarrollo, mostrando una fuerte coloración roja. La hematita también está presente en suelos bauxéticos junto con la alúmina, que también son los principales componentes del "barro rojo", el flujo de residuos del proceso de Bayer(18).

suelo enriquecido con polvo de magnetita

Tratamiento de suelos contaminados

Al igual que su prima magnetita, la hematita es también un buen aditivo del suelo para la eliminación de contaminantes nocivos o potencialmente dañinos. Tal ejemplo de hematita es la reducción de la concentración de arsénico en los suelos utilizados para el crecimiento del maíz. El maíz es un importante producto agrícola, que llega a miles de millones de seres humanos cada día. El arsénico es tóxico para la vida humana, y también ralentiza el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, es crucial eliminar el arsénico del suelo. Un estudio aplicó entre 0 y 0,2 peso% nanopartículas de hematita a suelo contaminado con contenido de arsénico de entre 0 y 96 mg kg^-1. Se encontró que la cantidad de absorción de arsénico en las raíces y hojas de las plantas de maíz se redujo significativamente cuando el suelo había sido tratado con hematita(19). Se encontró que la hematita estaba 'inmovilizando' el arsénico, impidiendo la astodota. Cuando se utiliza en suelos que también son altos en alúmina, se ha encontrado que la hematita es más eficaz en la inmovilización del arsénico(20).

Un estudio más amplio examinó los efectos en general de la hematita presente en el arsénico que contiene el suelo sobre las tasas de eficacia de las bacterias presentes y se encontró que cuando el gramo bacterias negativas Pseudomonas jinjuensis se utilizó en las pruebas, la presencia de hierro que contiene compuestos como la hematita impulsó las actividades de la bacteria por un modesto - pero notable - 8% (21)

La hematita también se ha utilizado como parte de un biocargado magnético formado a partir de él y madera de pino, que se utilizó para eliminar el arsénico de los suelos, y es particularmente útil ya que el biocargado de hematita cargado de arsénico se puede eliminar usando imanes(22). El é-Fe₂O₃ en la hematita era el arsénico 'esponja'.

Otros contaminantes potencialmente dañinos para los suelos incluyen cromo, incluido el cromo hexavalente tóxico (cromo-vi). Existen métodos para 'fijar' el cromo en el suelo para evitar el lavado y/o la lixiviación, pero se han desarrollado enfoques para inmovilizar y luego reducir el cromo(vi). Utilizando biocarga tratada con hematita (ver antes para una breve introducción a la biocarga), la reducción del cromo(vi) aumentó del 28% al 39%(23). El biocargado recubierto de hematita fue particularmente eficaz en la inmovilización del cromo cuando Pseudomonas putida estaba presente - la tasa de liberación de cromo del suelo biochar se redujo en más de un 50%. Un estudio no relacionado examinó el efecto de la presencia de hematita en la tasa de metandrogénesis catalizado de bacterias en barro rojo(24). El estudio reveló que la producción de metano aumentó alrededor de un 35% en presencia de hematita en relación con el control, con cationes multivalentes proporcionados por la hematita promoviendo la formación de agregados compactos (aumentando así la fuerza del suelo) y también permitiendo transferencias activas de redox.

Se ha demostrado que el fosfato y el glifosato, componentes de fertilizantes y herbicidas industriales respectivamente, son adsorados en el suelo por hematita(25). Curiosamente, cuando la hematita se hidrata para practicar goethita o ferrihidrita, la adsorción favorece el fosfato, mientras que la hematita no hidratada favorece al herbicida. Cabe señalar que el glifosato es un carcinógeno sospechoso y es tóxico para la vida acuática - por lo tanto, la escorrenión debe ser minimizada. Se ha demostrado que los residuos de cobre, cadmio y fósforo se tratan en arrozales donde el suelo había sido tratado con hematita - los autores observaron que la presencia del óxido de hierro limitaba el potencial general de redox del suelo, mejora de la inmovilización de Cu y Cd y disminución de la disponibilidad de fósforo en general(26).

El petróleo/aceite desgastado que contiene suelo se considera difícil de corregir - esto plantea un problema, ya que la descomposición natural de tales materiales en el suelo toma períodos significativos de tiempo, al tiempo que permite la exposición potencial a materiales dañinos. El tratamiento externo de los casos más graves es posible mediante la combinación de pirólisis con un aditivo mixto de carbono y hematita en la capa superior del suelo. La investigación ha demostrado que en condiciones de laboratorio, el suelo pirolícido con tan solo un 5% de hematita en peso fue capaz de reducir la cantidad de asfaltos, resinas e hidrocarburos poliaromáticos en un 68%, 52% y 67%, respectivamente(27).

Hematita y ácidos húmicos

Los ácidos húmicos son una amplia clase de compuestos orgánicos que se encuentran en el humus, el componente principal del suelo. La retención de metales pesados está relacionada con la concentración de ácido húmico, especialmente cuando se considera la hematita como un método de eliminación de dichos metales pesados. Se dice que la adsorción de ácido húmico a la hematita disminuye con el aumento del pH, con otros materiales coordinando preferentemente. Pero, en estos sistemas, el ácido húmico conduce a una mejor adsorción de metales pesados (y tóxicos) como el cadmio(19). Estos efectos se observan de una manera diferente con torio en pruebas de laboratorio(20), donde el exceso de ácido húmico no mejoró la adsorción de torio a la hematita.

Aditivos del suelo/Suelo deficiente en hierro

La deficiencia de hierro en el suelo puede ser un problema que afecta profundamente a las plantas. Típicamente, esto ocurre cuando el pH del suelo es superior a 6.5. La adición de hierro al suelo no es una solución rápida a menos que el hierro esté biológicamente disponible, es decir, en una forma quelada. La magnetita y la hematita no están biológicamente disponibles y, por lo tanto, el tratamiento del suelo que contiene plantas sospechosas de ser deficientes en hierro es inútil.

Consultoría de óxido de manganeso

La hematita y la magnetita son óxidos de hierro que se pueden encontrar naturalmente en los suelos y/o se añaden a ellos
Estos óxidos de hierro ofrecen las propiedades de los suelos, incluyendo la durabilidad (de ahí su uso en materiales de construcción) y a menudo coloración intensa
Son aditivos viables del suelo con el potencial de eliminar -o catalizar la eliminación- de contaminantes indeseables del suelo como hidrocarburos poliaromáticos, residuos aceitosos, arsénico y otros metales pesados, incluido el cadmio
En algunos casos, la magnetita y la hematita en los suelos son beneficiosas para la descomposición orgánica y/o biológica de materiales en el suelo, incluso a través de la metanogénesis
El contenido de hierro en los suelos debe modularse para garantizar que no surjan problemas a partir de la escorrentía en los cursos de agua, y para garantizar que la fijación de nitrógeno en los suelos no disminuya indebidamente

Tanto la hematita como la magnetita tienen una gran cantidad de usos en el mundo del tratamiento y la mejora del suelo. Crucial para su eficacia es asegurar que la hematita y la magnetita son la mejor calidad suministrada - como la que está disponible en pegmatita africana, el socio mineral.

Referencias

1 S. Xu et al., Env. Sci. Tech., 2016, 50, 2389

2 Daniel Hillel (ed.), Enciclopedia de Suelos en el Medio Ambiente,Elsevier, Amsterdam, 2005

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6 K.-K. Kim et al., J. Geoquímica. Explor., 2012, 113, 124

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Oxidos metálicos en suelos: los efectos de la hematita y la magnetita

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