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

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).

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Magnetita En Suelos

La magnetita es una forma de óxido de hierro, Fe3O4, que posee hierro único en los estados de oxidación Fe2+ y Fe3+. 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.

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Manejo de 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).

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 la oxidación de peróxido similar al fenton y persulfato catalizados por magnetita molida en el suelo(8). Los estudios han demostrado que los catalizadores de hierro ii) más complejos se ven superados simplemente utilizando magnetita en polvo para eliminar hasta 90 contaminantes de petróleo crudo del suelo en tan solo siete días, en comparación con sólo 15 de la eliminación de contaminantes para un catalizador de hierro obtenido comercialmente(9).

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 en forma de nanopartículas(10).

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Conversión de magnetita a maghemita y otros óxidos de hierro

La maghemita, la Maghemita2O3,se forma cuando la magnetita se expone a temperaturas en la región de 350-400 oC, o cuando se encuentra 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 marcos de tiempo, convirtiéndose en magnemita(11).

Además, la magnetita puede reaccionar con nitritos en los suelos(12). 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 esteatitas, la magnetita se puede convertir en hematita(13), durante la formación del suelo.

Hematita en suelos

Al igual que la magnetita, la hematita es un óxido de hierro y tiene la fórmula Fe2O3. 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 belinóticos junto con la alúmina, que también son los principales componentes del "lodo rojo" - la corriente de residuos del proceso Bayer(14).

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 nanopartículas de hematita de peso al suelo contaminado con contenido de arsénico de entre 0 y 96 mg/kg. Se encontró que la cantidad de ingesta de arsénico en las raíces y hojas de las plantas de maíz se redujo significativamente cuando el suelo había sido tratado con hematita(15). 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(16). La hematita también se ha utilizado como parte de un biocarbón 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 biocarbón de hematita cargada de arsénico se puede eliminar usando imanes(17). El é-Fe2O3 en la hematita era el arsénico 'esponja'.

Se ha demostrado que el fosfato y el glifosato, componentes de fertilizantes y herbicidas industriales, respectivamente, se adsorgran en el suelo por hematita(18). 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.

suelo enriquecido con hematita en polvo

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 de 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.

polvo de hematita en forma de roca
polvo de magnetita en forma de mineral

Resumen

  • 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 el arsénico y otros metales pesados
  • 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
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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

3 A. M. Guettner et al., J. Nanopart. Res., 2011, 13, 2387

4 Woojin Lee y Bill Batchelor, Environ. Sci. Technol., 2002, 36, 5147

5 C. A. Gorski y M. M. Scherer, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 3675

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

7 W. Yang et al., Water Res., 2010, 44, 5693

8 K. Hanna et al., Chemosphere, 2012, 87, 234

9 P. Faure et al., Fuel, 2012, 96, 270

10 D. Vione et al., Appl. Catal. B: Medio ambiente, 2014, 154, 102

11 H. J. M. Morrás et al.,Physica B Cond. Materia, 2004, 354, 373

12 P. Dhakal et al., Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 6206

13 G. P. Santana et al., R. Bras. Ci. Solo, 2001, 25, 33

14 E. Eiche, Procesos de Movilización de Arsénico en el Delta del Río Rojo, Vietnam,KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, 2009

15 M. R. Neyestani et al., Int. J. Env. Sci. Tecnología., 2017, 14, 1525

16 Y. Jeong et al., Chem. Eng. Proceso., 2007, 46, 1030

17 B. Gao et al., Bioresource Tech., 2015, 175, 391

18 A. L. Gimsing y O. K. Borggaard, Clays Clay Miner., 2007, 55, 108
19 A. P. Davis y V. Bhatnagar, Chemosphere, 1995, 30, 243

20 V. Moulin et al., Environ. Sci. Technol., 2005, 39, 1641