Un generador simple de polvo para evaluar la capacidad de los suelos de emitir partículas finas

INTRODUCCIÓN

El desafió de la agricultura del futuro es incrementar la producción de alimentos reduciendo el impacto medioambiental y preservando los recursos naturales. Las actividades agrícolas descargan partículas de suelo de diámetro aerodinámico menores que 10 μm (PM10) las cuales afectan negativamente el medio ambiente y la salud humana (Prospero et al., 1983; Larney et al., 1998). Estudios de emisión de PM10 en condiciones de campo son muy costosos y necesitan mucho tiempo y mano de obra para poder llevarlos a cabo. Además, en estudios de campo, las variables climáticas y de suelo no pueden ser controladas. Esto hace, que cada vez sea más frecuente la utilización de generadores de polvo para estudiar las propiedades de los suelos que afectan la emisión de PM10.

Gill et al. (2006) clasifico a los generadores de acuerdo al principio de generación en: 1) Generadores de fluidización (dispersión por gas o ventilación), 2) Generadores gravitacionales (caídas o métodos de impacto) y 3) Generadores de dispersión mecánica o agitación (varillas de rotación o métodos similares). Los generadores de fluidización simulan la descarga directa de las partículas de polvo sueltas en el suelo por suspensión o resuspensión (sin transferir energía mecánica y cinética a la fuente de polvo). Los generadores de gravitación y dispersión mecánica o agitación han sido ampliamente usados para estimar la emisión por erosión eólica, operaciones de labranza y trafico por caminos sin pavimentar. Esta clase de dispositivo transfiere energía mecánica y cinética al material fuente de polvo, creando aerosoles desde la abrasión o fractura causada cuando los granos del material fuente chocan unos con otros y/o el generador de polvo.

El objetivo de este estudio fue desarrollar un generador simple polvo (GSP) de bajo costo construido a partir de materiales comunes disponibles en cualquier laboratorio y que permita evaluar la capacidad de emisión de PM10 de los suelos.

MATERIALES Y MÉTODOS

Descripción del generador simple de polvo (GSP)

El GSP esta compuesto de dos partes: 1) cámara generadora de polvo (CG) 2) cámara deconcentración de polvo (CC) (Figura 1).

La CG esta compuesta de una botella plástica lisa (116 mm de diámetro y 200 mm de alto) dentro de la cual se instalaron 4 paletas plásticas (50 mm de ancho y 200 mm de largo) dispuestas perpendiculares respecto de la superficie de la botella y equidistantes unas de otra. La botella descansa sobre dos cilindros, uno móvil (270 mm de largo y 32 mm de ancho corresponde a una impresora EPSON LQ-500) y el otro fijo (270 mm de largo y 10 mm de ancho). Un motor eléctrico de limpiaparabrisas le imprime el moviendo al cilindro móvil el cual hace girar la botella a 6 r.p.m.

Un orificio de 21 mm de diámetro en la base de la botella permite la entrada de aire al sistema y el ingreso de la muestra de suelo. En el otro extremo, la botella presenta un orificio de 21 mm de diámetro atravesado por un tubo platico (9 mm de diámetro y 200 mm de largo) montado sobre un tapo de goma (este evita el intercambio de aire entre la botella y el exterior). La porción del tubo plástico que se encuentra en el interior de la botella presenta 4 filas de agujeros dispuestas a 90 grados unas de otra alrededor del tubo plástico. Cada fila tiene 3 agujeros de 2 mm de diámetro separados a 15 mm de distancia unos de otro. La porción del tubo plástico que sale fuera de la
botella conecta la CG con la CC.

La CC esta compuesta de una botella plástica lisa (250 mm de largo y 116 mm de diámetro) atravesada transversalmente por un tubo plástico (9 mm de diámetro y 150 mm de largo) con una fila de 8 orificios de 2 mm de diámetro separados a 15 mm de distancia uno de otro. Este tubo plástico conecta la CC con el monitor de PM10 (KANOMAX 3442). En el pico de la botella se conecta un tapón de goma sobre el cual esta montado un tubo de vidrio (8 mm de diámetro y 70 mm de largo) que se introduce en el tubo plástico proveniente desde la CG. Este tipo de conexión permite que la CG gire mientras la CC permanece fija. En la base de la botella se encuentra un tapón sobre el cual se haya montada una manguera que conecta la CC con la bomba de vació que aspira 3.4 litros por minuto.

Funcionamiento del GSP

Se introduce en la CG una muestra de 1.5 g de suelo tamizada por 0.5 mm y se enciende el monitor de polvo, la bomba de vació y el motor eléctrico durante 5 minutos. Las paletas elevan la muestra de suelo que al caer libera las PM10 sueltas y se generan nuevas PM10 producto de la coalición entre los granos de suelo y de estos contra las paredes del generador. El aire cargado de partículas PM10 entra al tubo plástico, que se encuentra en el interior de la CG, sigue por el tubo de vidrio hasta la CC donde el monitor de polvo tomo una muestra de aire a través del tubo plástico que atraviesa la cámara transversalmente. El monitor de polvo registra cada 6 segundos la concentración de PM10 en miligramos por metro cúbico de aire. El aire remanente, cargado de PM10, que queda en la CC es expulsado al exterior por la bomba de vació que dirige la circulación de aire en el sistema.

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Calibración del GSP

Se midió la emisión de PM10 por sextuplicado sobre cuatro suelos de textura franco arcilloso, franco limoso, franco arenoso y arenoso franco para evaluar la sensibilidad y la repetitividad del GSP. A fin de determinar la repetitibidad del GSP se calculo, para cada suelo, la desviación estándar con el programa Microsoft Excel. También se analizó la evolución de la concentración de PM10 con el tiempo (curva de emisión), la concentración de PM10 máxima y la emisión actual. Las fracciones texturales y el contenido de materia orgánica (MO) para cada suelo se encuentran el la tabla 1.
La emisión actual expresada en miligramos de PM10 por gramo de suelo fue calculada con la siguiente ecuación:

donde EPM10 es la emisión en mg de PM10 por gramo de suelo, PM10pro es la concentración promedio en mg PM10 por m3 de aire, VARB es el volumen de aire removido por la bomba de vació en m3 minuto-1 y PMS es el peso de la muestra de suelo en gramos.

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Las diferencias entre suelo en la emisión de PM10 fueron determinadas por medio de ANOVA y la prueba de diferencias de medias LSD calculados con el programa (INFOSTAT).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El GSP es un generador de agitación mecánica, clase “C”, que descarga el polvo libre en la muestra de suelo y genera nuevas partículas de polvo a partir de la fractura producto del choque entre los granos de suelo y de estos con las paredes del generador (Gill et al., 2006). Este clase de generadores de polvo han sido ampliamente utilizados para estimar la emisión de PM10 producto de la erosión eólica, operaciones de labranza y del transito por caminos sin pavimentar (Gill et al., 2006).

Las curvas de emisión de los cuatro suelos analizados presentaron características generales similares (Figura 2). Durante los primeros 3 minutos de ensayo la concentración de PM10 aumento rápidamente en forma lineal hasta alcanzar la máxima concentración de PM10 para luego descender de manera exponencial hasta alcanzar un nivel de emisión constante (zona de estabilización). Estas curvas son similares a aquellas obtenidas con el generador de polvo de energía controlada de Lubbock, donde la concentración de PM10 aumento durante los primeros 90 segundos hasta alcanzar la máxima concentración de PM10 momento a partir del cual la concentración comenzó a disminuir de manera exponencial hasta llegar a la zona de estabilización (Amante-Orozco, 2000).

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Figura 2: Concentración de PM10 en función del tiempo para: a) suelo arenoso franco, b) suelo franco arenoso, c) suelo franco limoso y d) franco arcillo.

A pesar de que las curvas de emisión analizadas presentaron tendencias similares, estas mostraron diferencias en concentración máxima de PM10 y en el tiempo necesario para alcanzar la zona de estabilización. El tiempo para alcanzar la zona de estabilización fue, en el suelo arenoso franco < suelo franco arenoso < suelo franco limoso < suelo franco arcilloso. Los suelos arenosos tienen menor contenido de MO y arcilla (Tabla 1) y como consecuencia de esto presentan menor agregación (Tisdall & Oades, 1982; Skidmore & Layton, 1992). Los suelos menos agregados descargan rápidamente el polvo contenido en los mismos y alcanzan antes la zona de estabilización porque la mayor proporción de las PM10 se encuentran libres en el suelo. En los suelos agregados las PM10 se generan principalmente a partir de las rotura de los agregados haciendo que la descarga de PM10 sea mas lenta que en los suelos poco agregados donde las PM10 están libre en el suelo.

La tabla 2 muestra la máxima concentración de PM10 alcanzada por cada suelo, la emisión actual de PM10 y la desviación estándar de la emisión. Los resultados obtenidos indican que la concentración máxima de PM10 aumenta en la medida que la textura del suelo es mas fina. Sin embargo, la concentración máxima de PM10 para el suelo franco arenoso no se diferenció de la alcanzada por el suelo franco limoso. Estos resultados son explicados por el menor contenido de MO del suelo franco arenoso respecto del suelo franco limoso (Tabla 1). Estudios previos han mostrado que la MO favorece la agregación de los suelos y reduce la emisión de partículas finas (Funk at al., 2008; Madden et al., 2010; Aimar et al., 2011). Al respecto Amante-Orozco (2000) encontró que la concentración máxima de PM10 fue en suelos francos arenosos < francos arcillo arenosos < francos arcillosos. Sin embargo las concentraciones máximas de PM10 reportadas por Amante-Orozco (2000) fueron 40 mg m-3 para suelos arenosos y 45 mg m-3 para suelos francos arcillosos. Estas concentraciones máximas fueron 20 a 25 veces más grandes que aquellas reportadas en nuestro estudio. Estas diferencias podrían ser atribuidas a que en este estudio se utilizo 17 veces menos cantidad de suelo que en el estudio de Amante-Orozco (2000) (1.5 g vs 25 g).

La emisión actual de PM10 se ordeno en la secuencia arenoso franco< franco arenoso< franco limoso< franco arcilloso. Estos resultados coinciden con aquellos de estudios previos donde la emisión de PM10 fue mayor en suelos de textura fina respecto de suelos de textura gruesa (Amante-Orozco, 2000; Carvacho et al., 2004; Funk et al., 2008).

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La desviación estándar (SD) de la emisión actual de PM10 vario entre 10 y 13%, siendo mayor en los suelos franco arenoso y franco arcillosos que en los suelos arenosos francos y francos arcillosos (Tabla 2). Parte de la SD de debió a la variabilidad en la composición del suelo y a las deficiencias en la operación del generador de polvo. Las deficiencias en la operación del generador incluyen errores en la pesada de las muestras, cambios en el caudal de aire, cambios en la velocidad de rotación del generador, ente otros posibles errores. La SDs obtenidas en este estudio fueron similares a aquellas obtenidas en estudios previos, en los cuales se utilizaron otros tipos de generadores. Por ejemplo, Amante-Orozco (2002) reporto desviaciones estándares de 8 a 24 % para suelos entre franco arenoso fino y suelos franco arcilloso. Funk et al., (2008), usando una cinta transportadora para generar partículas de polvo y un túnel de viento reporto SDs de 6 % para suelos arenosos y 20 % para suelos arcillosos.

CONCLUSIÓN

El GSP es un generador clase “C” de bajo costo que podrá ser reproducido en cualquier parte del mundo utilizando materiales comunes disponible en todos los laboratorios de suelo. El GSP proporciona mediciones de la emisión de PM10 confiables y con buena repetitibidad. Las mediciones de emisión de PM10 obtenidas con el GSP siguen tendencias similares a las emisiones de PM10 medidas con otros generadores sobre suelos de textura similar.

AGRADECIMIENTOS

Este estudio fue financiado por el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Argentina (CONICET), la Agencia Nacional de Promoción Científica y Técnica, Argentina (ANPCyT), Universidad Nacional de La Pampa, Argentina (UNLPam) y el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria, Argentina (INTA).

BIBLIOGRAFÍA

Amante-Orozco, A, 2000. Fine particulate matter generation under controlled laboratory and wind tunnel conditions. A dissertation in Agronomy. Submitted to the Graduate Faculty of Texas Tech University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy, December 2000 198 pp.
Aimar, SB, MJ Mendez, R Funk & DE Buschiazzo. 2011. Soil properties related to potential particulate matter emissions (PM10) of sandy soils. Aeolian Research. Elsevier. In Press. DOI: 10.1016/j.aeolia.2010.12.001.
Carvacho, OF; LL Ashbaugh; MS Brown & RG Flocchini. 2004. Measurement of PM2.5 emission potential from soil using the UC Davis resuspension test chamber. Geomorphology 59, 75–80.
Funk, R; HI Reuter; C Hoffmann; W Engel & R Öttl. 2008. Effect of moisture on fine dust emission from tillage operations on agricultural soils. Earth Surf. Proc. Land. 33 (12), 1851–1863.
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Prospero, JM; RJ Charlson; V Mohnen; R Jaenicke; AC Delany; J Moyers; W Zoller & K Rahn. 1983. The atmospheric aerosol system: an overview. Rev. Geophys. Space Phys. 21, 607– 1629.
Skidmore, EL & JB Layton 1992. Dry-soil aggregate stability as influenced by selected soil properties. Soil Sci. Soc. Am. J. 56, 557–561.
Tisdall, JM & JM Oades 1982. Organic matter and water-stable aggregates in soils. J. Soil Sci 33, 141–163.