Caracterización de partículas coloidales en el agua del suelo mediante detección sintonizable de pulsos resistivos
- Autores: María Laura Vázquez Juiz
- Directores de la Tesis: Eugenio López Periago (dir. tes.), Diego Soto Gómez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidade de Vigo ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Sarah Fiol López (presid.), David Fernández Calviño (secret.), Juan Pablo Fuciños González (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Agroalimentaria por la Universidad de Vigo
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Investigo
- Resumen
El suelo es el soporte vital en la tierra emergida y uno de los recursos más importantes de todas las civilizaciones. Su función como soporte vital se debe a su estructura, composición y propiedades, que coevolucionan a lo largo del tiempo con los organismos que lo habitan. La evolución tecnológica a lo largo de la historia ha producido nuevas prácticas en los usos del suelo, nuevos impactos y también se han ido descubriendo nuevos aprovechamientos derivados de la aplicación de nuevas tecnologías. Por ejemplo, los resultados de la revolución verde del siglo XX han impactado profundamente sobre el balance de carbono y la estructura de los suelos degradando algunas de sus funciones. Además, entre los siglos XX y XXI se ha reconocido el papel del suelo en la regulación de la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Por otro lado, en las últimas décadas, también han llegado al suelo micro y nanopartículas que son emitidas al ambiente como consecuencia del uso de los productos que las contienen o procesos de degradación y desgaste de materiales sintéticos.
La estructura de la matriz del suelo es compleja, ya que suele presentar un espacio poroso con diferentes tamaños y geometrías interconectados. Debido a la complejidad de las conexiones que existen entre los poros, y la química de las superficies, la estructura del suelo tiene un papel importante en el transporte y regulación de las reservas de sustancias que intervienen en los ciclos biogeoquímicos globales de los elementos que las componen, agua, carbono, nitrógeno, fósforo, así como de los metales pesados, y los residuos xenobióticos derivados de materiales tecnológicos.
El transporte de solutos en el suelo ha sido estudiado a partir del primer trabajo de Biggar y Nielsen (1961), y hasta la actualidad se ha avanzado mucho, logrando refinamientos en la descripción del mismo acoplándolo a otros mecanismos que tienen lugar en el suelo mediante sofisticados modelos, en una, dos y tres dimensiones (Koestel et al., 2012; Köhne et al., 2009). Sin embargo, la primera publicación sobre el transporte de coloides o material particulado en medios porosos es la de McDowell‐Boyer et al. (1986).
Los contaminantes no disueltos, o adsorbidos a otras partículas, pueden ser transportados a través de la matriz del suelo o moverse a mayor velocidad que los solutos a través de los macroporos, debido a efectos de repulsión electrostática entre coloides, exclusión por tamaño y transporte mediante caminos preferenciales (Grolimund et al., 2001). Además, las partículas pueden llevar adsorbidas en su superficie ciertas sustancias mediante un mecanismo conocido como transporte facilitado por coloides. El movimiento de las partículas a través del suelo es el objeto de estudio de la presente tesis, ya que tiene importantes efectos sobre el medio ambiente y la salud, así como implicaciones ambientales.
Entre los factores que determinan los mecanismos de transporte de coloides a través del suelo predomina el tamaño de partícula. Sin embargo, la determinación precisa del tamaño de partícula en suspensiones polidispersas, esto es, con diferentes tamaños de partícula, es un reto en la investigación del transporte coloidal. Los diferentes métodos establecidos para este propósito tienen sus ventajas y desventajas: el Dynamic Light Scattering (DLS), por ejemplo, presenta limitaciones en la caracterización de suspensiones polidispersas; la cromatografía de exclusión por tamaño no permite la identificación de muestras de bajo volumen y es un método tedioso; y la microscopía electrónica también adolece de la lentitud y el coste. Los métodos más recientes como la citometría de flujo, el fraccionamiento en campo de flujo asimétrico (AFFF), el análisis de imagen mediante vídeo-microscopía y la detección de pulso resistivo sintonizable (Tunable Resistive Pulse Sensing, TRPS) son técnicas prometedoras para el avance del conocimiento de transporte coloidal en suelos, ya que permiten una determinación precisa del tamaño de partículas individuales.
El TRPS es un refinamiento del principio Coulter, que consiste en analizar la perturbación de un campo eléctrico producida por una partícula al atravesar un canal (un nanoporo) que separa dos celdas entre las que se ha establecido una diferencia de potencial eléctrico. Así, mediante calibración, con el TRPS se puede determinar la concentración de partículas coloidales, así como el potencial de superficie individual de cada partícula, lo que permite identificar relaciones entre la distribución de tamaños y la carga eléctrica superficial, ζ.
En esta tesis se plantea la posibilidad de aplicar la técnica TRPS a suspensiones de partículas que atraviesan un medio poroso, la cual permite caracterizar partículas de forma individual y por tanto profundizar en la comprensión del efecto de la polidispersividad en el transporte.
El objetivo general de esta tesis es desarrollar un método basado en el TRPS para contabilizar y caracterizar partículas en experimentos de transporte coloidal, con el fin de obtener información más precisa acerca de los mecanismos de filtración de partículas a través del suelo a partir de datos de la distribución de tamaños. Además, en esta tesis también se pretende evaluar la capacidad que tiene el TRPS para realizar estas medidas (de tamaño, concentración y potencial de superficie) en presencia de ácidos húmicos, con los que se intenta simular el efecto de la materia orgánica disuelta en una suspensión acuosa del suelo. El fin de este experimento es identificar las posibilidades de caracterización de contaminantes particulados transportados en la disolución del suelo.
Para la consecución de los objetivos de esta tesis se realizaron experimentos de percolación utilizando dos tipos de contaminantes particulados: por una parte, microplásticos, que son contaminantes que están siendo objeto de preocupación en los últimos años, y por otro, lodos rojos, residuos de la producción de alúmina, que pueden afectar al medio ambiente teniendo en cuenta la elevada tasa de generación de los mismos y los problemas de filtraciones y reboses en las balsas de almacenamiento.
Se estudió el transporte y la retención de estas partículas mediante experimentos en columnas en condiciones de saturación. Para ello, se determinaron las distribuciones de tamaño y carga de los coloides en las fracciones de percolados obtenidos de las columnas tratando de comprender algunos de los mecanismos implicados mediante modelos de transporte de coloides.
