Evaluación del potencial del carbón para su uso como fertilizante con micronutrientes para el suelo

• Autores: Joaquin Romero López
• Directores de la Tesis: Javier Pallarés Ranz (dir. tes.), Antonia Gil Martinez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos García Izquierdo (presid.), Alicia Valero Delgado (secret.), Carlos Herce Fuente (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad de Zaragoza
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• Resumen

  • RESUMEN Y CONCLUSIONES GENERALES La investigación realizada en esta tesis doctoral ha permitido examinar los procesos de extracción de sustancias húmicas a partir de carbón y de activación de las mismas para aumentar su capacidad de complejación. A través de dicha investigación ha sido posible determinar la viabilidad y potenciales beneficios de las sustancias húmicas activadas como materia prima para la fabricación de fertilizantes ecológicos y desarrollar un nuevo fertilizante con metales complejados.

    Si bien el uso de sustancias húmicas ha sido extensamente analizado en el pasado, el proceso de extracción a partir de carbón es mucho menos conocido, a pesar de que nuevos usos del carbón podrían presentar grandes beneficios para la sociedad, teniendo en cuenta el abandono de su uso como fuente de energía en las zonas mineras. Además, la extracción de sustancias húmicas a partir de carbón presenta algunas particularidades beneficiosas respecto otros procesos de obtención de sustancias húmicas como son el aprovechamiento de una fuente origen natural frente o la circularidad económica en el proceso de extracción. En este trabajo se han desarrollado dos procedimientos industriales, uno para la extracción de sustancias húmicas a partir del carbón y otro para la activación de las mismas con la finalidad de aumentar su capacidad de complejación de micronutrientes. Ambos procedimientos han sido patentados (WO2018/073463 y WO2018/015586) y se ha obtenido un nuevo producto fertilizante, actualmente utilizado por Fertinagro Biotech para la corrección de clorosis férrica en los cultivos.

    En este capítulo se resumen los principales resultados derivados de cada una las fases del presente trabajo, así como las conclusiones globales que estos han permitido extraer.

    EXTRACCIÓN DE SUSTANCIAS HÚMICAS En primer lugar, se realizó un estudio del estado del arte sobre la naturaleza de las sustancias húmicas y las ventajas de sus diferentes usos, haciendo especial énfasis en los agrícolas. El uso de las sustancias húmicas en la agricultura viene de tiempo atrás, ya que la aplicación de materias orgánicas y sustancias húmicas correlacionaba con mejoras en la calidad y cantidad de las cosechas, aun cuando no se podía explicar con precisión las causas de dichas mejoras. El porqué de ese beneficio siempre ha sido achacado a la mejora de la calidad de suelo, sin embargo, no se había profundizado en la compleja estructura de las sustancias húmicas y sus funciones.

    La presente investigación se ha llevado a cabo en las instalaciones que Fertinagro tiene en Utrillas, zona tradicionalmente minera, y empleando carbón de la zona de las Cuencas Mineras de Teruel.

    Los experimentos preliminares demostraron que se obtenían extractos húmicos tras un tratamiento del carbón con un agente oxidante. Las sustancias húmicas obtenidas por oxidación a partir del carbón contienen ácidos húmicos y fúlvicos de naturaleza similar a los obtenidos por procesos naturales y los procesos experimentales de laboratorio, si bien existen dificultades adicionales que se tuvieron que afrontar para poder implementar el proceso a nivel industrial, identificando los siguientes puntos críticos:  Agente oxidante a utilizar en la reacción. Este debe de ser una sustancia carente de peligrosidad tanto a nivel industrial como a nivel medioambiental, ya que en muchos trabajos propuestos en laboratorio se utilizan solventes que no se pueden emplear a nivel industrial.

     Los tiempos de reacción para la obtención de las sustancias húmicas, debiéndose buscar el equilibrio entre coste y rendimiento del proceso.

     Tamaño de partícula. Este puede tomar un papel relevante si no es el adecuado, ya que no se daría una reacción de extracción completa, reduciendo el rendimiento con el mismo tiempo de ejecución.

    Al margen de estos aspectos operacionales que se tuvieron en cuenta en el proceso de optimización, hay que reseñar que en la bibliografía se describen procesos de extracción a nivel de laboratorio donde el principal objetivo es la selectividad de los ácidos húmicos y fúlvicos frente a la reducción del tiempo de proceso que junto con el porcentaje de extracción es el objetivo en las patentes estudiadas en este trabajo.

    En este trabajo se han estudiado las opciones de empleo de diferentes solventes descritos en bibliografía, pero teniendo en cuenta que el proceso tenía que ser industrializable. Por ello se optó por utilizar el peróxido de hidrógeno como agente extractante sobre el carbón, que previamente había sido tratado para la reducción de su tamaño de partícula. Se han conseguido extractos de hasta un 80% de contenido en masa además de la obtención de la patente IMPROVED PROCEDURE OF EXTRACTION OF HUMIC SUBSTANCES FROM COAL, con número de referencia WO2018/073463 pendiente de la concesión.

    El proceso desarrollado consta en primer lugar de un cribado de las sustancias húmicas tras molturación en fase sólida, para ya posteriormente llevar a cabo una molturación en fase líquida pasando de un tamaño de partícula de 4,5 mm a 1,7 mm. Posteriormente se realiza un tratamiento mediante ultrasonidos, llegando a un tamaño de partícula de 0,02 mm. En este punto el carbón ya tiene el tamaño adecuado para ser oxidado por medio de peróxido de hidrógeno y ser sometido a radiación visible para potenciar con el efecto fotoeléctrico la oxidación del carbón, y así, por lo tanto, su transformación en sustancias húmicas.

    ACTIVACIÓN DE LAS SUSTANCIAS HÚMICAS PARA LA POTENCIACIÓN DE LA COMPLEJACIÓN DE MICRONUTRIENTES.

    Las sustancias húmicas, además de la capacidad de mejorar las características físicas del suelo, pueden complejar metales como el hierro, cinc, manganeso, etc. En mayor o menor medida, los cultivos agrícolas requieren de diferentes cantidades de micronutrientes en función de la fase de crecimiento y condiciones ambientas. Si las plantas no consiguen las cantidades de micronutrientes que necesitan, estas sufren carencias que pueden provocar disminuciones de rendimientos y calidad de las cosechas, e incluso la muerte de la planta, si no son corregidas.

    Por otra parte, la adición de estos micronutrientes al suelo y su absorción por las plantas no es tarea fácil, ya que existen condicionantes, como el pH del suelo, que pueden bloquear el micronutriente en el suelo e impedir su absorción por las mismas. En este trabajo se ha buscado una nueva solución, utilizando las sustancias húmicas como agentes complejantes de micronutrientes. En la actualidad existen en el mercado sustancias sintéticas que realizan la función de proteger al metal en el suelo y que la planta pueda disponer de él, pero no son aptas para la agricultura ecológica. La vida media de estas sustancias sintéticas es muy alta y quedan depositadas en el suelo reteniendo otros metales.

    Por todo esto en este trabajo se ha realizado un estudio estadístico, basado en el diseño de experimentos para evaluar los factores que afectan en la complejación conjunta del hierro, manganeso y zinc. Estos factores han sido:  La concentración de sustancias húmicas.

     El tamaño de partícula.

     El pH en la primera fase como en la segunda.

     El tiempo de reacción en ambas etapas.

     La temperatura.

     La concentración de micronutriente a complejar.

    El proceso consiste en la mezcla de una concentración conocida de sustancias húmicas (entre un 10 y un 40%) con una concentración de hierro, manganeso y zinc. Previamente las sustancias húmicas son molturadas a diferentes tamaños para determinar el efecto del tamaño de partícula sobre la complejación, en un rango de tamaño entre 10 µm y 700 µm. En una primera etapa, se lleva a cabo la reacción a un pH entre 8 y 11, durante un tiempo entre 1 y 48 horas a una temperatura entre 15°C y 75°C.

    Una vez transcurrida la primera reacción, se modifica el pH en una segunda reacción (pH entre 11 y 14), durante un tiempo también de entre 1 y 48 horas y una temperatura de reacción entre 15°C y 75°C.

    Los resultados obtenidos muestran que la complejación del hierro previa activación es viable, llegando a valores de hasta un 70% de hierro complejado. Teniendo en cuenta que el proceso de complejación se lleva a cabo en gran parte en la primera reacción, tal y como muestra el estudio estadístico, los factores de pH y tiempo en la primera reacción son los que más afectan al proceso junto a la concentración inicial de sustancias húmicas y la concentración inicial de micronutriente en la cantidad de metal complejado.

    Para el manganeso, el porcentaje de complejación no alcanza valores superiores al 45% y los factores que influyentes en el porcentaje de complejación son el pH de la primera reacción y el tiempo de la misma junto con la concentración inicial de manganeso.

    Por último, para el cinc, no se han obtenido resultados concluyentes sobre los factores de influencia para la complejación, ya que el estudio concluía que ninguno de los factores tenía significancia estadística. Las posibles causas son:  Que el rango de los factores seleccionado queda fuera de los que el cinc necesita.

     Que exista un efecto fisicoquímico del cinc en presencia de otros metales que haga que el cinc no pueda complejarse.

    Tanto si el origen está en una o ambas posibles causas, es necesario continuar la investigación en el futuro.

    Este proceso también ha sido patentado: METHOD FOR OBTAINING HUMIC ACIDS WITH HIGH CAPACITY FOR COMPLEXING METAL IONS AND PRODUCT OBTAINED USING SAID METHOD con número de referencia WO2018/015586, también esperando la concesión.

    El nuevo fertilizante obtenido en este trabajo se denomina Topiron, que contiene hierro complejado por sustancias húmicas.

    ENSAYOS DE EFICACIA DEL NUEVO FERTILIZANTE En un primer momento se efectuaron pruebas en cámara de cultivo, donde se obtuvieron respuestas en un periodo breve de tiempo, analizándose el contenido en hierro en plantas de maíz sometidas a un ensayo que combina cultivo hidropónico y crecimiento en tiesto. Los resultados en cámara de cultivo demostraron que el producto diseñado en este trabajo tenía la capacidad de corregir la carencia del hierro al mismo nivel que un quelato sintético, aunque la respuesta sea más lenta en el primero.

    Una vez validado el producto en cámara de cultivo, se realizó un ensayo en campo con cultivo de berenjena, comparando un control sin tratar, un tratamiento con un quelato sintético y un tratamiento con el nuevo producto. Los resultados demuestran que el nuevo fertilizante basado en sustancias húmicas es más eficiente en la corrección de la carencia de hierro con un aumento sobre el control de hasta tres veces y un 17% sobre el quelato comercial, aumentando además un aumento en la productividad de más de un 18% sobre el quelato sintético.