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Propuesta metodologica para determinar el potencial de humedad de un material granular a partir de la humedad relativa.

1. INTRODUCCION

Un material granular puede ser cualquier sustancia inerte o no, compuesta por particulas de diferente tamano, forma y composicion quimica. En ese sentido un suelo, un fertilizante o un volumen de granos o particulas de cualquier material son considerados como materiales granulares. Se define un volumen de material granular como una masa porosa, constituida por particulas de diferente tamano agrupadas de tal forma que permiten la existencia de un espacio intersticial, llamado tambien inter granular. (Puzzi, 1986).

La higroscopicidad es una propiedad que poseen los materiales granulares que depende de la porosidad del material y esta definida como la capacidad para absorber o ceder la humedad del ambiente que lo rodea. El equilibrio higroscopico ocurre cuando una masa de material granular con un contenido de humedad dado, alcanza el equilibrio con el aire, a una determinada humedad relativa y a una misma temperatura. Bajo estas condiciones se obtiene la humedad relativa de equilibrio (HRE) en el aire y la humedad relativa de equilibrio (HE) en el producto.

La higroscopicidad condiciona el comportamiento de algunos materiales, por ejemplo en un volumen de granos almacenados, la capacidad de preservacion de estos depende de la interaccion entre variables fisicas, quimicas y biologicas, algunas de los cuales dependen principalmente del medio que los rodea. En este sistema el equilibrio se alcanza cuando el aire y el material granular igualan sus presiones de vapor, de tal manera que no hay migracion de la humedad en ningun sentido. En los fertilizantes, una higroscopicidad elevada facilita la disolucion de los mismos. En los suelos, la capacidad higroscopica esta intimamente relacionada con el crecimiento de las plantas por su capacidad para retener o ceder la humedad. (Kramer, 1982).

Es importante resaltar que la humedad de un suelo se encuentra en una condicion de equilibrio con la humedad relativa del aire que lo rodea. (Wild, 1992)

En los granos de las diversas especies de cereales, oleaginosas y otros de naturaleza higroscopica; el contenido de humedad varia de acuerdo a las condiciones de temperatura y humedad relativa del medio ambiente donde se encuentran.

En los suelos, la humedad higroscopica se define como el contenido de agua que se obtiene al establecer la diferencia de peso entre un suelo seco al aire, y un suelo secado en estufa a 105 110 [grados]C, referido al peso seco y expresado en porcentaje (Fairbridge, 1979). Tambien se expresa como la maxima cantidad de agua que pueden absorber las particulas del suelo por medio de las fuerzas de adsorcion, al ponerse en contacto con una atmosfera saturada de vapor de agua (humedad relativa del 100%), a una temperatura determinada. (Hillel, 1998).

La cantidad de humedad higroscopica en un material granular varia con el porcentaje de saturacion de humedad de la atmosfera. Cuando un material granular se encuentra en equilibrio con una atmosfera perfectamente seca, la humedad higroscopica desaparece por completo pero aumenta a medida que se incrementa la humedad relativa (Robinson, 1960).

La humedad higroscopica expresada como agua higroscopica se presenta en forma de delgadas capas de agua. Debido a esa disposicion un material granular puede ganar humedad (absorcion) o perder humedad (desorcion), de acuerdo a distintas combinaciones de temperatura y humedad relativa del aire que se mantiene en equilibrio con esa temperatura y humedad relativa; ese contenido de humedad es denominado "humedad de equilibrio."

Existen muchos procedimientos para disminuir la higroscopicidad y preservar diferentes tipos de materiales. Entre esos se menciona la mezcla de sucrocarbonatos de calcio pulverizados para prevenir el deterioro del azucar crudo y refinado. (Alvarez et al, 1991)

2. REVISION BIBLIOGRAFICA

El concepto de actividad del agua (aw) esta relacionado con su potencial quimico y en la practica es igual a la humedad relativa de

[a.sub.w] = H.R.deE(%)/100 (1)

La actividad del agua es un indicador de la disponibilidad de este elemento para la actividad biologica de los microorganismos que se encuentran en contacto con un material granular. Por tanto el analisis de la estabilidad en materiales granulares no inertes debe considerar la relacion entre la actividad del agua y la temperatura.

Un material granular con determinado contenido de humedad, a una temperatura dada, presentara un equilibrio con la humedad relativa del aire del espacio inter granular. Esto significa que la temperatura del aire y del material entraran en equilibrio, y que la humedad relativa del aire estara determinada por el contenido de humedad y por la temperatura de equilibrio aire-material. Este estado de equilibrio se puede obtener de manera estatica o dinamica.

Los valores de la actividad del agua en distintos materiales granulares varian para contenidos variables de humedad y temperatura. En el caso de granos como el maiz, para una temperatura de 30[grados] y contenido de humedad de 12,5, la actividad de agua es igual a 0,621. Para ese mismo contenido de humedad, la actividad del agua de la soja es 0,720. En el primer caso, para el maiz la actividad del agua asegura la estabilidad del producto durante el almacenamiento; en el segundo caso, para la soja, el producto no esta en condiciones de almacenarse por un periodo de tiempo largo. El analisis de la actividad del agua es el factor mas importante para establecer los contenidos de humedad recomendados para el almacenamiento seguro de los granos.

Ademas del oxigeno y del dioxido de carbono, una parte relativamente pequena de la atmosfera del material granular se compone de vapor de agua en fase gaseosa. La importancia del agua en fase de vapor no reside en la cantidad existente en un tiempo dado, sino en los procesos que envuelven el movimiento del agua en estado de vapor y en la energia necesaria para evaporar el agua. La energia cinetica del agua en la fase gaseosa cuando se encuentra en estado de equilibrio y a una misma temperatura, es mayor que la energia del agua liquida. El valor de esta energia es superior en una cantidad igual al calor de vaporizacion o condensacion del agua (Baver, 1991).

La adsorcion de agua en superficies solidas es de naturaleza electrostatica y se origina cuando se produce condensacion capilar debida al descenso de la presion de vapor dentro de los capilares del material granular. En una fraccion de suelo formada por particulas de arcilla, el mecanismo que retiene el agua, se debe a la union de las moleculas polares de agua a las cargas de las fases solidas. (Savage, 1984)

La interaccion de cargas de las particulas solidas con las moleculas polares del agua, confiere al agua absorbida una estructura rigida en la cual el agua dipolar adquiere una orientacion determinada por la localizacion de la carga en los solidos. Segun Low (1961) la capa de adsorcion, tiene una estructura semejante a una pelicula de hielo casi cristalina y puede tener un espesor de 10 a 20 [angstrom].

La humedad relativa de un lugar se relaciona con el contenido de humedad de un suelo. El punto de inflexion en la representacion grafica de ambos parametros indica aproximadamente la higroscopicidad producida por la condensacion capilar (Dirksen, 1999).

El Bureau of Soils, recomienda el uso de acido sulfurico para alcanzar la humedad de equilibrio de un suelo, colocando este en una camara cerrada que se satura con una solucion que permita establecer la humedad de equilibrio. Robinson (1960), utilizo una disolucion del 2% del acido sulfurico de densidad de 1.3321 g.[cm.sup.-3] para obtener una saturacion del 99% Brown (1992), trabajando para distintas humedades de equilibrio encontro que el acido sulfurico diluido al 10%, permitia alcanzar una humedad relativa del 90%.

El potencial de agua de un material granular se determina estableciendo situaciones de equilibrio entre la humedad del material y la humedad relativa. El potencial se determina cuando se alcanza la humedad de equilibrio.

Modelos de hidrologia forestal se han desarrollado con base en la cuantificacion del potencial higroscopico, determinando que la conductancia del dosel disminuye hasta cero cuando el potencial se encuentra por debajo de 1.6 Mpa. (Running et al, 1989).

3. MATERIALES Y METODOS

Cada uno de los materiales granulares utilizados, se coloco en un recipiente diferente, que se encontraba hermeticamente cerrado. Se utilizo un metodo estatico para alcanzar la humedad de equilibro. La generacion de las condiciones de humedad en los recipientes, se consiguio colocando una disolucion volumetrica de 3.3% de acido sulfurico, que permitio alcanzar una humedad relativa de 98%. Se empleo un testigo para verificar esta condicion. Se realizo un diseno experimental de cuatro tratamientos con cinco repeticiones por tratamiento. Cada tratamiento correspondio a un material granular.

Como materiales granulares se utilizaron fracciones de suelo (arcilloso, organico) y sales (carbonato y sulfato calcico). La fraccion de suelo arcilloso se separo empleando un tamiz de 0.002 mm, y se verifico empleando el metodo de Bouyoucos que determina la distribucion del tamano de particulas (DTP). Se prefirio este metodo menos preciso que el de la pipeta, debido a que la intencion del ensayo no era identificar el mayor numero de fracciones del suelo, sino mas bien buscar una aproximacion a la clase textural del mismo. Para eso se tomo una muestra de 25 [cm.sup.3] de pasta saturada, se le agrego 5 ml de solucion dispersante (Tripolifosfato de sodio [Na.sub.5][P.sub.3][O.sub.10]) y 60 ml de agua. La disolucion se agito y dejo reposar durante 24 horas. Despues se paso la suspension a una copa de una batidora completando un volumen de 250 ml con agua. Se agito durante 2 minutos y luego se paso a una probeta de 250 ml. Inmediatamente se realizo la primera lectura de densidad, se dejo reposar durante una hora y se realizo la segunda lectura, que correspondio a la fraccion de arcilla. La fraccion de suelo arcilloso se seco en estufa a 105[grados]C hasta alcanzar peso constante. Posteriormente se extendio en una capa homogenea de 0.01 m de espesor que se expuso a la humedad de la atmosfera durante 48 horas. La fraccion organica se obtuvo del horizonte A de un perfil de un suelo organico. El porcentaje de materia organica total de este suelo fue de 22.58% y se determino por el metodo de Walkley-Black (Walkley-Black, 1934). Como sales se utilizaron carbonato calcico y sulfato calcico con contenidos de pureza de 99.45%.

La variacion de la humedad relativa se realizo utilizando sondas de temperatura y humedad de alta precision, que se acoplaban a un equipo digital. Las sondas se calibraron con base en la norma DIN ISO 9001.

El tamano de muestras de cada material granular empleado fue 25 g repartido en 5 unidades de 5 g cada una, pesados con una balanza digital de precision [+ o -] 0.01 g. Diariamente se evaluo la variacion de humedad de los sustratos, en los distintos desecadores. El contenido de la humedad se determino gravimetricamente, por diferencia de peso entre la muestra humeda y seca en estufa a 105[grados]C hasta alcanzar peso constante (Reynolds, 1970).

La relacion empleada para determinar el contenido de humedad en los distintos materiales granulares fue la siguiente:

HS = [S.sub.h] - [S.sub.s]/[S.sub.s] x 100 (2)

Donde:

HS: es la humedad de la muestra expresada en porcentaje

[S.sub.h] : peso de la muestra humeda

[S.sub.s] : peso de la muestra seca

La relacion para determinar el potencial del agua de un suelo, cuando se conoce la humedad relativa del aire para un sistema en equilibrio entre las diferentes fases de movimiento de vapor de agua se determina por la siguiente expresion.

[PSI] = -10.62 T log (100/[a.sub.w]) (3)

Siendo:

[PSI] : potencial del agua expresada en bar

T: temperatura absoluta, expresada en [grados]K

[a.sub.w]: humedad relativa del aire en equilibrio con el agua, adimensional.

Esta relacion se utilizo para calcular los resultados de potencial presentados en la Tabla 2.

4. RESULTADOS Y DISCUSION

La Grafica 1 muestra la variacion de la humedad en los distintos materiales granulares, hasta alcanzar la humedad de equilibro. El analisis de la figura indica que la humedad de equilibrio para todos los tratamientos se alcanzo aproximadamente en el dia 13.

[GRAFICO 1 OMITIR]

Los coeficientes de regresion obtenidos para la variacion de humedad de los distintos materiales estudiados fueron:
Sustrato    CaC[O.sub.3]   CaS[O.sub.4]   Arcillos   Organico

[R.sup.2]      0.62           0.70          0.80       0.82


Se observa que los sustratos (sales) con mayor volumen de poros, presentan coeficientes de regresion menores, debido a la dificultad de movimiento de las particulas de vapor de agua en poros de tamano tan pequeno. Por el contrario los sustratos con menor volumen de poros, pero de mayor tamano (suelos), presentaron coeficientes de regresion mas altos, indicando una variacion de incremento constante en estos sustratos.

La diferencia encontrada entre los coeficientes de regresion obtenidos para los distintos materiales granulares empleados en el experimento, puede atribuirse a que la presion de vapor tiene mayor dificultad para llenar con vapor de agua los espacios intersticiales en las sales que tienen poros mas pequenos que en los suelos, debido a que el vapor de agua no se comporta como un gas perfecto. La diferencia de contenido de humedad entre ambos sustratos, indica mayor contenido para las sales, debido al mayor volumen de poros.

Los resultados obtenidos muestran que la metodologia propuesta para determinar el punto de equilibrio entre la humedad relativa en el interior del recipiente y el contenido de humedad de cada material, presentan una alto grado de correlacion. El metodo se fundamenta en una expresion desarrollada a partir de la ecuacion de estado de los gases, que permite calcular el potencial higroscopico de un suelo. Por tanto se considera que el metodo puede aplicarse a la determinacion del potencial higroscopico en otros tipos de materiales porosos y a establecer relaciones adecuadas entre el contenido de humedad y la humedad relativa del ambiente.

Es posible que la metodologia propuesta, permita obtener informacion del potencial higroscopico de los suelos que facilite modelar el movimiento de agua en el suelo, con el fin de predecir variaciones en los niveles de humedad de ecosistemas terrestres o comportamientos de los suelos que valoren las perdidas de elementos con la escorrentia. Metodologias de este tipo, pueden acoplarse a modelos de circulacion general del clima de la Tierra, que permitan predecir fenomenos geoquimicos globales.

En la Tabla 1 se presenta la humedad de los distintos materiales, cuando la disolucion de [H.sub.2]S[O.sub.4] alcanza la humedad de equilibrio.

Con base en los valores obtenidos en el punto de equilibrio de cada uno de los materiales se realizo el calculo del potencial para los distintos contenidos de agua (Tabla 2).

Los resultados de la Tabla 2, se presentan en la Grafica 2.

[a.sub.w] en el eje de las abscisas y potencial higroscopico en el eje de las ordenadas.

El coeficiente de regresion lineal obtenido para los materiales utilizados en el ensayo es de 0.97, indicando la bondad de la metodologia empleada.

[GRAFICO 2 OMITIR]

5. CONCLUSIONES

* La metodologia propuesta para determinar el potencial higroscopico de un material granular, presenta resultados altamente satisfactorios, al alcanzar un coeficiente de regresion lineal de 0.97.

* Los coeficientes de regresion obtenidos para la variacion de humedad de los distintos materiales empleados, reflejan adecuadamente el comportamiento de la humedad.

* El metodo empleado permite establecer relaciones entre la humedad de equilibrio, el contenido de humedad de un material granular y el potencial higroscopico del mismo, para diferentes materiales porosos.

* Las sales, debido al mayor volumen de poros, presentan los mayores valores de potencial.

* La metodologia propuesta puede ampliarse a diferentes materiales granulares para la determinacion del potencial higroscopico.

Fecha de recepcion: Abril 28 de 2004

Fecha de aprobacion: Junio 10 de 2005

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

* Alvarez Concepcion, Nola Emelina; Perera Torres, Pablo ; Burianek, Josef (1991). Procedimiento para prevenir el deterioro del azucar crudo y afinado. Invencion. Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras. Centro Agroindustrial " Pablo Noriega". La Habana, Cuba.

* Baver, L.D.; Gadner, W. H.; Gadner, W. R. (1991). Fisica de suelos. Editorial Limusa S. A. Mexico.

* Brown, R.W.; Oosterhuis, D. M. (1992). Measuring plant and soil water potentials with thermocouple psychrometers: some concerns. Agronomy Journal. 84, 78-85.

* Dirksen, C. (1999). Soil physics measurements. Geoecology paperback. Catena Verlag.

* Fairbridge, Rh. W.; Finkl, CH. W. (1979). The encyclopaedia of soil science. Part 1. Dowden Hutchinson and Ross, Inc.

* Hillel, D. (1998). Environmental Soil Physics. Academic pres.

* Kramer, P.J. (1982). Water and plant productivity of yield. pp. 41-47. In M. Rechcigl (ed), Handbook of Agricultura! Productlvlty. CRC Press, Boca Raton, Florida.

* Low, P. F. (1961). Physical chemistry of clay water interactions. Advanced agronomy. 13, 269 327.

* Puzzi, D. (1986). Abastecimento e armazenagem de graos. Campinas, Sp: Instituto campineiro de encino agricola.

* Reynolds, S.G. (1970). The gravimetric method of soil moisture determination. Part I. A study of equipment and methodological problems. Journal of Hydrology, 11: 258-273.

* Robinson, G. W. (1960). Los suelos, su origen constitucion y clasificacion Introduccion a la Edafologia. Traducido por Amoros, J. L. Ediciones omega. Barcelona.

* Running, S.W., R.R. Nemani, D.L. Peterson, L.E. Band, D.F Potts, L.L. Pierce, and M.A. Spanner. (1989). Mapping regional forest evapotranspiration and photosynthesis by coupling satellite data with ecosystem simulation. Ecology 70: 1090-1101.

* Savage, M.J.; Cass, A. (1984). Measurement of water potential using ln sltu thermocouple hygrometers. Advances in Agronomy. 32.

* Walkley, A..; Black, I. A. (1934). An examination of the Dejtjareff method for determining soil organics matter and a proposed modification of the cromic acid tritation method. Soil Science. 37: 29-38.

* Wild, A. (1992). Condiciones del suelos y desarrollo de las plantas segun Rusell, Ediciones Mundi-Prensa.

Jaime Ernesto Diaz Ortiz, Ph.D. Profesor - Escuela de Ingenieria de Recursos Naturales y del Ambiente - EIDENAR - Facultad de Ingenieria - Universidad del Valle - Santiago de Cali, Colombia. E-mail:jaidiaz@univalle.edu.co
Tabla 1. Valores de humedad de equilibrio y contenido de
agua de los materiales generados con [H.sub.2]S[O.sub.4]

                    Punto de humedad    Contenido de agua
Material granular   de equilibrio (g)          (%)

CaC[O.sub.3]              25.04               2.66
CaS[O.sub.4]              26.75               4.30
Arcilloso                 7.16                7.22
Organico                  8.29                8.23

Tabla 2. Valores de actividad del agua de los materiales
y el potencial higroscopico de los materiales.

Material         [a.sub.w] en el         Potencial
granular       Punto de equilibrio   higroscopico (bar)

CaC[O.sub.3]         97.34               -37.14
CaS[O.sub.4]         95.70               -60.54
Arcilloso            92.78              -103.22
Organico             91.77              -116.30
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Author:Diaz Ortiz, Jaime Ernesto
Publication:Ingenieria y Competividad
Article Type:Report
Date:Jul 1, 2005
Words:3329
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