Preparación de soluciones fertilizantes sobre la base de fertilizantes sólidos en condiciones de campo

Transcripción

1 Preparación de soluciones fertilizantes sobre la base de fertilizantes sólidos en condiciones de campo M. Lupin (1), H. Magen (2) and Z. Gambash (1) (1) IMI, Central Institute for Research and Development Ltd., ICL. (2) ICL Fertilizers. Publicado en Revista Internacional de Agua y Riego, Vol 19, N o 3, 1999 Resumen El objetivo de este trabajo fue examinar la preparación de soluciones fertilizantes mixtas sobre la base de fertilizantes sólidos económicos disponibles en el mercado. Dichas soluciones fueron preparadas simulando las condiciones de campo, con facilidades limitadas y mezclado mínimo, tal como lo haría el agricultor en su propia parcela. Los fertilizantes examinados para la preparación de soluciones líquidas claras fueron: urea y sulfato de amonio como fuentes de nitrógeno, ácido fosfórico como fuente de fósforo y FERTI-K (cloruro de potasio para fertirriego, fabricado por Dead Sea Works Ltd.) como fuente de potasio. Soluciones fertilizantes líquidas cristalinas NK, PK y NPK, con un contenido total de nutrientes N, P 2 O 5 y K 2 O de por lo menos 9-10%, fueron preparadas con un mezclado mínimo, utilizando agua a una temperatura inicial de 10 C, urea, ácido fosfórico y KCl. No pudieron obtenerse soluciones fertilizantes con alto contenido de nutrientes utilizando sulfato de amonio y KCl, debido a la formación de sulfato de potasio. Cuando fue utilizado ácido fosfórico, éste fue añadido primero al agua para aprovechar su calor de solución positivo. Soluciones cristalinas NK con las siguientes composiciones: 0-0-8, , , , y fueron preparadas con urea y cloruro de potasio con un mezclado mínimo; el ph de estas soluciones luego de diluirlas fue entre 5 y 7. Soluciones cristalinas NPK con las siguientes composiciones: , , , , , , , , and fueron preparadas con urea, ácido fosfórico y cloruro de potasio con un mezclado mínimo; el ph de estas soluciones luego de diluirlas fue entre 3 y 4. El ph del agua utilizada para preparar las soluciones tuvo muy poco efecto sobre el ph final de las soluciones. 1

2 Introducción La fertirrigación consiste en la aplicación de fertilizantes sólidos o líquidos a través de sistemas de riego a presión, creando así una solución nutritiva de riego. Los fertilizantes sólidos pueden ser simples (por ejemplo: urea, KCl) o compuestos (mezcla de fertilizantes multi-nutrientes, como por ejemplo la serie de fertilizantes compuestos Haisol ). Los fertilizantes líquidos contienen uno o varios nutrientes, pero debido a la solubilidad, la concentración total de nutrientes es mucho menor. En Israel, los fertilizantes son aplicados por diferentes métodos (1,2), incluyendo la técnica de preparación de soluciones madre. En esta técnica, los agricultores mezclan fertilizantes sólidos como sulfato de amonio, urea, cloruro de potasio, nitrato de potasio y ácido fosfórico líquido para preparar soluciones madre a medida. La solución madre es inyectada dentro del sistema de riego, a una tasa de 2-10 litros por 1 M 3 de agua, dependiendo de las concentraciones deseadas de N, P y K. Los fertilizantes nitrogenados son altamente solubles (3) y contienen un bajo porcentaje de residuos insolubles. El ácido fosfórico blanco (líquido) es también adecuado para su aplicación directa, tomando medidas de seguridad apropiadas. El uso de cloruro de potasio en fertirrigación es muy común en muchos cultivos: cítricos, banana, algodón, maíz, frutales de hojas caducas, tomate a campo abierto, y muchos otros. En general, KCl es usado en todos los cultivos, excepto en invernaderos y en palto. Una detallada revisión sobre KCl en fertirriego describe sus ventajas y limitaciones (4). Las guías para fertirriegación son suministradas como dosis de N, P 2 O 5 y K 2 O y requerimientos hídricos a una base diaria y por unidad de superficie. Estos datos son luego utilizados para los diferentes fertilizantes y métodos de aplicación (5). No existen recomendaciones específicas para preparar soluciones fertilizantes a base de fertilizantes sólidos en condiciones de campo. La falta de información sobre las proporciones a mezclar puede resultar en la formación de precipitados debido a que se alcanzan concentraciones demasiado altas. El costo de los fertilizantes para fertirriego varía mucho. Las fórmulas más caras son las que contienen varios nutrientes, y las más baratas son las que contienen un solo nutriente, como urea y cloruro de potasio. No hay ninguna evidencia científica para preferir fertilizantes sólidos o líquidos, por lo tanto los únicos factores que el agricultor debe tomar en cuenta son la calidad, el costo, la facilidad de aplicación y la disponibilidad de fertilizantes. El objetivo de este trabajo es la preparación de soluciones madre multi-nutrientes con fertilizantes solubles simples, en condiciones de campo con mezclado mínimo. Materiales y Métodos Un sistema para la disolución de fertilizantes a temperatura fija y con mezclado mínimo fue utilizado para determinar las concentraciones máximas de nutrientes que se pueden lograr en la solución final bajo estas condiciones. El efecto del orden de adición de los fertilizantes fue examinado. Tambien se midió el tiempo necesario para alcanzar una disolución total, y los cambios de temperatura durante la disolución de los fertilizantes. Las composiciones de las diferentes soluciones K, NK, PK y fueron formuladas de acuerdo con las formulaciones más corrientes en uso. Las soluciones fueron preparadas en un tanque de 150 ml revestido con un sistema de circulación de líquido enfriante a una temperatura de 10 C. El volumen inicial de agua corriente fue de 100 ml. Cada fertilizante fue agregado rapidamente y la solución fue mezclada por medio de un imán durante un minuto luego de la adición del fertilizante. Cuando la temperatura de la solución disminuyó por debajo de la temperatura inicial debido a la adición del fertilizante 2

3 (como sucedió con el sulfato de amonio, urea y cloruro de potasio), la adición siguiente fue realizada solamente luego de que la temperatura volvió a su valor inicial. Cuando la temperatura de la solución superó la temperatura inicial debido a la adición del fertilizante (como sucedió con el ácido fosfórico), la adición siguiente fue realizada inmediatamente a continuación luego del minuto de agitado. La turbidez y la densidad específica de las soluciones fueron medidas en las soluciones finales, mientras que el ph y la conductividad eléctrica fueron medidas luego de diluirlas 1:1000 con agua no ionizada. La turbidez fue medida con un Turbidómetro Hach 2100P (6,7), el cual fue calibrado con un standard Hach Formazin de 4000 NTU (Unidades de turbidez nefelométricas). Una turbidez de 15 NTU expresa un contenido de aproximadamente 300 mg/litros de material insoluble en agua. El agua corriente utilizada para la preparación de las soluciones tuvo las siguientes características: turbidez = 2.5 NTU, ph = 8.24, dureza total (Ca + Mg) = 80 ppm, alcalinidad total (como HCO 3 ) = 56 ppm y conductividad eléctrica = 0.9 ds/m. El ph y la conductividad del agua corriente luego de su dilución a 1:1000 con agua no ionizada fue 7.98 and ds/m respectivamente. El ph del agua no ionizada fue 6.1. Los fertilizantes utilizados fueron: sulfato de amonio de Fertilizers & Chemicals, S (N, P 2 O 5, K 2 O, S); urea de Fertilizers & Chemicals, ; FERTI-K, KCl para fertirrigación de Dead Sea Works, ; y ácido fosfórico blanco de Rotem Fertilizers, Resultados Los resultados se presentan en latabla 1, describiendo cuatro sets de soluciones con diferentes composiciones de K, NK, PK y NPK. La concentración mínima para cada nutriente fue de 2.5% (N, P 2 O 5, K 2 O). Las concentraciones están dadas en unidades de peso/volumen, teniendo en consideración el incremento en el volumen sobre la disolución de los fertilizantes. Soluciones K La concentración máxima de cloruro de potasio que pudo ser obtenida bajo las condiciones experimentales fue de (14% KCl), tomando aproximadamente 4 minutos para su disolución completa. La temperatura descendió desde un valor inicial de 10 C hasta 4 C. Luego de la dilución de la solución final a 1:1000, el ph fue de 6.7 y la conductividad de 0.22 ds/m (la conductividad del agua corriente luego de la misma dilución fue de ds/m). Soluciones NK Las soluciones examinadas tuvieron las siguientes fórmulas: 1-0-1, 1-0-2, 1-0-3, y (N-P 2 O 5 -K 2 O) y los resultados se presentan en la Tabla 1. Se empleó sulfato de amonio o urea como fuente de nitrógeno. El orden de adición y el agregado de cloruro de potasio fueron examinados. Las soluciones NK basadas en sulfato de amonio y cloruro de potasio tuvieron bajas concentraciones debido a la formación de sulfato de potasio, el cual tiene una solubilidad menor que los materiales utilizados. El orden de adición es importante: por ej. la solución sobre la base de sulfato de amonio pudo ser obtenida solamente cuando el cloruro de potasio fue agregado primero (no figura en la Tabla 1). Una solución con concentración fue obtenida solamente usando urea como fuente nitrogenada. Soluciones con relaciones de 1-0-2, 1-0-3, y también pudieron ser obtenidas cuando el nitrógeno fue aportado como urea, siendo preferible agregar la urea primero. Las concentraciones máximas obtenidas para esas soluciones fueron , , , y respectivamente. Luego de diluir dichas 3

4 soluciones a 1:1000, los valores de ph variaron entre 5 y 7, y la conductividad entre 0.07 y 0.24 ds/m. El tiempo que llevó hasta la disolución total fue entre 9 a 28 minutos, según la composición de la solución. Soluciones PK Las soluciones examinadas tuvieron relaciones N-P 2 O 5 -K 2 O de 0-1-1, 0-1-2, y 0-2-1, y fueron preparadas con ácido fosfórico de grado técnico y cloruro de potasio. Los resultados se presentan en la Tabla 1. Siendo la disolución del ácido fosfórico una reacción exotérmica, su disolución provocó un aumento de la temperatura de la solución de 2-3 C. Por lo tanto, la adición previa del ácido acortó el tiempo para la disolución del cloruro de potasio agregado a continuación. En algunos casos, cuando el cloruro de potasio fue agregado primero y no se disolvió completamente, su disolución se completó luego de la adición del ácido fosfórico. Las concentraciones máximas obtenidas en las soluciones PK fueron: , , y Los valores de ph de dichas soluciones luego de su dilución a 1:1000 fueron entre , mientras que las conductividades alcanzaron valores entre ds/m. El tiempo necesario para alcanzar la disolución completa varió entre 2 a 16 minutos, según la composición de las soluciones. Soluciones NPK Las soluciones examinadas tuvieron relaciones N-P 2 O 5 -K 2 O de 1-1-1, 1-1-3, 1-2-1, 1-2-4, y Fueron preparadas con ácido fosfórico blanco de grado técnico, urea y cloruro de potasio. Los resultados se presentan en la Tabla 1. La disolución exotérmica del ácido fosfórico aumentó de la temperatura de la solución de 2-3 C, reduciendo así el tiempo de la disolución de los fertilizantes agregados a continuación. El orden de adición de la urea y del cloruro de potasio varió según los casos. Las concentraciones máximas obtenidas en las soluciones NPK fueron: , , , , y Los valores de ph de dichas soluciones luego de su dilución a 1:1000 variaron entre , mientras que las conductividades fueron entre ds/m. El tiempo necesario para alcanzar la disolución completa varió entre 4 y 20 minutos, según la composición de las soluciones. Las concentraciones máximas obtenidas para las diferentes composiciones presentadas anteriormente están resumidas en la siguiente tabla: 4

5 Tabla 1. Concentraciones máximas y características de las soluciones fertilizantes preparadas a 10 C. Relación N-P 2 O 5 -K 2 O Composición (peso/volumen) Materiales (según el orden de adición) Turbidez (NTU) Gravedad específica ph (1:1000) Conductividad (1:1000, ds/m) K Ferti-K NK Urea/Ferti-K Urea/Ferti-K Urea/Ferti-K Urea/Ferti-K Urea/Ferti-K PK H 3 PO 4 /Ferti-K H 3 PO 4 /Ferti-K H 3 PO 4 /Ferti-K H 3 PO 4 /Ferti-K NPK H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K H 3 PO 4 /Urea/Ferti-K Efecto del ph del agua El efecto del ph del agua fue examinado en las soluciones de cada fertilizante por separado. El valor del ph del agua corriente utilizada para la preparación de las soluciones fue 8.2, y el ph de las soluciones finales se encuentra en la Tabla 1. Para examinar el efecto de agua más ácida, el agua corriente fue acidificada a ph 6 agregando HCl. Se prepararon con dicha agua soluciones de cloruro de potasio, sulfato de amonio, urea y ácido fosfórico, y se midió el ph de dichas soluciones luego de diluirlas a 1:1000. Los valores de ph resultaron similares a las diferentes soluciones K, NK, PK y NPK, teniendo las soluciones de cloruro de potasio, sulfato de amonio y urea un ph de La solución de ácido fosfórico tuvo un ph de of 3.5. Pruebas a gran escala Con el objetivo de confirmar los resultados anteriores, se llevaron a cabo dos pruebas a gran escala en nuestro laboratorio en Beer-Sheva. Dos soluciones, NK y NPK fueron preparadas de la siguiente manera: un tanque fue llenado con 100 litros de agua corriente a una temperatura de 15 C, y los fertilizantes fueron agregados rápidamente, mezclando mínimamente con un palo largo. En la solución NK, primero se agregó la urea, se mezcló por un minuto y a continuación se agregó el cloruro de potasio. La disolución completa se alcanzó a los pocos minutos, a pesar de que la temperatura disminuyó en 10 C. En la solución NPK, primero se agregó el ácido fosfórico, luego la urea y por último el cloruro de potasio, mezclando mínimamente con el palo luego de cada adición. La temperatura de la solución aumentó inicialmente, y luego de la adición de la urea y del cloruro de potasio, la temperatura bajó unos 4 C. 5

6 Discusión Los resultados presentados en este trabajo muestran que se puede preparar una gran variedad de soluciones cristalinas de K, NK, PK y NPK sobre la base de urea o sulfato de amonio, ácido fosfórico y cloruro de potasio, alcanzando una concentración total de nutrientes (expresada en unidades de N, P 2 O 5 y K 2 O) de por lo menos 8-10%. El uso de sulfato de amonio en soluciones con KCl resulta en soluciones de baja concentración debido a la formación de sulfato de potasio menos soluble. Soluciones NK o NPK de alta concentración pueden ser logradas solamente utilizando urea como fuente de nitrógeno. El calor de solución del sulfato de amonio, urea y cloruro de potasio es negativo (reacción endotérmica), por lo tanto su disolución provoca un enfriamiento considerable. Por otro lado, el calor de solución del ácido fosfórico es positivo (reacción exotérmica), resultando así en un aumento de la temperatura. Esta conducta exotérmica del ácido fosfórico puede ser aprovechada añadiéndolo primero, previamente al agregado de urea o cloruro de potasio. La concentración total de las soluciones fertilizantes no depende del orden de adición, pero la cinética de la disolución es afectada debido a llos diferentes calores de la solución, especialmente en el caso de mezclado mínimo. El ph (1:1000) de las soluciones K y NK están en el rango de 5-6, mientras que las soluciones sobre la base de ácido fosforico tienen un ph de 3-4. El ph de las soluciones fertilizantes es afectado ligeramente por el valor del ph del agua, manteniéndose los valores de ph mencionados anteriormente para aguas con ph 6 o 8. Por ejemplo, la aplicación de 2 litros de una solución madre ( ) a 1M 3 de agua de riego, dará una concentración de 72 ppm de N, P 2 O 5 y K 2 O. Conclusiones Soluciones fertilizantes NK y NPK con altas concentraciones sobre la base dekcl, pueden ser preparadas unicamente con urea como fuente de nitrógeno. Soluciones con una concentración total de nutrientes de 9-10% y hasta 17%, pueden ser preparadas mezclando urea, ácido fosfórico y FERTI-K a 10 C. El ph del agua tiene un efecto pequeño sobre el ph final de las soluciones. El tiempo de disolución para las soluciones descritas en este trabajo con mezclado mínimo, tal como sucede en condiciones a campo, es breve. Referencias 1. Sneh, M The history of fertigation in Israel. in: Proc. Dhalia Greidinger Int. Symp. on Fertigation. Technion, Haifa, Israel, 26 March - 1 April. pp Magen, H Fertigation: An overview of some practical aspects. Fertilizer News, 40:12, pp Wolf, B., Fleming, J. and Batchelor, J Fluid Fertilizer Manual. National fertilizer solutions association, Peoria, Illinois, USA. 6

7 4. Magen, H Potassium chloride in fertigation. in: Proc. 7th Int. Conf. on Water and Irrigation. Tel Aviv, Israel, May. pp Kremer, S. and Margalit, E Irrigation and fertilization guidelines in tomato, pepper and eggplants. Extension Service, Ministry of Agriculture, Israel. (in Hebrew). 6. Hach company, USA, System for Analysis, No. A 125, International Laboratory News. p 6. October