ÁREA AGRÍCOLA

BIOCARBÓN DE PULPA DE CAFÉ Y RAQUIS DE PALMA CON POTENCIAL PARA USO AGRÍCOLA EN EL TRÓPICO SECO

COFFEE PULP AND PALM RACHIS BIOCHAR WITH POTENTIAL FOR AGRICULTURAL DRY TROPICS USE

Aguirre Forero, Sonia Esperanza; Villa Parejo, José; Piraneque Gambasica, Nelson Virgilio

Sonia Esperanza Aguirre Forero

saguirre@unimagdalena.edu.co

Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia. Colombia

José Villa Parejo

jvilla@unimagdalena.edu.co

Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia. Colombia

Nelson Virgilio Piraneque Gambasica

npiraneque@unimagdalena.edu.co

Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia. Colombia

Revista de Investigación Agraria y Ambiental

Universidad Nacional Abierta y a Distancia, Colombia

ISSN: 2145-6097

ISSN-e: 2145-6453

Periodicidad: Semestral

vol. 16, núm. 1, 2025

riaa@unad.edu.co

Recepción: 14 marzo 2024

Aprobación: 25 junio 2024

URL: https://portal.amelica.org/ameli/journal/130/13052721305272008/

DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.7822

Financiamiento

Fuente: Este trabajo se derivó de la investigación “Biochar: una alternativa para el manejo de suelos en el trópico seco a partir de la transformación de residuos de la producción agrícola (Coffea arabica y Elaeis guineensis)”

Nº de contrato: Fondo de Investigación FONCIENCIAS con código VIN2022165 de la Universidad del Magdalena.

Beneficiario: BIOCARBÓN DE PULPA DE CAFÉ Y RAQUIS DE PALMA CON POTENCIAL PARA USO AGRÍCOLA EN EL TRÓPICO SECO

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License Creative Commons
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CÓMO CITAR:Aguirre, S., Villa, J., y Piraneque, N. (2025). Biocarbón de pulpa de café y raquis de palma con potencial para uso agrícola en el trópico seco. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 16(1), 157 - 183. https://doi.org/10.22490/21456453.7822

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

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Resumen: Contextualización: la caracterización y análisis de biocarbón derivado de raquis de palma y pulpa de café es fundamental para aprovechar adecuadamente los residuos orgánicos, además es trascendental para el desarrollo de obtención de materiales promisorios para el manejo del suelo del trópico seco. La investigación se orientó a caracterizar biocarbón obtenido de la biomasa de Pulpa de Café y el Raquis de Palma, variando la temperatura de pirólisis en 250, 300 y 350 °C en un horno mufla de 64 litros.

Vacío de conocimiento: los estudios de caracterización y análisis de biocarbón en la región Caribe son escasos, lo que resalta la necesidad de realizar estudios para recopilar información que pueda mejorar la comprensión, el proceso, el manejo y la aplicación del biocarbón como mejorador de suelos en esta área.

Propósito: el objetivo fue evaluar contenidos de lignina, celulosa y hemicelulosa y caracterizar el biocarbón obtenido (Dr, retención de humedad, pH, CE, CIC y contenido de nutrientes).

Metodología: el análisis de los contenidos de lignina, celulosa y hemicelulosa se realizó utilizando los métodos de fibra detergente ácida (ADF) y lignina detergente ácida (ADL), y la caracterización del biocarbón, retención de humedad, pH (1:2) por potenciometría, conductividad eléctrica (CE) conductímetro, densidad real (Dr), contenidos totales de K, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Bo, Cu, Zn y Si, por digestión ácida y espectrofotometría de absorción atómica.

Resultados y conclusiones: se evidenció que el biocarbón obtenido de la pulpa de café (BPT1, BPT2 y BPT3) respecto a los parámetros evaluados es más favorable para la producción agrícola en comparación con los biocarbón de raquis de palma (BRT1, BRT2 y BRT3). El BPT1 presentó diferencia en su contenido nutricional, no obstante, es crucial enfatizar que es una enmienda física, química y orgánica.

Palabras clave: enmienda, nutrientes, pirólisis, secuestro de carbono, suelos agrícolas.

Abstract: Contextualization: The characterization and analysis of biochar derived from palm rachis and coffee pulp is fundamental to take advantage of organic residues; in addition, adequately, it is transcendental for the development of obtaining promising materials for soil management in the dry tropics. The research was oriented to characterize biochar obtained from coffee pulp and palm rachis biomass, varying the pyrolysis temperature at 250, 300, and 350 °C in a 64-liter muffle furnace.

Knowledge gap: Characterization and analysis studies of biocarbon in the Caribbean region are scarce, highlighting the need for research to gather information that can enhance the understanding, process, management, and application of biocarbon as a soil amendment in this area.

Purpose: The objective was to evaluate lignin, cellulose, and hemicellulose contents and to characterize the biochar obtained (Dr, moisture retention, pH, EC, CEC, and nutrient content).

Methodology: The analysis of lignin, cellulose, and hemicellulose contents was conducted using the acid detergent fiber (ADF) and acid detergent lignin (ADL) methods, while the characterization of biocarbon (moisture retention, pH (1:2) by potentiometry, electrical conductivity (EC) by conductometry, real density (Dr), total contents of K, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, B, Cu, Zn, and Si by acid digestion and atomic absorption spectrophotometry) was carried out.

Results and conclusions: It were found that the biochar obtained from the coffee pulp (BPT1, BPT2, and BPT3) is more favorable for agricultural production concerning the parameters evaluated than biochar from palm rachis (BRT1, BRT2, and BRT3). BPT1 presented a difference in its nutritional content; however, it is crucial to emphasize that it is an amendment.

Keywords: agricultural soils, amendment, carbon sequestration, nutrients, pyrolysis.

RESUMEN GRÁFICO

Diagrama del proceso desarrollado para evaluar la composición fisicoquímica del biocarbón obtenido de raquis de palma de aceite y pulpa de café

Diagrama del proceso desarrollado para evaluar la composición fisicoquímica del biocarbón obtenido de raquis de palma de aceite y pulpa de café. Fuente: autores.

1. INTRODUCCIÓN

En Colombia, el sector agrícola genera residuos durante sus procesos productivos, el raquis de palma y la pulpa de café, muchas veces se acumulan en el suelo lo que en ocasiones afecta el ambiente debido a la concentración de sustancias tóxicas como fenoles y polifenoles (Serna-Jiménez et al., 2018; Hoseini et al., 2021), no obstante, en algunas zonas palmeras el raquis se usa como combustible de calderas y en otras es desechado. Los residuos agroindustriales son fuente potencial de energía renovable, en especial aquellos que presentan contenidos de hemicelulosa, celulosa y lignina (Cheng et al. 2020) y su pirólisis, es una alternativa de solución para el manejo (Biswas et al., 2017).

La fracción sólida carbonosa, consecuencia de pirólisis de biomasa en ausencia de oxígeno y temperaturas altas, se denomina biocarbón (Rajendiran et al., 2023; Lehmann y Joseph, 2015), producto con una amplia gama de aplicaciones entre las que se destacan: secuestro de C del suelo (Aguirre et al., 2023), reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (Brassard et al., 2016; Dissanayake et al., 2020), coadyuvante en la fertilidad del suelo (Ding et al., 2016; Biederman y Harpole, 2013), remediador de contaminantes (Beiyuan et al., 2020; Omondi et al., 2016), hidro retenedor, entre otras.

Sin embargo, las características del biocarbón se alteran según el tipo de biomasa y temperaturas de procesamiento. Su uso y aplicación depende de las propiedades que presente el producto (Lehmann y Joseph, 2015), por lo que es necesario analizar la composición de la biomasa que se someterá a pirólisis y el producto resultante (biocarbón). Además, también es importante estudiar y validar sus características, comportamientos y efectos en distintos contextos, tales como diferentes tipos de suelos, climas y prácticas agrícolas específicas.

En estudios previos se han reportado diversas características de biocarbones obtenidos de distintas biomasas mediante pirólisis a diferentes temperaturas. Por ejemplo, Sukartono et al. (2011) encontraron que el biocarbón de cáscara de coco pirolizado entre 190-280°C tiene un pH de 9,9, conductividad eléctrica (CE) de 1,75 dS m⁻¹, contenido total de carbono del 80,59% y capacidad de intercambio catiónico (CIC) de 11,78 cmol₍₊₎kg⁻¹. En contraste, Abrishamkesh et al. (2015) evidenciaron que la cáscara de arroz pirolizada entre 250-300°C tiene pH de 7,4 y CE de 0,36 dS m⁻¹, mientras que a 450-500°C, el pH aumenta a 8,4 y la CE a 0,48 dS m⁻¹. Zhang et al. (2015) descubrieron que el biocarbón de jacinto de agua tiene pH que varía de 7,24 a 10,49 y CIC que varía de 9,3 a 21,95 cmol₍₊₎kg⁻¹, dependiendo de la temperatura de pirólisis que osciló entre 250-550°C. Finalmente, Pituya et al. (2017) reportaron que el biocarbón de madera de acacia pirolizado a 300°C tiene pH de 5,0, contenido total de carbono del 67,56% y CIC de 127,45 cmol₍₊₎kg⁻¹, mientras que a 400°C y 500°C, estos valores cambian a 6,2 y 7,7 para el pH, 68,68% y 73,26% para el contenido de carbono y 96,81 y 64,40 cmol₍₊₎kg⁻¹ para la CIC, respectivamente.

Lo anterior muestra como la temperatura de pirólisis y el tipo de biomasa influyen significativamente en las características del biocarbón generado, por esta razón, los objetivos del presente estudio fueron: determinar la composición de los residuos orgánicos de pulpa de café y raquis de palma en el departamento del Magdalena, y caracterizar el biocarbón obtenido a partir de estos con el fin de orientar el uso en el sector agrícola asociado a zonas secas.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Selección de la biomasa

Para la producción de biocarbón se seleccionaron residuos orgánicos de pulpa de café y raquis de Palma de aceite provenientes del sector cafetero y palmero del departamento de Magdalena. La pulpa de café fue proporcionada por la finca El Recuerdo, ubicada en el corregimiento de Minca, Sierra Nevada de Santa Marta, y el raquis de palma de aceite fue facilitado por la empresa extractora Palmaceite S.A., localizada en el Km. 49 vía Ciénaga – Fundación. La biomasa se expuso al sol 48 horas, luego fue triturada y posteriormente tamizada a fin de obtener un tamaño de partícula mínimo de acuerdo con lo argumentado por Tsai et al. (2018); parámetro importante, ya que un tamaño grande podría disminuir la eficiencia de la transferencia de calor desde la superficie hasta su núcleo (Tripathi et al., 2016). El contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa de los residuos orgánicos se analizó utilizando los métodos de fibra detergente ácida (ADF) y lignina detergente ácida (ADL) (ISO, 2008).

Producción de biocarbón

Se empleó el método de pirólisis asistida por hornomufla para realizar la transformación de la biomasa y producir biocarbón, siendo utilizadas tres temperaturas de 250, 300 y 350 °C. Así mismo, se utilizó una velocidad de calentamiento de 10 °C min−1 y se mantuvo a la temperatura máxima durante una hora tal como lo describe Igalavithana et al. (2019), obteniendo tres tratamientos. Se calculó el rendimiento de producción de cada tratamiento (biocarbón) utilizando la Ecuación 1 proporcionada por Rehrah et al. (2014).

Donde MBc corresponde a la masa del biocarbón obtenido y MBm corresponde a la masa seca de las biomasas utilizadas para la producción del biocarbón.

Caracterización del biocarbón

Se determinaron los parámetros descritos en la Tabla 1 para cada una de las calidades de biocarbón obtenido siguiendo los argumentos de Singh et al. (2019).

Tabla 1. Parámetros fisicoquímicos evaluados a los biocarbonos

Tabla 1.

Parámetros fisicoquímicos evaluados a los biocarbonos

autores.

Análisis estadístico

Todas las pruebas se examinaron por triplicado mientras que los datos se analizaron con un modelo lineal de análisis de varianza (ANOVA) para cada variable de interés usando la función “lm”; seguido a esto, se realizó prueba post hoc de Duncan para identificar específicamente qué grupos difieren entre sí, empleando la función “duncan.test”; por último, se estableció correlación de Spearman entre las variables que mostraron diferencias significativas, la cual fue graficada utilizando la librería corrplot. Todos los análisis fueron realizados en el software RStudio 2023.12.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La relación C/N de las biomasas evaluadas se situó en 93±7.25 para raquis y en 24±3.25 para pulpa de café. La Figura 1 muestra los porcentajes de lignina, hemicelulosa y celulosa encontrados en las biomasas de pulpa de café y raquis de palma. Se evidencia que, en ambas biomasas, la celulosa es el componente más abundante, seguida de la hemicelulosa en el raquis de palma y de la lignina en la pulpa de café. El raquis de palma presenta un contenido medio de celulosa (46,47%) y hemicelulosa (23,99%), superando los valores de la pulpa de café, que tiene un 29,11% de celulosa y un 12,01% de hemicelulosa. En cuanto al contenido de lignina, la pulpa de café presenta un 17,86%, superando al raquis de palma (7,05%).

Figura 1.
Contenidos de lignina, celulosa y hemicelulosa encontrados en raquis de palma de aceite y pulpa de café. Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p>0.05)

autores.

Respecto a la pulpa de café, las cantidades de lignina, celulosa y hemicelulosa presentaron valores diferentes a los reportados por otras investigaciones. En este estudio, la pulpa de café contenía 17,86% de lignina, 29,11% de celulosa y 12,01% de hemicelulosa. En comparación, Opedun et al. (2023) reportaron 35,3% de lignina, 40,1% de celulosa y 20,62% de hemicelulosa. Paredes et al. (2022) encontraron 21,04% de lignina, 20,33% de celulosa y 17,35% de hemicelulosa. Por su parte, Veiga et al. (2017) reportaron 29,55% de lignina. Las diferencias observadas pueden atribuirse a variaciones en los métodos de análisis, el tipo y estado de la biomasa, las condiciones climáticas o de la estación de cosecha y los métodos de cultivo, entre otros factores (Paredes et al., 2022).

En el raquis de palma, se presentaron diferencias en los contenidos lignocelulósicos respecto a otros reportes. En el análisis realizado, se encontró que el raquis de palma contenía 23,99% de hemicelulosa, 46,47% de celulosa y 7,05% de lignina. Distintos a los resultados de Lee et al. (2017), quienes encontraron 14,20% de hemicelulosa, 27,51% de celulosa y 58,30% de lignina. Por otro lado, los contenidos de celulosa y hemicelulosa obtenidos son muy similares a los reportados por Ma et al. (2015), quienes encontraron 23,82% de hemicelulosa, 33,03% de celulosa y 45,59% de lignina. Se observa en ambos reportes una notable disparidad en el contenido de lignina, superior a 30 puntos porcentuales. Al igual que el caso anterior, la pulpa de café varía respecto a los resultados diferencia que se atribuye a la fuente de biomasa y métodos de análisis (Lee et al., 2017).

Con respecto al rendimiento (porcentaje de biocarbón producido a partir de una cantidad determinada de biomasa), obtenido a partir de la Ecuación 1, se observaron disparidades significativas. El biocarbón obtenido de la pulpa de café, con un rendimiento del 70,2% en BPT1, destacó como el de mayor eficiencia, seguido por BPT2 (60,6%) y BPT3 (48,2%). En contraste, los rendimientos de los biocarbonos derivados del raquis de palma fueron considerablemente menores, con BRT1 alcanzando el 33,3%, seguido por BRT2 (26,7%) y BRT3 (20%). Se evidenció una relación inversa entre la temperatura de pirólisis y el rendimiento, reflejada en la disminución progresiva de este último a medida que aumenta la temperatura (Tabla 2).

Tabla 2.

Rendimientos de biocarbonos obtenidos de raquis de palma de aceite y pulpa de café. Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p>0.05)

autores. BP- Biocarbón pulpa de café; BR- Biocarbón pulpa de Raquis; MBc – Masa biocarbón; MBm–biomasa

En la Tabla 3, se observan los resultados respecto a humedad, donde el mayor registro lo presentó el biocarbón de raquis de palma BRT1 (4,6 %), seguido del BRT2 y BRT3 con 3.59 y 3.19 respectivamente, superando al biocarbón de pulpa de café. Ameloot et al. (2013) reportan que un alto contenido de humedad en los biocarbonos ayuda a retener más agua y crea un ambiente adecuado para la actividad microbiana y el crecimiento de las plantas.

No se presentó diferencia significativa por pérdidas de volatilización; el valor más alto en la variable lo mostró el BPT2 con 87,6 %. En lo referente a cenizas, se encontró que BPT3 presentó mayor contenido (33,3 %), seguido de BRT1 (23,1%), BPT1, BRT2 y BRT3 con valores similares (13 -14%) y, por último, el menor porcentaje fue reportado por BPT2 con 10,2%. Investigaciones anteriores informaron que el contenido de cenizas de los biocarbones juega un papel importante en la adsorción de metales (Yuan et al., 2019); además, esta es rica en potasio, calcio y magnesio, que son adecuados para el crecimiento de las plantas (Berek y Hue, 2016; Weyers y Spokas, 2014) y contribuyen a la adsorción y degradación de contaminantes (Shackley et al., 2012).

Tabla 3.

Análisis proximal de los biocarbonos obtenidos de raquis de palma de aceite y pulpa de café. Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p>0.05)

autores.

Respecto al contenido de carbono oxidable (Cox), fue más alto en los tratamientos de pulpa de café con promedio de 33.4% respecto a los de raquis de palma con promedio de 21.3 %. Los resultados fueron mayores a los obtenidos por Belalcázar (2013) quien reportó 17% de Cox del biocarbón obtenido mediante pirólisis controlada a 500 °C de cascarilla de arroz en un horno de combustión en la Arrocera La Esmeralda en Jamundí-Valle del Cauca.

El (Cox) podría utilizarse como una estimación del CT, esto sin desconocer la diferencia de otras formas de C. Así mismo, Cox pueden indicar no sólo la labilidad del C frente a la oxidación y a la hidrólisis, sino también mayor o menor facilidad de acceso físico de los oxidantes y microorganismos a los compuestos orgánicos, lo que algunos autores denominan “protección física” al estabilizar la micro agregación del suelo asociada a partículas de limo o arcilla, además coadyuva y fija bioquímicamente la formación de compuestos de materia orgánica recalcitrantes (Macías et al., 2004; Domingo et al., 2016). Desde este argumento, los porcentajes de Cox podrían ser estimación de la protección física del biocarbón al suelo y del carbón disponible para suplir las necesidades de los organismos, en tal caso los tratamientos con BPT tendrían mejor acción protectora y fomento a la biota.

Los tratamientos presentaron valores normales de NT (Nitrógeno total), que oscilan entre el 3 % y el 5%, siendo BPT2 el más alto con valor de (5,13 %). Esto, contrastado con el biocarbón producido con raquis de palma y pulpa de café reportado por Rivera (2021) quien encontró 2.2 % y 3.4 % de N, respectivamente a una temperatura de pirólisis de 450 °C. Resultados superiores a los reportes de Cho et al. (2017) quienes en cinco biocarbones elaborados a partir de astillas de pino, viruta de roble, piña de pino, cascarilla de arroz y caparazón de cangrejo, encontraron concentraciones de N que oscilaron entre 0.07 % - 3.63 % con temperaturas de pirólisis superiores a los 600 °C, pero estarían acordes con Trujillo et al. (2019) quienes reportaron para biocarbón elaborado a 500°C con gallinaza y pollinaza 2.48 % - 2.37 % de N, respectivamente.

Lo anterior, deja entrever resultados disimiles respecto al material que se someterá a pirólisis, reportes que afectan directamente la relación C/N donde las relaciones encontradas para pulpa de café presentan en promedio 7.6 y para raquis de palma 13,6, datos que varían respecto a los reportados de Rivera (2021) y Rivera et al. (2022) para estos mismos materiales quienes encontraron relación C/N de 26,2 en raquis de palma y 17,11 en pulpa de café evidenciando diferencia significativa respecto al % carbono de los biocarbones obtenidos. Por otra parte, Trujillo et al. (2019) encontró (C/N) entre 9,27 – 8,9 para biocarbón de gallinaza y pollinaza, respectivamente. En la misma línea, las características propias de los materiales obtenidos, traducidas en reducción de la densidad, incremento de la porosidad y de la retención de humedad y el aporte de nutrientes, pueden modificar las propiedades de este y en tal sentido, se consideran como enmienda física, química y orgánica como lo mencionan Alonso-Gómez et al. (2016). Pero la reducción de la relación C/N respecto al material original, no es deseable si lo que se desea es capturar carbono como estrategia para mitigación del cambio climático.

En la Tabla 4, se aprecian las características físicas y químicas de los biocarbones obtenidos durante la investigación. Los valores más altos Dr (densidad real) lo reporto biocarbón de pulpa de café, con promedio de 0,45 g cm⁻³, mientras que los de raquis de palma no superan los 0,28 g cm⁻³, valores que difieren de los reportados por López et al. (2015) quienes encontraron valores de 1.2- 1.5 g cm⁻³, pero coinciden con los valores reportados por Rivera (2021) y que, está de acuerdo con la norma vigente NTC-5167 donde se expresa que la densidad real de un producto orgánico usado como abono no debe exceder 0.6 g cm⁻³. Hussain et al. (2020) afirman que la densidad real baja en los biocarbonos se debe a la disminución del tamaño de los poros entre sus partículas, es decir, el aumento de su porosidad, lo que mejora la acción capilar, aumentando así la retención de agua.

Así mismo, la presencia de partículas muy pequeñas proporciona disminución de la porosidad total y aumento de la retención de la cantidad de agua. Un sustrato con tamaño de partículas muy pequeñas en el tiempo se compacta y cuando está húmedo impide la circulación de aire (Noguera et al., 2003), por lo que es conveniente mezclarlo. En este caso, teniendo en cuenta la Dr al igual que el porcentaje de retención de humedad superior al 100% de la masa de los biocarbonos obtenidos, se deben realizar aplicaciones en dosis moderadas para permitir un correcto anclaje de la planta y evitar su volcamiento.

Tabla 4.

Caracterización física y química de los biocarbonos obtenidos de raquis de palma de aceite y pulpa de café. Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p>0.05)

autores.

Los valores de pH de los biocarbones de pulpa de café oscilaron entre 6,73 y 7,66 mostrando tendencia hacia la neutralidad, los biocabones de raquis de palma presentan pH más alcalinos con valores entre los 8,1 y 8,65. Premalatha et al. (2023) revisando varios trabajos evidenció que este parámetro es fluctuante según el material utilizado, pero hay tendencia hacia pH alcalino.

Li et al. (2018) mencionan que el aumento del pH se debe principalmente a la ruptura de enlaces débiles dentro de la estructura del biocarbón cuando este se somete a altas temperaturas de pirólisis; no obstante, aunque la mayoría de los biocarbones tienden a presentar un pH alcalino, también es posible encontrar biocarbón con pH entre neutro y ligeramente ácido, en especial cuando se utilizan temperaturas inferiores 400 °C (Li et al., 2019), como es el caso particular presentado en los biocarbones de pulpa de café, los cuales mostraron contenido de lignina más alto, lo que hace que sea menos vulnerable a la descomposición térmica y cuya correlación con la variable pH es fuertemente negativa.

El comportamiento de la conductividad eléctrica obtenida es alto, y está por encima de lo reportado por Premalatha et al. (2023). Los tratamientos de pulpa de café mostraron valores de CE promedio de 7,5 (dS m⁻¹), siendo más bajos que los de raquis de palma donde su valor más alto fue el presentado por BRT1 con 38,6 dS m⁻¹. Resultados contrastantes a lo reportado por Belalcázar (2013), quien consiguió pH de 8,72 del biocarbón derivado de pirólisis controlada a 500 °C sin que presentaran diferencias, no obstante, este parámetro evidencia alto contenido de sales hidrosolubles, que para las condiciones de la zona de estudio (árido y semiárido) son inconvenientes. Al respecto, Pérez-Cabrera et al. (2021) argumentaron que la adición de ácido cítrico, maleico y propiónico como catalizadores iniciales y en concentraciones de 5 y 10%, son los mejores tratamientos para reducir la CE, logrando una conductividad eléctrica (0,30-0,46 dS m⁻¹), acción que puede ser considerada en futuras investigaciones. Por otro lado, Thomas et al. (2013) consiguieron atrapamiento de sales en los poros del biocarbón, teniendo como consecuencia la reducción de la CE en suelos afectados por sales, esto explicaría en gran medida los contenidos altos de CE en el biocarbón.

Cabe mencionar que el hecho de que se presenten altas CIC en los biocarbones les permite mejorar esta propiedad en el suelo y, por ende, mejorar su retención de nutrientes (Hale et al., 2020; Zhao et al., 2013) como también de otros iones. En concordancia, estos exhibieron CIC elevadas, principalmente en aquellos provenientes de raquis de palma, con un máximo de 70,4 cmol₍₊₎ kg⁻¹, mientras que los de pulpa de café presentaron CIC con variaciones entre 41,4 y los 47,6 cmol₍₊₎ kg⁻¹, valores que son similares a los reportados por Rivera et al. (2022), pero difieren de los reportados por Pituya et al. (2017), quienes obtuvieron resultados de 127,45 cmol₍₊₎ kg⁻¹ en biocarbón de madera de acacia a temperatura de pirólisis de 300°C. Los rangos anteriores confirman que es un material con alta capacidad de intercambio iónico lo que representa la cantidad de cationes que las superficies logran retener, indicador del uso potencial que puede llegar a tener.

Como se aprecia, los contenidos de nutrientes de los tratamientos fueron muy variables. Para el caso del fósforo, el valor más alto lo obtuvo BRT1 con 1,06 mg kg⁻¹ seguido por BPT2 con 0,805 mg kg⁻¹. El porcentaje de K presentó diferencias, en el caso de los biocarbón de pulpa de café los valores oscilaron entre 1,32 y 1,64 %, mientras que en el raquis de palma estos mostraron valores superiores con oscilaciones entre los 4,64 y los 6,93 %, concentraciones que pueden relacionarse con el mayor contenido de celulosa del raquis de palma respecto a la pulpa de café.

Los contenidos de Mg y Na no presentaron diferencias. El Mg varió entre 0,491 y 0,713 %, mostrando tanto el valor más alto como el más bajo en los biocarbones de pulpa de café; pero su comportamiento fue más homogéneo en raquis de palma. El Na logró concentraciones bajas tanto en pulpa de café como raquis de palma, el valor más alto lo mostró BPT3 (0,192%), seguido de BRT1 (0,144%). En Ca se exhibió mayor diferencia (2,51 - 3,2 %) en pulpa de café, en raquis de palma la variación fue entre 1,04 y 1,45%, con menor contenido respecto al biocarbón de pulpa de café.

Rivera (2021) obtuvo, a una temperatura de 450° C, biocarbón del raquis de palma con contenidos de 9,1 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Ca, 18,9 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Mg, 0,21 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Na y 0,06 cmol₍₊₎kg⁻¹ de K; y en pulpa de café, consiguió 23,5 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Ca, 9,2 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Mg, 0,84 cmol₍₊₎kg⁻¹ de Na y 7,41 cmol₍₊₎kg⁻¹ de K. Valores diferentes a los obtenidos en esta investigación. Por otro lado, Trujillo et al. (2019) reportaron resultados muy superiores en Ca, Mg, K y Na a los encontrados, derivados de biocarbón de gallinaza y pollinaza, no obstante, Jien y Wang (2013) citados por Alazzaz et al. (2020) argumentan que el biocarbón que más contribuye con K, Ca y Mg son los derivados de desechos animales.

Los porcentajes más altos de azufre fueron reportados por los biocarbones de pulpa de café BPT2 = 0,343 % y BPT1 = 0,279 %, seguidos por el biocarbón de raquis de palma BRT1 = 0,264 % y de pulpa de café BPT3 = 0,213 %; los biocarbones BRT2 y BRT3 presentaron valores más bajos con una diferencia casi del doble en comparación con el valor más alto 0,154 y 0,157 %, respectivamente.

El contenido Fe presentó una gran discrepancia en las muestras de biocarbón de raquis de palma BRT2 (0,0151%) y BRT3 (0,00501 %) en comparación con las demás, las cuales presentaron valores con oscilaciones ente los 0.172 % y 0,616 %, presentando el valor más alto el biocarbón de pulpa de café BPT3.

Con respecto a los contenidos de elementos menores, el biocarbón de pulpa de café BPT3 obtuvo los valores más altos de Mn (170 mg kg⁻¹) y Zn (256 mg kg⁻¹). Por su parte, el contenido de boro más alto lo presentó el biocarbón de raquis de palma con un valor de 43,1 mg kg⁻¹.

Relación de características de la biomasa con las calidades de biocarbones obtenidas. El análisis de varianza reportó diferencias (p < 0.05) entre el contenido de lignina, la temperatura de pirólisis, el rendimiento y las propiedades químicas del biocarbón (pH, CE, CO, NO, Ca, K y RCN). De esta manera, se puede entender que tanto el contenido de lignina como la temperatura en la pirólisis y el rendimiento, tienen impacto significativo en varias propiedades químicas del biocarbón (Tabla 5), incluyendo el pH, la conductividad eléctrica (CE), el contenido de carbono (CO), el nitrógeno orgánico (NO), el calcio (Ca), el potasio (K) y la capacidad de intercambio catiónico (CIC). Lo anterior resalta la importancia de considerar estos factores en la producción y caracterización del biocarbón para diversos usos.

Se reportaron diferencias significativas entre el pH y CE, CIC, CO, NO, contenido de Cu y K (Tabla 5). Así mismo, en la Tabla 6 se puede verificar que existen diferencias significativas entre la CE y varias propiedades químicas del biocarbón, incluyendo la CIC, el contenido de cobre (Cu), el contenido de potasio (K) y el contenido de calcio (Ca); esto podría indicar que tanto el pH como la CIC pueden estar asociados con varias características químicas del producto.

Tabla 5.

Análisis de varianza entre el pH, el rendimiento y otras propiedades químicas del biocarbón. Niveles de significancia: ***p<0,001; **p<0,01; *p<0,05

autores.

Tabla 6.

Análisis de varianza entre CE y otras propiedades químicas del biocarbono. Niveles de significancia: ***p<0,001; **p<0,01; *p<0,05

autores.

Por último, se percibió diferencia entre la densidad real y la retención de humedad (Tabla 7), lo que sugiere que estas dos propiedades pueden estar relacionadas y pueden influir en las características físicas del biocarbón.

Tabla 7.

Análisis de varianza entre Densidad real y Retención de humedad. Niveles de significancia: ***p<0,001; **p<0,01; *p<0,05

autores.

En la Figura 2, se indica la correlación entre contenidos de lignina, celulosa y hemicelulosa de las biomasas y la caracterización fisicoquímica de los biocarbono. Se muestra correlación positiva de 0,88 entre el contenido de lignina de la biomasa con el rendimiento final de los biocarbonos, al mismo tiempo, los contenidos de carbono orgánico (Cox) presentaron correlación fuerte positiva con el rendimiento de los biocarbonos (r=0,94). Contenido de 0,88 entre la lignina y los contenidos de carbono, N y Ca.

Variables como el pH presentaron fuertes correlaciones con la conductividad eléctrica (r=0,89) y la CIC (r=0.94); así mismo, la CE y la CIC presentaron también una fuerte correlación de 0,94. Además, las propiedades físicas de densidad real y retención de humedad se correlacionaron negativamente (r=-0,94), verificando que en la medida en que la densidad se reduce, el material aumenta su capacidad de retención de humedad.

En síntesis, en el presente estudio el contenido de celulosa y hemicelulosa de la muestra de raquis de palma fue superior casi que el doble a la pulpa de café, mientras que en el caso de la lignina fue lo contrario, la pulpa de café presentó un contenido que dobló al de raquis de palma. Collazo-Bigliardi et al. (2018) mencionan que este particular hallazgo puede deberse a la diferencia en la naturaleza de cada biomasa. De allí que de conformidad con el análisis proximal y la caracterización fisicoquímica del biocarbón, se observó que los biocarbones obtenidos a partir de pulpa de café (BPT1, BPT2, BPT3) tienen un rendimiento más alto que los de raquis de palma (BRT1, BRT2, BRT3) mientras que, en términos de contenido de nutrientes, presenta valores más elevados de C, N y bases, proporcionando nutrientes para el suelo y las plantas.

Figura 2.
Matriz de correlación de Spearman entre características de la biomasa y calidades de biocarbonos obtenidas en la evaluación de la composición fisicoquímica del producto obtenido de raquis de palma de aceite y pulpa de café

autores.

La alta correlación mostrada entre el contenido de carbono de los biocarbones y la lignina de la biomasa (r=0,88), podría implicar que la lignina, al ser una macromolécula rica en carbono y poseer alta estabilidad térmica, puede contribuir significativamente a la formación de biocarbón con altos niveles de carbono durante el proceso de pirólisis (Leng y Huang, 2018). En referencia a las concentraciones de N en las muestras de biocarbonos, también se relacionan con la existencia de lignina de la biomasa (Li et al., 2019) y la presencia de proteínas en los tejidos vegetales (Rivera, 2021) que al descomponerse dan lugar a la liberación de nitrógeno.

El pH, CE y CIC son propiedades químicas para tener en cuenta a la hora de evaluar el poder agronómico del biocarbón. En el estudio se observó una fuerte correlación entre estas variables, lo cual puede estar relacionado a múltiples factores. La alta conductividad eléctrica en los biocarbonos puede estar asociada al alto contenido de sales, en especial sodio (Li et al., 2019), lo que podría aumentar la salinidad del suelo (Ferreira et al., 2019). Sin embargo, los contenidos de sodio de las muestras de biocarbón fueron bajos, por tanto, se atribuye la alta CE a cationes menos hidrosolubles. La CIC, es promovida por grupos funcionales de superficie relacionados a la presencia de abundantes elementos (K, Na, Ca, Mg y P) (Agrafioti et al., 2013; El-Naggar et al., 2019), esta afirmación se puede corroborar con la correlación firmemente positiva que tiene la CIC con algunos de estos nutrientes. De conformidad con lo expuesto, los valores de CIC fueron generalmente altos en todos los biocarbones en estudio, por lo que se considera que todos tienen la capacidad de retener y liberar nutrientes de manera efectiva para las plantas; mientras que con relación al pH, el raquis de palma es alcalino, por lo que podría ser usado para enmendar suelos ácidos; en cuanto a los biocarbones de pulpa de café, estos tienen un pH más neutro en comparación con los de raquis de palma, lo que puede ser favorable para una amplia gama de cultivos y suelos.

Por su parte, la baja densidad real del biocarbón muestra alta porosidad, no obstante, es importante mencionar que esta característica es más eficiente si el biocarbón se mezcla con suelos de textura arenosa que permiten altas tasas de infiltración.

Finalmente, teniendo en cuenta el rendimiento de producción, el contenido nutricional, el pH, la densidad real, la CE y la CIC, los biocarbones de pulpa de café (BPT1, BPT2 y BPT3) son más favorables como enmiendas físicas, químicas y orgánicas para el suelo en comparación con los de raquis de palma (BRT1, BRT2 y BRT3).

4. CONCLUSIÓN

Por las características fisicoquímicas del biocarbón obtenido de pulpa de café y raquis de palma, se evidencia su potencial para ser usado como enmienda física, química y orgánica en los suelos, demostrando ser un proceso efectivo para transformar residuos agroindustriales e incorporarlos al manejo agrícola en diferentes zonas y condiciones.

Los resultados muestran que el contenido de lignina de la biomasa es de importancia a la hora de seleccionar la pirólisis, toda vez que esta propiedad influye en el rendimiento del biocarbón final, en su contenido de C y N, al igual que en la variabilidad del pH, la CE y la CIC.

Igualmente, entre los biocarbones, el proveniente de pulpa de café BPT1, se destaca como la mejor opción debido a su mayor rendimiento y su significativo contenido nutricional. Pero es importante mencionar que factores como las necesidades específicas del suelo y los cultivos, deben ser considerados al elegir el biocarbón más adecuado.

Es necesario realizar más investigaciones sobre las características químicas de biocarbones para ser utilizado como enmienda física, química y orgánica de suelos, sobre todo cuando se usan nuevos materiales vegetales, ya que las propiedades del biocarbón son afectadas por la composición de la materia prima, las técnicas termoquímicas empleadas en su elaboración, el intervalo de calentamiento, temperatura, presión del reactor y uso de catalizadores.

Agradecimientos

A la Vicerrectoría de investigación de la Universidad del Magdalena por la financiación del proyecto.

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