La acidificación de los suelos es uno de los procesos negativos que limitan su productividad. En las regiones tropicales o subtropicales, donde las precipitaciones y temperaturas son elevadas los suelos generalmente son muy ácidos, esto provoca un desequilibrio catiónico por la lixiviación de base ¹. Existe un reemplazo de bases cambiables por iones de hidrógeno y aluminio debido a la percolación del agua, extracción de cationes básicos por las plantas y por el uso de fertilizantes ácidos ².

La misma fuente indica que cuando los suelos son fuertemente ácidos pH=4,5-5,5 se incrementa notoriamente el contenido de aluminio, lo que provoca una serie de procesos químicos - físicos que afectan negativamente el crecimiento de las plantas, entre los cuales se pueden mencionar: (i) disminución de la actividad microbiana, especialmente la bacterial; (ii) baja capacidad de intercambio catiónico; (c) cantidades reducidas de fósforo (P) calcio (Ca); magnesio (Mg), cobre (Cu) y molibdeno (Mo) disponibles. Estudios recientes indican la influencia de la fertilización nitrogenada en el aumento de la acidez y la limitada eficiencia que tienen los fertilizantes aplicados a cultivos de café (Coffea arabica L.) en suelos con problemas de acidez ³. Este problema de acidez en cafetales ha sido contrarrestado con la aplicación de cal agrícola en dosis bajas (340 kg ha/año), lo cual incrementó la producción de café en un 15 % ⁴.

La elevada acidez de los suelos se ve muy influenciada por la actividad del hombre ⁵, siendo las lluvias ácidas una de estas manifestaciones. Sin embargo, otras investigaciones indican que no siempre se acidifican los suelos ⁶. En estas investigaciones se presentan resultados del aumento del pH en suelos Ferralíticos Rojos y Ferralíticos Rojos Lixiviados que está ocurriendo en los últimos 20-25 años, con una hipótesis que plantea que es debido a la degradación del suelo por el manejo agrícola continuado, conjuntamente con el aumento de la temperatura media de las llanuras de Cuba de 0,9 °C en los últimos 60 años. Este aumento de pH que está ocurriendo en estos suelos, también ocurre por la influencia agrogénica, junto con el cambio climático.

En Cuba este proceso resulta muy pernicioso para la agricultura debido, entre otros aspectos, al área que es afectada por algún tipo de acidez y a la desfavorable distribución agroproductiva de los suelos.

De acuerdo a cifras oficiales, el área afectada por la acidez en los suelos de Cuba, corresponde al 50,7 % de la superficie agrícola, tomando en consideración los valores de acidez para 𝑝𝐻 𝐾𝐶𝑙 < 6 y 𝑝𝐻 𝐾𝐶𝑙 < 4,6. Significa que el 31 % de la superficie total del país está afectado por la acidez; es decir, 3,4 millones de hectáreas. Esta situación afecta a una parte importante de los suelos agrícolas del mundo, donde el 40 % son suelos ácidos con pH menor a 5,5 ⁷.

Cuando se analiza la clasificación agroproductiva de los suelos cubanos ⁸, se aprecia, junto con la acidez de los suelos, el grave problema de disponibilidad de suelos para los cultivos. Sólo el 33 % son clasificados como suelos muy productivos o productivos; el 21 % medianamente productivo y aproximadamente la mitad, el 46 %, como poco productivos.

El pH del agua de riego es otro factor a tener en consideración, este debe estar entre 5,5-7,0 al igual que el pH del suelo ⁹. Un pH menor que 5,5 en el suelo aumenta los niveles de Al⁺³. El H⁺ intercambiable es la fuente principal de H⁺ hasta que el pH del suelo llega a 5,3 cuando el Al⁺³ de las láminas octaédricas de las arcillas se vuelve inestable y es absorbido como Al⁺³ intercambiable ¹⁰, siendo la toxicidad a este elemento el factor limitante de crecimiento más importante en los suelos ácidos ¹¹. Por otro lado, en presencia de pH superior a 7,5 se limita la capacidad de absorción de hierro (Fe), manganeso (Mn) y zinc (Zn) ¹².

En la Empresa de Fertilizantes y Plaguicidas de Nuevitas en Camagüey, el nitrato de calcio [Ca(No₃)₂] se obtiene mediante la neutralización del ácido nítrico y el hidrato de cal. Esta reacción produce el nitrato de calcio en solución y un volumen de residuos sólidos. Estos residuos sólidos están formados, de una parte, por el hidrato de cal que no reaccionó en el reactor, los cuales se colectan en el filtro primario y, por otro lado, por el lodo que se obtiene en el proceso de sedimentación.

No existe una estrategia única del control de la acidez del suelo debido a las particularidades de los mismos, la aplicación de una misma fuente cálcica en diferentes tipos de suelos genera diversas respuesta en cuanto a la concentración de calcio y potasio disponibles, valor de pH, entre otros ¹³. Existen muchos factores que están involucrados en la corrección de la acidez, por lo cual la solución de este problema implica un enfoque integral que abarca desde el análisis del suelo, el agua y el uso de enmiendas, entre otras ¹⁴. Experiencias en Cuba ¹⁵ han demostrado que al establecer un sistema integrado de tecnologías de manejo sostenible de suelo ayuda a mejorar el desequilibrio intercatiónico y las propiedades químicas del suelo, entre otros aspectos.

El presente trabajo tiene como propósito fundamental caracterizar los residuos sólidos que se obtienen en este proceso. La confirmación de nutrientes en estos residuos permitiría a la entidad comercializarlo como material destinado a encalar suelos ácidos y portador de nutrientes.

Los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Química Inorgánica del Centro de Ingeniería e Investigaciones Químicas (CIIQ), ubicado en La Habana y perteneciente al Grupo Empresarial de la Industria Química (GEIQ) del Ministerio de Industrias (MINDUS).

Se pesó un kilogramo del residuo sólido del filtro primario, se secó en la estufa marca Merck ULM-500, de origen alemán, a una temperatura de 105 ºC durante una hora. Posteriormente, sin recibir algún tratamiento de reducción de tamaño, este se pasó por un vibrador de tamices Marca MRC Scientific Instruments Modelo TSS-200 para determinar la granulometría de la muestra.

Se separó un litro del lodo residual del proceso de sedimentación. Para el filtrado del lodo se utilizó un embudo con el papel de filtro F-2041, a una presión de vacío de -0,6 atm, de esta filtración se obtuvo un residuo sólido y un líquido claro.

Ambas muestras se caracterizaron de acuerdo a las normas: NC 1117:2016; NC 1119:2016; NC 1121:2016; NC 54-279 y Reagent Chemicals, 8^th American Chemical Society Specifications. Se determinó la granulometría, el residuo insoluble, el porciento de nitrógeno y de calcio, la densidad del líquido y la acidez, ésta última se determina con papel indicador de pH, rango desde 1-14.

Las Tablas 1 y 2 presentan la caracterización de los residuos sólidos de este proceso, con el propósito de evaluar la factibilidad de ser usados como enmiendas o material encalante.

En la Tabla 1, se puede observar que el residuo sólido que sale del reactor tiene un pH alto por lo que aún queda hidróxido de calcio [Ca(OH)₂].

En la Tabla 2 se observa que existe cierta cantidad de nitrato de calcio en el residuo sólido, aunque con valores inferiores a la del líquido claro.

La corrección de la acidez consiste en neutralizar, principalmente, el aluminio intercambiable. Es de notar que esta reacción ocurre solo cuando hay humedad en el suelo y solo afecta el volumen del suelo donde se aplica. La reacción ocurre según la siguiente reacción ^1,11:

El efecto del encalado se extiende hasta la biodiversidad al modificar la disponibilidad de nutrientes que hace que se desarrollen unas especies en detrimento de otras, a medida que el pH se acerca a 7, el número de especies aumenta, pues un gran número de éstas tiene su desarrollo óptimo a este valor, si el pH se aleja de la neutralidad aparecen otras adaptadas a esas condiciones especiales ¹⁶. Una opinión aceptada sobre el propósito del encalado se puede resumir en dos aspectos fundamentales (i): suprimir la deficiencia de calcio y magnesio; (ii) corregir los efectos negativos de la acidez ¹.

La Tabla 3 muestra los valores de neutralización de diferentes sustancias químicas empleadas para encalar.

La eficiencia agronómica de los materiales utilizados para encalar, se determina al analizar la pureza del material, la forma química, el tamaño de las partículas y el valor de la neutralización, que se expresa como porcentaje equivalente en carbonato de calcio ^17,18.

Las sustancias más comunes empleadas para encalar son inorgánicas, como las que se muestran en la Tabla 4, aunque hay estudios realizados con residuos orgánicos, específicamente vermicompost de estiércol bovino, solo o mezclado, que han dado buenos resultados ¹⁹.

Otros materiales como la caliza fosfatada y combinaciones de abonos orgánicos y NPK han dado muy buenos resultados en áreas cañeras de Vertisoles de la costa norte de la provincia de Villa Clara, estas combinaciones manifestaron efectos positivos significativos sobre la estructura del suelo, tanto en la capa superficial como en el subsuelo, con impacto residual en el tiempo hasta los 36 meses ²⁰. La aplicación de cales líquidas en un Utisol, puede disminuir rápidamente la acidez del suelo con un efecto residual superior a los 61 días e incrementar la fertilidad del suelo, aumentando la altura de las plantas, la longitud de las raíces y el peso seco de la biomasa del maíz ²¹.

Es preciso tener presente que es necesario realizar esta operación de manera controlada para evitar efectos adversos, siendo uno de ellos la elevación de los costos de producción.

La eficiencia agronómica del material para encalar depende del tamaño de la partícula, mientras más pequeña sea ésta, mayor será su reacción. Por lo que su eficiencia relativa (ER) va a depender del grado de molienda del material ^17,18. La Tabla 4 muestra esta relación.

Para valorar de forma conjunta estos dos factores, la pureza química y el tamaño de partícula, se utiliza un parámetro denominado Poder Relativo de Neutralización Total (PRNT). Este valor indica la cantidad de material que reaccionará en los primeros tres meses ¹⁷ y se calcula de acuerdo a la ecuación 1.

La valoración del residuo sólido del filtro primario como material para encalar se muestra en la Tabla 5.

Del balance de masa realizado en el reactor, en el filtro primario, en un día de trabajo, se obtienen 176 kg de residuos sólidos, lo que significa que 95,92 kg tienen la granulometría requerida y pueden reaccionar con la acidez de los suelos de manera eficiente. De este valor inicial 27,0 kg reaccionaría en los primeros tres meses y el resto (68, 92 kg) reaccionarían posteriormente.

Está claro que un tamaño de partícula menor en el residuo, tendría un mayor valor de PRNT y mayor cantidad de cal reaccionaría en los primeros tres meses, lográndose una mayor neutralización de los suelos ácidos en los primeros tres meses. Estos tiempos pueden variar, estudios realizados en suelos fuertemente ácidos cultivados con cacao se aplicó como material encalante cal agrícola de 85 % de pureza y cal dolomita con 55 % de CaCO₃ y 33 % de MgCO₃ el pH de los suelos aumentó de 4,36 hasta 6,0 en 60 días ²².

El residuo del filtro primario se empleó sin ningún tratamiento de reducción de partícula para evaluar su PRNT y así evitar el incremento de los costos.

El objetivo de la planta de nitrato de calcio es producir 2800 m³ año^-1 de fertilizante líquido, esto generaría 123,2 t de residuos sólidos que de emplearse como material para encalar suelos evitaría la generación de un pasivo ambiental. En la Tabla 6 se presentan las cantidades de caliza fina puramente dividida con el propósito de incrementar el pH en 0,5 unidades, por lo que puede tenerse una idea de cuanta área cubrirá este residuo. Sin embargo, es necesario hacer un análisis químico del suelo para determinar el pH y la capacidad tampón del mismo ²³.

Las características de los materiales para encalar son variables y cada uno tiene sus especificaciones. Se plantea que un material tiene buena calidad para encalar si tiene un contenido equivalente de carbonato de calcio del 80 % en adelante. Los materiales cuyo ingrediente son el óxido e hidróxido de calcio y magnesio son más efectivos en neutralizar la acidez. Además, cuanto más fino y mayor contenido de calcio y magnesio tenga, más rápida será su reacción en el suelo ²⁴.

Sin embargo, un aspecto que podría aportar un beneficio adicional al emplear este residuo sólido en la agricultura, es la cantidad de nitrato de calcio que aún retiene el mismo y que puede ser empleado por las plantas como fuente de nitrógeno fácilmente asimilable. Otras experiencias han demostrado que la combinación de material encalante con macronutrientes puede resultar beneficioso para el incremento de la productividad de las plantas entre otros beneficios. En un trabajo realizado ²⁵ utilizaron el yeso agrícola como material para encalar y lo combinaron con fertilizante 41-46-00 ²⁶, lo que representó ventajas competitivas en la producción de maíz, incrementando el rendimiento de la masa foliar y el rendimiento en grano, igualmente las plantas bajo este tratamiento resultaron tener tallos más robustos y de mayor altura.

En otro estudio realizado se empleó la espuma azucarera que es un material con alto contenido en peso seco de CaCO₃ y pequeñas cantidades de NPK por lo que se produjo un aumento en las concentraciones medias de 𝑁 - 𝐾𝑗𝑒𝑛𝑑𝑎𝑙, 𝑃 - 𝑂𝑙𝑠𝑒𝑛 y 𝐾 - 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 de los suelos, al igual que en la fertilidad química y bioquímica de los suelos ²⁷.

Realizar una prueba de campo con este residuo industrial para determinar su eficiencia agronómica en la disminución de la acidez de los suelos.

Soil acidification is one of the negative processes that limit its productivity. In tropical or subtropical regions, where rainfall and temperatures are high, the soils are generally very acidic; this causes a cationic imbalance due to the leaching of bases ¹. There is a replacement of exchangeable bases by hydrogen and aluminum ions due to the percolation of water, extraction of basic cations by plants, and the use of acidic fertilizers ². The same source indicates that when the soils are strongly acidic (pH=4.5-5.5), the aluminum content increases markedly. It causes a series of chemical-physical processes that negatively affect the growth of plants, among which the following may be mentioned: (i) decrease in microbial activity, especially bacterial activity, (ii) low cation exchange capacity, (c) reduced amounts of phosphorus (P), calcium (Ca), magnesium (Mg), copper (Cu ) and molybdenum (Mo) available. Recent studies indicate the influence of nitrogen fertilization on increasing acidity and the limited efficiency of fertilizers applied to coffee crops (Coffea arabica L.) in soils with acidity problems ³. This acidity problem in coffee plantations has been counteracted with the application of agricultural lime in low doses (340 kg ha year^-1), which increased coffee production by 15 % ⁴.

The high acidity of the soils is highly influenced by human activity ⁵, with acid rains being one of these manifestations. However, other research indicates that soils are not always acidified ⁶. These investigations present the results of the pH increase in Ferralitic Red and Ferralitic Red Leachate soils that is occurring in the last 20-25 years, with a hypothesis that it is due to soil degradation by continued agricultural management. Also, with the increase in the average temperature of the plains of Cuba of 0.9 ºC in the last 60 years. The pH increase that is occurring in these soils is also influenced by the agrogenic influence together with climate change.

In Cuba, this process is very harmful for agriculture due, among other things, to the area that is by some type of acidity affected and the unfavorable agro-productive distribution of the soil.

According to official figures, the area affected in Cuba by acidity in soils corresponds to 50.7 % of the agricultural area ⁸, taking into account the acidity values for pH KCl < 6 and pH KCl < 4.6. It means that 31 % of the total surface of the country is by acidity affected, that is, 3.4 million hectares. This situation affects an important part of the world's agricultural soils, where 40 % are acidic soils with a pH less than 5.5 ⁷.

When the agro-productive classification of Cuban soils is analyzed ⁸, along with the acidity of the soils, the serious problem of soil availability for crops can be seen. Only 33 % are classified as highly productive or productive soils, 21 % moderately productive and approximately half, 46 %, as little productive.

The pH of the irrigation water is another factor to consider, it must be between 5.5 - 7.0 as well as the pH of the soil ⁹. A pH less than 5.5 in the soil increases Al⁺³ levels. Interchangeable H⁺ is the main source of H⁺ until the soil pH reaches 5.3 when the Al⁺³ of the octahedral sheets of the clays becomes unstable and is absorbed as interchangeable Al^{+3 (10}, the toxicity being to this element the most important limiting factor of growth in acidic soils ¹¹. On the other hand, in the presence of a pH higher than 7.5, the absorption capacity of iron (Fe), manganese (Mn) and zinc (Zn) is limited ¹².

At the Nuevitas Fertilizer and Pesticide Company in Camagüey, calcium nitrate [Ca(NO₃)₂] is by neutralizing nitric acid and lime hydrate obtained. This reaction produces calcium nitrate in solution and a volume of solid waste. These solid residues are formed, on the one hand, by the lime hydrate that did not react in the reactor, which are collected in the primary filter and, on the other hand, by the sludge obtained in the sedimentation process.

There is no unique strategy to control the acidity of the soil due to their particularities; the application of the same calcium source in different types of soils generates different responses in terms of the concentration of available calcium and potassium, pH value, among others ¹³. Many factors are involved in the correction of acidity. The solution of this problem implies a comprehensive approach that ranges from the analysis of soil, water and the use of amendments, among others ¹⁴. Experiences in Cuba have shown that, by establishing an integrated system of sustainable soil management technologies ¹⁵, it helps to improve the intercationic imbalance and the chemical properties of the soil, among other aspects.

The main purpose of this work is to characterize the solid residues obtained in this process. Confirmation of nutrients in these residues would allow the entity to market it as a material intended for liming acidic soils and carrying nutrients.

The tests were carried out in the Inorganic Chemistry Laboratory of the Center for Chemical Engineering and Research (CIIQ), located in Havana and belonging to the Business Group of the Chemical Industry (GEIQ) of the Ministry of Industries (MINDUS).

One kilogram of the solid residue from the primary filter was weighed, dried in the Merck brand stove ULM-500, of German origin, at a temperature of 105 °C for one hour. Subsequently, without receiving any size reduction treatment, it was passed through a MRC Scientific Instruments Model TSS-200 sieve shaker to determine the sample size.

One liter of the residual sludge from the sedimentation process was separated. For filtering the sludge, a funnel was used with the filter paper F-2041, at a vacuum pressure of -0.6 atm, from this filtration a solid residue and a clear liquid were obtained.

Both samples were characterized according to standards: NC 1117: 2016; NC 1119: 2016; NC 1121: 2016; NC 54-279 and Reagent Chemicals, 8^th American Chemical Society Specifications. The granulometry, the insoluble residue, the percentage of nitrogen and calcium, the density of the liquid and the acidity were determined, the latter being determined with pH indicator paper, range from 1-14.

Table 1 and 2 present the characterization of the solid residues of this process with the purpose of evaluating the feasibility of being used as amendments or liming material.

In Table 1, it can be seen that the solid residue leaving the reactor has a high pH, so there is still calcium hydroxide [Ca(OH)₂].

In Table 2, it is observed that there is a certain amount of calcium nitrate in the solid residue of the settler, although with lower values than that of the clear liquid.

The correction of the acidity consists, fundamentally, in neutralizing mainly the interchangeable aluminum. It is noteworthy that this reaction occurs only when there is moisture in the soil and only affects the volume of the soil where it is applied. The reaction occurs according to the following formula ^1,11:

The effect of liming extends to biodiversity by modifying the availability of nutrients that makes some species develop to the detriment of others. As the pH approaches 7, the number of species increases, as a large number of these have Its optimal development at this value, if the pH moves away from neutrality, others adapted to these special conditions appear ¹⁶. An accepted opinion on the purpose of liming can be summarized in two fundamental aspects, (𝑖) to suppress calcium and magnesium deficiency; (𝑖𝑖) correct the negative effects of acidity ¹.

Table 3 shows the neutralization values of different chemical substances used for liming.

The agronomic efficiency of the materials used for liming is determined by analyzing the purity of the material, the chemical form, the size of the particles and the value of the neutralization that is expressed as an equivalent percentage in calcium carbonate ^17,18.

The most common liming substances used are inorganic as shown in Table 4, although there are studies carried out with organic residues, specifically vermicompost of bovine manure, alone or mixed that have given good results ¹⁹. Other materials such as phosphated limestone and combinations of organic fertilizers and NPK have given very good results in cane fields of Vertisoles on the north coast of the province of Villa Clara. These combinations showed significant positive effects on the structure of the soil, both in the layer superficial as in the subsoil, with residual impact over time up to 36 months ²⁰. The application of liquid limes in an Utisol, can rapidly decrease the acidity of the soil with a residual effect greater than 61 days, and increase the fertility of the soil, increasing the height of the plants, the length of the roots and the dry weight of corn biomass ²¹.

It should be borne in mind that it is necessary to carry out this operation in a controlled manner to avoid adverse effects, one of them being the increase in production costs.

The agronomic efficiency of the liming material depends on the particle size, the smaller it is, the greater its reaction. Therefore, its relative efficiency (ER) will depend on the degree of grinding of the material ^17,18. Table 4 shows this relationship.

To assess these two factors together, chemical purity and particle size, a parameter called Relative Total Neutralization Power (PRNT) is used. This value indicates the amount of material that will react in the first three months ¹⁷ and it is calculated according to equation 1.

The assessment of the solid residue of the primary filter as liming material is shown in Table 5.

176 kg of solid waste is obtained from the mass balance carried out in the reactor in one working day, which means that 95.92 kg has the required granulometry and can react efficiently with the acidity of the soil. From the initial value 27.0 kg would react in the first three months, and the rest, 68, 92 kg would react later. It is clear that a smaller particle size in the residue would have a higher PRNT value and a greater quantity of lime would react in the first three months, achieving greater neutralization of acidic soils in the first three months. These times may vary, studies carried out in strongly acidic soils cultivated with cocoa applied as lime material agricultural lime of 85 % purity and dolomite lime with 55 % CaCO₃ and 33 % MgCO₃, the pH of the soils increased from 4.36 to 6.0 in 60 days ²².

The residue from the primary filter was used without any particle reduction treatment to evaluate its PRNT and thus avoid increasing costs.

The objective of the calcium nitrate plant is to produce 2,800 m³ year^-1 of liquid fertilizer, this would generate 123.2 t of solid waste, which, if used as a liming material, would avoid the generation of an environmental liability. Table 6 presents the quantities of purely divided fine limestone with the purpose of increasing the pH by 0.5 units, so it can get an idea of how much area this residue will cover. However, it is necessary to do a chemical analysis of the soil to determine its pH and buffer capacity ²³.

The characteristics of the liming materials are variable and each one has its specifications. It is stated that a material has good quality to whitewash if it has an equivalent content of calcium carbonate of 80 % onwards. Materials whose ingredient is calcium and magnesium oxide and hydroxide are more effective in neutralizing acidity. Furthermore, the finer and higher the calcium and magnesium content, the faster your reaction will be in the soil ²⁵.

However, an aspect that could provide an additional benefit when using this solid residue in agriculture is the amount of calcium nitrate that it retains and that can be used by plants as an easily assimilable source of nitrogen. Experiences have shown that the combination of liming material with macronutrients can be beneficial for increasing plant productivity among other benefits. In a work carried out it was used agricultural gypsum as a liming material and combined it with fertilizer 41-46-00 ²⁶, which represented competitive advantages in the production of corn, increasing the yield of the leaf mass and the yield in grain, also the plants under This treatment turned out to have more robust stems and higher height. In another study carried out, sugar foam, a material with a high dry weight content of CaCO₃ and small amounts of NPK, produced an increase in the mean concentrations of N-Kjendal, P-Olsen and K-available from soils, as well as in the chemical and biochemical fertility of soils ²⁷.

Carry out a field test with this industrial residue to determine its agronomic efficiency in reducing the acidity of the soil.