SET DE PROBLEMAS #1 DE PLAN DE CIERRE DE MINA

1. Se observa dos “puntos críticos” encerrados en círculos, con valores de conductividad eléctrica >25dS/m (decisiémens/metro), uno cercano a la esquina noreste y el otro cerca de la esquina suroeste. El área comprendida entre estos dos puntos posee valores de Conductividad Eléctrica <4dS/m. Da dos posibles explicaciones para esta variabilidad.

La diferencia de la conductividad en los puntos extremos del terreno se puede dar debido a:

a. Variación de la concentración de sales en los puntos extremos.b. Incremento de la temperatura, a mayor temperatura mayor conductividad eléctrica.

A mayor capacidad del suelo para retener agua, la concentración de sales será menor, por ende habría una reducción en la conductividad eléctrica.

2. El pH es una variable importante. Si los pH correspondientes a los dos “puntos críticos” de la pregunta 1 llega a 6.2, y el área comprendida entre estos “puntos calientes” tiene un pH de 3.3, ¿Cuánto más ácida es la parte central del campo (punto no critico? Por favor demuestra tu respuesta.

pH=−log ¿6.2=−log ¿−6.2=log ¿10−6.2=10H

+¿ ¿

H+¿=−6.2¿

pH=−log ¿3.3=−log ¿−3.3=log ¿10−3.3=10H

+¿ ¿

H+¿=−3.3¿

FC

=10−3.3

10−6.2

FC

=10−3.3−(−6.2 )

FC

=102.9=794.328

Por lo tanto el suelo en el punto no crítico es 794.328 veces más acido.

3. Así como el pH es una variable química importante, también lo es la textura cuando se trata de propiedades físicas. Este triángulo de textura divide todos los suelos minerales en una de las doce clases texturales. Imagina que los puntos criticos de la pregunta 1 tienen un subsuelo de horizontes argílicos que son arcillo limoso, si los suelos en la parte central del campo tienen una clase textural de franco-arenoso. ¿Qué porcentaje de arena, % de limo y % de arcilla están asociados con los suelos de “puntos crítico” y “puntos no críticos”. Las preguntas de la 4 a la 6 te ayudarán a completar el resto de esta tabla.

CEC (Capacidad de intercambio catiónico)

Suelo %Arena %Limo %ArcillaÁrea de la Superficie

(m2/m3)Est. CEC

(cmol+/kg)xNa

(cmol+/kg)Punto critico 10 45 45

Punto no critico 60 30 10 ---

4. Dada tu respuesta en la pregunta 3, estima el área de la superficie en metros cuadrados por metro cúbico de suelo de “punto crítico” y “punto no crítico”, usando la tabla de abajo

o estos datos: (arena 4x102 cm2/g; limo: 105 cm2/g; arcilla: 7x106 cm2/g ). Asumir una densidad de 1.3Mg/m3. Porfavor demuestra tu respuesta.

El área de la superficie del suelo afecta sus propiedades físicas y químicas y es determinado en gran parte por la cantidad de arcilla presente en el suelo:

Área de la Superficie Específica de las partículas de suelo

PartículaDiámetro

Efectivo (cm)

Masa (g) Área (cm2)

Área de la Superficie Específica (cm2/g)

Grava 2x10-1 1.13x10-2 1.3x10-1 11.1

Arena 5x10-3 1.77x10-7 7.9x10-5 444.4

Limo 2x10-4 1.13x10-11 1.3x10-7 11.1x10^4

Arcilla* 2x10-4 8.48x10-15 6.3x10-8 7.4x10^6

* Espesor =10^-7cm

ρ=

1.3Mg

m3∗1000kg

1Mg=1300 kg

m3

Punto Critico:

Arena=

444.4cm2

gr∗1m2

(100cm )2∗1000gr

1kg=

44.44m2

kg∗1300kg

m3=57772m

2

m3∗0.1=5777.2m

2

m3

Limo=

11.1¿104 cm2

gr∗1m2

(100 cm)2∗1000 gr

1kg=

11100m2

kg∗1300kg

m3=14430000m

2

m3∗0.45=6493500m

2

m3

Arcilla=

7.4¿106 cm2

gr∗1m2

(100cm )2∗1000 gr

1kg=

740000m2

kg∗1300kg

m3=962000000m

2

m3∗0.45= 432900000m

2

m3

Sumatotal=439399277.2m2

m3

Punto no crítico.

Arena=

444.4cm2

gr∗1m2

(100cm )2∗1000gr

1kg=

44.44m2

kg∗1300kg

m3=57772m

2

m3∗0.6=34663.2m

2

m3

Limo=

11.1¿104 cm2

gr∗1m2

(100 cm)2∗1000 gr

1kg=

11100m2

kg∗1300kg

m3=14430000m

2

m3∗0.3=4329000m

2

m3

Arcilla=

7.4¿106 cm2

gr∗1m2

(100cm )2∗1000 gr

1kg=

740000m2

kg∗1300kg

m3=962000000m

2

m3∗0.1=96200000m

2

m3

Sumatotal=100563663.2m2

m3

5. Como hemos aprendido la materia orgánica del suelo (SOM) y las arcillas, ambas proporcionan suelos con CEC (capacidad de intercambio catiónico). El cuadro de abajo proporciona una rápida estimación de CEC basada en el % de arcilla y en el % de SOM. Asumiendo que hay 1% de SOM en cada suelo, estimar la CEC (capacidad de intercambio catiónico) de tu suelo del punto caliente y punto no caliente para completar la tabla de arriba (problema 3). Por favor demuestra tu respuesta, anota cualquier suposición que tomes en cuenta.

% arcilla→1% SOM encada suelo

Punto Critico

Arcilla→45%=0.45

8.48∗10−15 gr∗1kg1000 gr

=8.48∗10−18 kg∗0.45=3.816∗10−18∗0.01=3.816∗10−20∗100 Cmolkg

=3.816∗10−18 Cmolkg

Punto No Crítico

Arcilla→60%=0.6

8.48∗10−15 gr∗1kg1000 gr

=8.48∗10−18 kg∗0.6=5.088∗10−19 Cmolkg

Tabla 8.3

ESTIMACIÓN DE LA CEC (CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO) A PARTIR DE OTRAS PROPIEDADES DEL SUELO

Los datos de la capacidad de intercambio catiónico requieren de mucho tiempo para obtenerlos y no están siempre disponibles. Afortunadamente, a menudo se puede estimar la CEC si los datos de la taxonomía del suelo, el ph del suelo, contenido de arcilla, y el nivel de materia

De las arcillas en este Molisol 0.2 kg x100cmol/kg = 20cmol

De la Materia Orgánica en este Molisol (SOM) 0.04kgx200cmol/kg = 8cmolEl total de Capacidad de Conductividad catiónica (CEC) de este Molisol 20+8 = 28 cmol/kg de suelo.

6. ¿Cuántas toneladas métricas de yeso serán necesarias para reducir la sodicidad de los dos puntos críticos de tu campo?. Tus cálculos deben incluir un peso molecular del yeso de 172g/mol (CaSO4·2H2O). El Ca tiene un peso molecular de 40g/mol, S 32g/mol, O 16g/mol y el H 1g/mol.Asume que cada punto crítico está en una hectárea en área, solo estás interesado en los perfiles mayores a 15cm, y tus objetivos en la reducción de la sodicidad de los “puntos criticos” son de disminuir el ESP (Porcentaje de Sodio Intercambiable) de 25% a 5%.Por favor demuestra tu respuesta y asegúrate de mencionar todas las suposiciones adicionales que haces.

ρ yeso=2.3 g/cm3

1h= 1000m2

P=0.15m

V=150cm3

Tabla 8.3

ESTIMACIÓN DE LA CEC (CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO) A PARTIR DE OTRAS PROPIEDADES DEL SUELO

Los datos de la capacidad de intercambio catiónico requieren de mucho tiempo para obtenerlos y no están siempre disponibles. Afortunadamente, a menudo se puede estimar la CEC si los datos de la taxonomía del suelo, el ph del suelo, contenido de arcilla, y el nivel de materia

ρ=

2.3 g

cm3∗(1003 cm )3

1m3∗1kg

1000g∗1TM

1000kg=2.3TM /m3

2.3TM

m3∗1500m3=3450TM .

ρ=2300kg/m3

ρ=mv

m=ρ∗v

m=(2300 kgm3 )∗1500m3

m=345000 kg∗1000 g1kg

=3450000000gr

n=3450000000 gr172gr /m

n=20058139.53molesde yeso

NOTAS DEL SET DE PROBLEMAS #1

Recuerda, de química y el cuadro 9.2 (“Cálculo de las necesidades de cal basadas en el amortiguamiento o tamponamiento de pH

i. Las unidades del SI de la CEC (capacidad de intercambio catiónico) y de cualquier catión intercambiable son centimoles de carga, por kilogramo de suelo, abreviado

cmol+/kg o cmol+ kg-1. (No olvides las matemáticas del colegio: a-1 = 1/a). En documentos y libros de texto antiguos puedes encontrar que se menciona

miliequivalentes por 100 gramos (meq/100 g). Convenientemente, 1 meq/100 g = 1 cmol+/kg.

ii. Diferentes elementos de la tabla periódica de elementos tienen pesos atómicos, los cuales son siempre un cierto número de gramos por mol. El hidrógeno tiene un peso atómico de 1 gram/mol; el oxígeno tiene un peso atómico de 16 g/mol. Así mismo el agua, al que se conoce como oxígeno reducido, tiene un peso molecular de 18 g/mol. Estos pesos significan que la simplificación del “azúcar” de Tony como CH2O no logra captar el verdadero peso molecular de la glucosa C6H12O6. CH2O pesa 30 g/mol, mientras que la glucosa pesa 6 veces más o 180 g/mol ([6*12=72] + [12*1=12] + [6*16=96]). Importante recordar, cada mol de glucosa-aeróbicamente respirado- produce 12 moles de gases de invernadero: 6 de H2O y 6 de CO2

iii. 1 mol contiene 6x1023 átomos o moléculas de algo; esto es conocido como el número de Avogadro (asombroso), y probablemente sea la razón por la que la tienda de sándwich SUB lleva ese nombre.

iv. 1 centimol es, como un centímetro o un centavo. 1/100 de un mol, de un metro o de un dollar.

v. 1 centimol (cmol) de Ca2+ contiene 2 cmol, porque el calcio es divalente; 1 mol de

Na+ contiene 1 mol, porque el sodio es monovalente; 1mmol de Al3+ contiene 3mmol, porque el aluminio es trivalente. Lee esto de nuevo; es importante. Estamos estableciendo que los diferentes elementos tienen diferentes cargas.

vi. Cada vez que alguien te pregunte acerca del área o el volumen del suelo, debes recordar la cantidad de dimensiones que hay en una caja- esto podría ser la parte más difícil de la “erosion math”. Las cajas de suelo o enmiendas de suelo en esta clase tienen 3 dimensiones. Si cada lado de la caja tiene la misma longitud, se llama

un cubo (por ejemplo, 1 m * 1 m * 1 m = 1 m1 * 1 m1 * 1 m1 = 1*1*1(multiplica los

coeficientes) m(1+1+1) suma los exponentes.

Nota: Cada vez que alguien te da los datos del suelo expresados en área (g C/m2), por favor reconoce que es físicamente imposible obtener cualquier dato del suelo en un plano bidimensional con 0 de espesor. Por lo tanto la primera pregunta que debes hacerte es: ¿A qué profundidad de la caja? 1mm, 1cm, 1dm, or 1m?

vii. Cualquier esfuerzo de tu parte-remediador de suelos- para alterar los cationes en un complejo de intercambio se debe considerar todo lo siguiente:

a. ¿ Cuán grande es tu caja de suelo?. Esto sería un volumen. Un acre-furrow slice es un volumen. (Un acre-furrow slice es usado en los ensayos de laboratorio para expresar el contenido de nutrientes de un suelo en un acre de tierra con un espesor de 6.7 pulgadas.)Un acre-pie es un volumen. Un milímetro cúbico es un volumen. Una milla cúbica es un volumen.Un galón es un volumen. Un litro es un volumen. (Un acre no es un volumen, una

hectárea no es un volumen. Un pie cuadrado no es un volumen, una sección no es un volumen)

b. ¿Cuánto pesa tu suelo? Recuerda: masa = densidad*volumen. Debes recordar que una buena aproximación para la densidad de un suelo es 1.3Mg/m3. Se podría utilizar como dato 1 Mg/m3, para simplificar las matemáticas pero podría haber errores en los cálculos.

c. ¿Cuántas parking spaces (superficie de suelo dadas en acres o pies cuadrados) están en tu caja (unidades cmol)?. Debes saber tu CEC.

d. ¿Cuántos cationes en esos parking spaces necesitas cambiar (con cal, estás

sustituyendo los cationes Ca2+ por H+ o Al3+; con suelos sódicos, estas

sustituyendo cationes Ca2+ por Na+)?e. ¿Cuán “efectivo” es tu enmendado del suelo? Esto es más a menudo dado por

la composición química y tamaño físico- porque el tamaño influye en el área de la superficie, lo que influye en la reactividad.

f. El tamaño tiene su propia nomenclatura relacionada con los tamaños de malla con los que debes familiarizarte. Aquí hay una referencia h t t p:/ / w w w .s i g m aa ld r i ch . c o m/ c h e m i str y / s t o c kr o o m - rea g ent s / lear n i n g- cen t er / t ech n ical-li b ra r y/ p a r ticl e -si z e -c o n v ers i o n . h t m l pero no incluye referencias para phi. Para phi, el tamaño de malla y las aberturas de tamices se ven en h t t p : / / k l e e n e.er. u s g s. g o v / s d ct / i m a g e s / e / e f / Gra in _Si z e _ Sca l es.p d f .

Nota que en EE.UU, los científicos de suelos clasifican las partículas>2mm y <7.5mm como gravas, partículas >0.05 mm y <2 mm como arenas, partículas >0.002 mm y <0.05 mm como limos y particulas <0.002 mm (= 2 µm) como arcillas. Los ingenieros en este país usan un sistema diferente, y los científicos de suelos de otros países usan otro (ver, por ejemplo: Figura 4.1 de Brady & Weil)

La figura (9.17) ilustra 5 veces los efectos de la textura (arenas vs francos arcillosos) en capacidad de intercambio catiónico, los cuales luego se traduce a una diferencia de 4 veces en la cantidad de caliza molida (como toneladas métricas de CaCO3, 100 g/mol, por hectárea; Mg/ha) requerida para incrementar el ph del suelo a un ph objetivo de 6.5 (donde todas las líneas se encuentran en el eje “y”).

Nota que una suposición es hecha con respecto a la profundidad del suelo La caliza molida puede valorizarse en $75/Mg.

ph inicial del sueloFranco arcillosoFranco limosoFrancoFranco arenoso Arenoso

7. Pregunta Adicional Para la pregunta # 6, ¿Cuántos camiones de un solo eje son necesarios para la cantidad de yeso, si cada camión puede contener 5yd? (En este caso 1 yarda se refiere a un camión con

una capacidad de volumen igual a 1yard* 1 yard * 1 yard lo que es igual a 1 yard3). La capacidad del camión es realmente 5 yardas cúbicas, pero por algunas razones los volúmenes son dados en unidades de distancia. Por favor demuestra tu respuesta y especifica las suposiciones que has hecho.