Um teste de textura do solo ou uma análise do tamanho dos grãos do solo (também chamada de análise da textura do solo ou análise do tamanho das partículas) é o que os pesquisadores usam para analisar a fração mineral de um solo. A medição precisa da textura do solo é fundamental para compreender a retenção de água no solo, a condutividade hidráulica, a lixiviação da água do solo, o potencial de erosão, o armazenamento de nutrientes no solo, a dinâmica da matéria orgânica, a capacidade de sequestro de carbono e muito mais.
A textura do solo ou o tamanho do grão é uma propriedade física fundamental do solo, e a distribuição do tamanho do grão ou a distribuição do tamanho da partícula de um solo pode variar em tamanho de partícula, desde pedras e rochas até argilas submicrônicas. Normalmente, quando se observa o tamanho do grão e a textura do solo, as partículas do solo são menores que 2.000 mícrons. Essas partículas de solo geralmente são divididas em três classes: areia, silte e argila. Um bom exemplo dessa divisão é mostrado no triângulo de textura do solo (Figura 2), reconhecível para aqueles que estão familiarizados com o sistema de classificação do USDA. Esse triângulo considera os tamanhos de partículas sólidas e os divide em diferentes frações de areia, silte e argila.
Ao escolher um método de análise de tamanho de grão para criar uma curva de distribuição de tamanho de grão, é importante entender como os cientistas tradicionalmente realizavam essas análises e como a medição evoluiu ao longo do tempo.
Durante muitos anos, pesquisadores e produtores texturizaram o solo manualmente, usando fitas e verificando a granulometria com as mãos. Embora esse método ainda seja útil quando se tenta caracterizar os solos no campo, ele é subjetivo e propenso a erros. Ele funciona como uma ferramenta qualitativa para fazer uma caracterização rápida; entretanto, hoje temos métodos mais precisos.
Um método para obter medições precisas do tamanho dos grãos é a análise de peneiras usando peneiras de tamanho padrão ASTM (às vezes, são usados outros sistemas de classificação com padrões diferentes para tamanhos de peneiras). Nesse método, o tamanho das partículas do solo é medido à medida que o solo passa por peneiras para capturar as diferentes faixas de tamanho. Normalmente, esse método é melhor para frações mais grosseiras do solo.
Ao tentar caracterizar qualquer coisa abaixo de 2000 mícrons ou dois milímetros, os métodos de sedimentação baseados na lei de Stokes são mais eficazes(Gee et al, 2002). Os mais comuns são os métodos do hidrômetro e da pipeta(Gee et al, 2002). Os avanços na tecnologia também introduziram novos métodos ópticos, como atenuação de raios X, difração de laser e espectroscopia VisNIR. Este artigo e o vídeo abaixo se concentram na comparação dos fundamentos e da teoria científica por trás dos métodos mais comumente usados: sedimentação e difração a laser.
Conforme mencionado, as partículas do solo têm uma ampla gama de tamanhos variados, desde pedras e rochas (normalmente com mais de 0,25 metro de tamanho) até argilas micronizadas (normalmente com menos de um mícron), conforme mostrado na Figura 5. Aqui, nos concentramos em medições de partículas menores que dois mm ou 2000 um, mas todos esses componentes (ou frações de tamanho) fazem parte de suas classificações e precisam ser contabilizados. Portanto, ao tentar caracterizar os solos, é preciso levar em conta quaisquer frações maiores que possam estar presentes.
A Figura 5 ilustra os vários sistemas de classificação de tamanho e classificação do solo, como o USDA e o Sistema Unificado de Classificação do Solo, ambos normalmente usados nos EUA. O sistema que você usa pode mudar dependendo do seu caso de uso e do local (por exemplo, há um padrão alemão para a classificação do solo também). O sistema de classificação do USDA é usado para fins agrícolas e ambientais, enquanto o Sistema Unificado é usado principalmente para engenharia. Também é importante entender o que é necessário ao relatar seus resultados. O tipo de sistema de classificação que você escolherá será determinado pelo destinatário do relatório e pela forma como os resultados serão usados.
A forma como os dados serão apresentados também é um aspecto importante a ser considerado. Há muitas maneiras de apresentar os dados da análise de tamanho de grão. Uma das mais comuns é a curva de distribuição cumulativa de tamanho de partícula (ou curva de distribuição de tamanho de grão). Uma curva de distribuição de tamanho de grão, como a da Figura 6, mostra diferentes texturas de solo e a aparência de suas distribuições cumulativas com base no diâmetro das partículas.
Os dados de análise de tamanho de grão também podem ser relatados como uma porcentagem baseada em massa das diferentes classes de tamanho. Em outras palavras, você pode informar as classes de tamanho como porcentagem de argila, porcentagem de areia e porcentagem de silte. E uma maneira ainda mais simples de classificar um solo é relatá-lo como uma textura de solo.
O método de relatório escolhido depende do nível de detalhes de que você precisa. Uma curva de distribuição cumulativa de tamanho de partícula (Figura 6) fornecerá as informações mais detalhadas, mas os dados da curva de distribuição nem sempre são fáceis de interpretar. Portanto, dependendo do seu caso de uso, você pode decidir usar um método mais simples.
A forma como o solo é tratado em seu pré-tratamento é um processo importante, pois pode afetar a precisão de seus dados. Muitos pesquisadores consultam o livro, Métodos de Análise do Solo, Parte 4: Métodos Físicos para obter um método confiável de preparação de amostras. Mas há outros métodos de pré-tratamento disponíveis, incluindo o método ASTM e diferentes métodos em padrões internacionais.
Para todos os métodos de medição, o solo passa por uma preparação inicial idêntica. As partículas de areia, silte e argila são separadas para análise individual. A matéria orgânica, o óxido de ferro e o carbono orgânico também podem ser removidos (se presentes em quantidades significativas), pois podem interferir na medição.
Alguns dos métodos mais comumente usados são baseados na sedimentação e na lei de Stokes. A análise de sedimentação se baseia na relação existente entre a velocidade de sedimentação e o diâmetro das partículas. As partículas são colocadas em suspensão em uma solução aquosa e, com o tempo, essas partículas cairão ou se depositarão em várias taxas, dependendo do tamanho das partículas (Figura 7).
Essa relação foi definida pela primeira vez em 1851 por George Gabriel Stokes, um físico irlandês-inglês da Universidade de Cambridge que desenvolveu o que hoje é conhecido como lei de Stokes.
Há algumas premissas básicas por trás da lei de Stokes e dos métodos baseados em sedimentação. Essas premissas são:
Essas premissas não são perfeitas, mas, mesmo com os possíveis problemas decorrentes dessas premissas, os métodos de sedimentação estão bem estabelecidos e foram testados extensivamente com resultados precisos. Entender isso ajudará na decisão entre diferentes métodos de medição.
Os dois métodos mais comumente usados para medições de sedimentação incluem o hidrômetro e o método da pipeta. Um terceiro método, a pressão de suspensão integral, é um avanço dos métodos de sedimentação, com base no que aprendemos ao longo do tempo. Existem algumas diferenças perceptíveis entre os métodos, pois cada um está medindo uma zona específica dentro do cilindro. Essas diferenças são discutidas abaixo à medida que exploramos cada método, sua precisão e o que se espera dessa medição.
O método do hidrômetro depende dos fundamentos da lei de Stokes. Uma solução aquosa de solo é colocada em suspensão, colocada de lado e deixada assentar em um determinado período de tempo. Normalmente, a medição leva 24 horas se estiver tentando quantificar argilas de dois mícrons. Durante esse período, o hidrômetro (Figura 9) é usado para medir a mudança na densidade da solução à medida que as partículas começam a assentar. Há uma relação entre essa alteração na densidade (ou a profundidade de sedimentação do hidrômetro) e os vários tamanhos de partículas que ainda estão em suspensão.
Para fazer uma medição precisa, a fração de areia precisa ser separada e quantificada previamente por meio de análise de peneira. Essa etapa é fundamental para obter uma estimativa precisa da fração de argila com o método do hidrômetro. As partículas de areia são tão grandes que se depositam muito rapidamente, dificultando a obtenção de uma medição precisa. Esse é um problema comum em quase todos os métodos baseados em sedimentação. Por fim, esse método requer um cilindro "branco" de controle. Em quase todos os testes, o hexametafosfato de sódio (um dispersante químico) é adicionado ao cilindro de sedimentação e altera a densidade da água. O cilindro vazio funciona como um controle, corrigindo os efeitos da temperatura e da dispersão devido ao hexametafosfato de sódio.
Por fim, esse método exige um cilindro "vazio" de controle. Em quase todos os testes, o hexametafosfato de sódio (um dispersante químico) é adicionado ao cilindro de sedimentação e altera a densidade da água. O cilindro vazio funciona como um controle, corrigindo os efeitos da temperatura e da dispersão devido ao hexametafosfato de sódio.
Prós do método do hidrômetro: Apesar dos desafios, a abordagem do hidrômetro é barata e a precisão desse método é de cerca de +/- 3%.
Contras do método do hidrômetro: Assim como a maioria dos métodos de sedimentação, o hidrômetro tem seus desafios. A abordagem do hidrômetro é um esforço demorado e requer atenção constante em intervalos de tempo fixos, às vezes não na melhor hora do dia ou no meio da noite. Além disso, tudo é feito manualmente, o que pode levar a erros.
Desafio 1: O método do hidrômetro é uma medição manual. As medições manuais são sempre propensas a erros, pois dependem de você fazer uma leitura precisa do hidrômetro e, ao mesmo tempo, ficar de olho nos cilindros por longos períodos.
Desafio 2: A perturbação do processo de sedimentação causada quando o hidrômetro é inserido nos cilindros pode ser uma fonte de erro. Muita coisa pode dar errado com essa abordagem, especialmente porque esse método exige tempos de medição fixos. Para usar esse procedimento corretamente, as medições devem ser feitas em intervalos específicos, dependendo dos pontos de sua curva de distribuição de tamanho de partícula, seja em intervalos de 30 segundos, um minuto, quatro minutos ou 12 horas.
Desafio 3: A temida leitura de 24 horas. Muitas vezes, você começa uma medição na sexta-feira e precisa voltar no sábado para fazer a medição de 24 horas.
Em geral, ao se referir a métodos de sedimentação para análise de tamanho de grão ou análise de textura do solo, o método da pipeta é o padrão ouro. Ele permite uma medição mais precisa e, dependendo da sua abordagem, pode levar em conta as argilas mais finas melhor do que o método do hidrômetro.
Semelhante ao método do hidrômetro, a fração de areia ainda precisa ser separada previamente e quantificada separadamente com análise de peneira. No entanto, diferentemente do hidrômetro, a pipeta coleta amostras diretas de uma zona de amostra menor. Depois que as amostras são colocadas em suspensão usando a Lei de Stokes, pequenas subamostras são coletadas em intervalos definidos e secas em um forno. As amostras secas são então pesadas. Cada peso representa os diferentes tamanhos de partículas na zona de amostragem durante aquele período. Por exemplo, uma medição pode estar na faixa de tamanho de dois mícrons, outra medição na faixa de tamanho de cinco mícrons e outra medição na faixa de tamanho de 20 mícrons.
Os prós de usar o método da pipeta são:
Os desafios ou contras do método da pipeta são semelhantes aos do método do hidrômetro:
E, por fim, apesar da maior precisão na curva de distribuição de tamanho de partícula, sua precisão permanece em +\- 3%.
O método de pressão de suspensão integral ou ISP segue os mesmos princípios dos outros métodos de sedimentação baseados na lei de Stokes. Diferentemente dos métodos tradicionais, o método ISP usa um transdutor de pressão de alta precisão para medir a mudança de densidade na solução à medida que as partículas se assentam (Figura 12).
Os métodos de suspensão integral (o método ISP e o método ISP+) produzem automaticamente uma curva completa de distribuição de tamanho de grão. A Figura 15 mostra um exemplo de como essa curva pode se parecer.
A Figura 13 mostra a aparência da medição real da pressão. A escala desse gráfico é medida em Pascal de pressão, uma escala muito pequena (ou medição de baixa pressão). Para isso, é necessário um transdutor de pressão preciso e exato.
A Figura 14 mostra como essa medição gera uma curva cumulativa de distribuição de tamanho de partícula. Esse processo completo é descrito em um artigo revisado por pares sobre o método de pressão de suspensão integral (ISP+) pelo Dr. Wolfgang Durner (Durner et. al, 2017).
Contras: embora haja vantagens claras na abordagem do ISP (automatizada, detalhada e com uma curva completa de distribuição de tamanho de partícula), também há desafios significativos.
Sabendo desses problemas, houve motivação para buscar um aprimoramento da metodologia ISP que fosse conveniente e não afetasse a praticidade geral da medição. Isso levou ao desenvolvimento do método ISP+, uma extensão de um protocolo ISP experimental.
No método ISP+, após um determinado período de tempo, parte da suspensão é drenada do cilindro de sedimentação por meio de uma saída na lateral posicionada em uma profundidade específica. Essa suspensão é coletada em um béquer e, em seguida, seca no forno (consulte a Figura 16). A solução drenada é composta por todas as partículas mais finas que permanecem em suspensão. O local onde a subamostra é drenada e o momento em que a solução é drenada podem alterar as partículas que ainda estão em suspensão. Isso, combinado com as medições do sensor de pressão, resulta na queda repentina mostrada no gráfico da Figura 13.
Um exemplo disso seria fazer uma medição após duas horas e depois drenar essa solução de uma saída localizada a seis centímetros. O tamanho máximo das partículas nessa profundidade será de 2,8 mícrons. Podemos, então, usar isso para quantificar o que resta na solução remanescente e estreitar nossa janela para análise. O resultado é que o método ISP+ é limitado por dois lados. A faixa de areia é restringida pelos dados da peneira externa e a faixa de argila é restringida pela drenagem. Isso restringe o cálculo da fração de argila, tornando o método ISP+ um método mais robusto, preciso e confiável
Outra vantagem importante do método ISP+ é a redução do tempo de medição de 8 a 12 horas para apenas 2,5 horas. E o ISP+ não só proporciona uma melhoria significativa no tempo de medição (devido à automação), como também proporciona uma grande melhoria na precisão geral da medição. A precisão aumenta de +\- 3% (ISP, pipeta e método do hidrômetro) para uma precisão de +\- 0,5%.
O PARIO (Figura 18), fabricado pela METER, é um exemplo de instrumento de análise de tamanho de grão que automatiza o método ISP+ para determinar a textura do solo.
Os métodos ópticos mais comuns usados atualmente são a atenuação de raios X, a dispersão de luz laser a partir da medição de difração e a espectroscopia de infravermelho VisNIR. A espectroscopia VisNIR é um método promissor que pode quantificar com precisão o tamanho das partículas do solo, especialmente em aspectos como a fração de argila. No entanto, vamos nos concentrar principalmente na dispersão de luz a laser, pois é o método mais comumente usado.
O método de difração a laser baseia-se no princípio de que partículas de um determinado tamanho difratam a luz em um determinado ângulo. À medida que o tamanho das partículas diminui, o ângulo de difração da luz aumenta. Isso significa que as partículas menores, como a argila, difratarão a luz em um ângulo maior do que as partículas maiores, como areias ou siltes.
O esquema na Figura 20 mostra um projeto para um analisador de tamanho de partículas a laser. Um feixe paralelo de luz monocromática brilha a partir do dispositivo, passando por uma suspensão de amostra semelhante a todos os outros métodos. A luz difratada é então focalizada em um detector de anel fotossensível. A intensidade medida no detector é uma função do ângulo usado para estimar a distribuição do tamanho das partículas. Isso se baseia no que é conhecido como teoria MIE(Gee et al., 2002).
A faixa de medição dos métodos de difração a laser é de 0,04 a 2.000 mícrons. Isso depende do dispositivo e do volume de medição limitado, pois o feixe de laser tem uma largura de apenas 10 a 25 milímetros.
Contras: Como em outros métodos, há desafios com a difração do laser.
Prós: Com isso, há uma vantagem do difratômetro a laser ou do método de difração a laser: é possível executar mais amostras em um determinado momento e obter medições mais rapidamente. Além disso, as medições não levam horas para serem concluídas. Portanto, se você precisar de alto rendimento para suas medições, essa abordagem pode ser um bom método a ser usado, dependendo da precisão relativa necessária.
Depende. Você precisará examinar seus objetivos de pesquisa, definir para que a medição será usada e, em seguida, pesar as vantagens e desvantagens dos métodos acima. Lembre-se de que a precisão da análise da textura do solo e da curva de distribuição do tamanho dos grãos depende dos métodos e das ferramentas que você usa.
Por exemplo: O PARIO (método ISP+) é um bom método para quem quer minimizar o tempo e a mão de obra necessários para realizar uma análise de tamanho de partícula, pois reduz a mão de obra e melhora a precisão em relação a outros métodos baseados em sedimentação.
É importante entender que, independentemente do método escolhido, você precisará fazer um pré-tratamento das amostras e peneirar a fração de areia. Em resumo, entender os prós e contras de cada método e definir o resultado desejado pode ajudá-lo a decidir qual será o mais eficaz.
Dane, Jacob H., e Clarke G. Topp, eds. Methods of soil analysis, Part 4: Physical methods (Métodos de análise do solo, Parte 4: Métodos físicos). Vol. 20. John Wiley & Sons, 2020. Link do artigo.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden e Georg von Unold. "O método de pressão de suspensão integral (ISP) para análise precisa do tamanho de partículas por sedimentação gravitacional." Water Resources Research 53, no. 1 (2017): 33-48. Link do artigo.
Gee, G.W. e Or, D. (2002). 2.4 Análise de tamanho de partícula. Em Methods of Soil Analysis (eds J.H. Dane e G. Clarke Topp). Link do artigo.
McKeague, J. A., e Peter C. Stobbe. "History of soil survey in Canada 1914-1975." (1978). Link do artigo.
Syvitski, James PM, ed. Principles, methods, and application of particle size analysis (Princípios, métodos e aplicação da análise do tamanho de partículas). Vol. 388. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. Link do livro.
Yong, Raymond Nen e Benno P. Warkentin. Introduction to soil behavior (Introdução ao comportamento do solo). No. 451 pp. 1966. Link do artigo.
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