Development of a new low‐cost device to measure calcium carbonate content, reactive surface area in solid samples and dissolved inorganic carbon content in water samples

• Published in: Methods in ecology and evolution Vol. 12; no. 5; pp. 770 - 777
• Main Authors: Lopez‐Canfin, Clément, Lázaro, Roberto, Sánchez‐Cañete, Enrique P., Kotze, D. J. (Johan)
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: London John Wiley & Sons, Inc 01.05.2021
• Subjects: Aridity; CaCO3; Calcite; Calcium carbonate; Carbon; Carbon content; Carbon dioxide; carbonate determination; Carbonates; Cost analysis; DIC; Dissolution; Dissolved inorganic carbon; Microcontrollers; precipitation and dissolution dynamics; Rivers; RSA; soil carbonates; Soil dynamics; Soil solution; Soil water; Soils; Sols; Surface area; Water analysis; Water sampling; weathering
• ISSN: 2041-210X; 2041-210X
• DOI: 10.1111/2041-210X.13579

Estimates of soil carbonate dynamics are still very scarce, despite their importance in the global carbon budget. Geochemical models used to estimate carbonate precipitation–dissolution rates require important inputs including carbonate content and calcite reactive surface area in soil as well as dissolved inorganic carbon (DIC) content in soil solution. However, most methods currently available to accurately measure these parameters can be time‐consuming and/or often require expensive laboratory equipment. To tackle this problem, we aimed to develop a sensitive device to measure these variables at low cost and with little time investment. By taking advantage of the recent development of low‐cost CO2 sensors and microcontrollers, a low‐cost and easy‐to‐mount analyzer was developed based on direct measurements of CO2 evolved during an acidic reaction. The new instrument proved to be sensitive, accurate, precise and able to quickly perform the analyses. It was therefore used in a pilot experiment on the inorganic component of CO2 flows from crusted semi‐arid soils, and to evaluate the variation in DIC content through a spring‐cave‐downstream river water continuum. The device could facilitate these analyses for scientists from different fields since it can potentially analyse any solid or aqueous sample. Résumé Les estimations de la dynamique des carbonates du sol sont encore très rares, en dépit de leur importance sur le cycle du carbone global. Les modèles géochimiques utilisés pour estimer leurs taux de précipitation‐dissolution requièrent d´importantes entrées incluant la concentration en carbonate et la surface réactive de calcite dans le sol ainsi que la concentration en carbone inorganique dissous (CID) dans la solution du sol. Cependant, la plupart des méthodes actuellement disponibles pour mesurer avec précision ces paramètres sont souvent coûteuses en termes de temps ou de budget en raison du prix élevé des équipements de laboratoire nécessaires. Cette recherche a eu pour objectif de développer un instrument sensible de mesure de ces variables à un coût budgétaire et temporel moindre. En se servant du récent développement des microcontrôleurs et capteurs de CO2 «low‐cost », un analyseur économique et facile à monter a été développé, basé sur des mesures directes du CO2 libéré durant une réaction en milieu acide. Le nouvel appareil a prouvé être sensible, exact, précis et capable de réaliser rapidement les analyses. Il a donc été employé dans une étude pilote sur la composante inorganique des flux de CO2 de sols semi‐arides encroûtés, et afin d´évaluer la variation du contenu en CID à travers un continuum amont‐aval suivant la succession source‐grotte‐rivière. Cet instrument pourrait permettre de démocratiser ces analyses parmi les scientifiques de différentes spécialités étant donné qu´il a le potentiel d´analyser n´importe quel échantillon solide ou aqueux.