بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه تلاش شد، راندمان بیوچار خام تفاله پوست گردو - WSB - به تنهایی و پوشش داده شده با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی - WSB-nZVI - ، بر تثبیت و عدم تحرک کادمیم در یک محیط خاکی با استفاده از روشهای عصاره گیری دنباله ای، مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد. بدین منظور، یک نمونه خاک لومی تهیه و به صورت مصنوعی با عنصر کادمیم آلوده و در نهایت بیوچارهای ذکر شده و نمونه بیوچار نشده - WS - ، در سطوح مختلف 0/5، 2 و 4 درصد وزنی اضافه و پس از گذشت 3 ماه، شکلهای شیمیایی کادمیم و فاکتور تحرک آن مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد، کاربرد همه بهسازهای مختلف سبب کاهش شکل های تبادلی و کربناتی و افزایش شکل های تتمه، آلی و اکسیدهای آهن بی شکل و منگنز شده است.
کاربرد بیوچار پوشش داده شده با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی بیشترین کاهش در بخش تبادلی و کربناتی را به همراه داشته است. در طرف مقابل، بقایای خام پوست گردو، کمترین تغییرات از شکل های شیمایی کادمیم را در مقایسه با سایر بهسازها به همراه داشته است. کاربرد بیوچارهای پوشش داده شده با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی همچنین سبب تغییرات افزایشی بیشتری از اکسیدهای آهن بی شکل نسبت به سایر بهسازها شده اند. همچنین، در بررسی فاکتور تحرک در خاکهای تیمار شده بوسیله بهسازهای مختلف، خاک تیمار شده بوسیله آهن صفر ظرفیتی - سطح 4 درصد - با میزان 27/95 درصد کمترین میزان از فاکتور تحرک کادمیم را دارا بود. بیشترین میزان فاکتور تحرک مربوط به نمونه شاهد با میزان 68/23 درصد بدست آمد. پس از بیوچار پوشش داده شده با نانو ذرات آهن، کمترین میزان تحرک در نتیجه تیمارهای بیوچار و سپس بقایای خام گردو کسب شد.
کلمات کلیدی: کادمیم، خاک، بیوچار، نانو آهن صفر ظرفیتی
مقدمه
در سالهای اخیر مطالعات زیادی در رابطه با تثبیت فلزات سنگین با استفاده از بهسازهای مختلف صورت گرفته است که از آن جمله میتوان به تأثیر کاربرد مواد آلی - صفاری و همکاران، - 2016، اکسیدهای آهن و منگنز - صفاری و همکاران، - 2016، نانو مواد - معاذلالهی و همکاران، - 2016 و پلیمرها - لیندیم و همکاران - 2001 اشاره نمود. پسماندهای کشاورزی به عنوان یکی از مهمترین پسماندهای مهم از پنج پسماند طبقه بندی شده در مدیریت پسماندها معرفی میشوند. هزینه بالای ضایعات بار سنگینی بردوش اقتصاد کشور وارد کرده است، لذا توجه به مدیریت ضایعات کشاورزی و پسماندها، از اهمیت فراوانی در جهت رسیدن به توسعه پایدار برخوردار میباشد - نگاه وحنفیه، . - 2008
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از جاذبهای ارزان قیمت برای حذف آلایندهها به طور چشمگیری افزایش یافته است، جاذبهایی که به فراوانی یافت شده و در دسترس بوده و هزینه آمادهسازی آن پایین باشد - صفاری و همکاران، . - 2016 امروزه محققین در صدد دستیابی به مواد جاذب کم هزینه به جای کربن فعال می باشند. به نحوی که اخیرا به مطالعه بر روی حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب توسط جاذب های ارزان قیمت حاصل از فراوردههای ضایعات کشاورزی همچون بیوچار، توجه زیادی شده است. بیوچار مادهای است زغال ماننداز زیستتودههای گیاهی و ضایعات کشاورزی که طی فرآیند پیرولیز تولید میشود. این ماده ترکیبی است کربنی، با تخلخل و سطح ویژه بسیار بالا که توانایی بسیار بالایی برای جذب آلاینده¬های مختلفی از جمله عناصر سنگین رادارد.
در سالهای اخیر استفاده از بیوچارها بر پایه ترکیبات نانوکمپوزیتی، به عنوان یکی از بیوچارهای مهندسی شده،به منظور حذف آلاینده ها در محیط های آبی و خاکی، مورد توجه قرار گرفته است. مدیریت ضایعات، حذف آلایندهها، ترسیب کربن، و تولید انرژی از اهداف چهارگانه مهمی هستند که در ساخت بیوچارها بر پایه ترکیبات نانویی، بدست می آید. نانو آهن صفر ظرفیتی، در بسیاری از مطالعات بواسطه داشتن فرایندهای احیایی، تشکیل کمپلکس های جذبی و رسوب، به عنوان یک جاذب موثر، در حذف عناصر سنگینی همچون کادمیم، آرسنیک - پنج ظرفیتی - ،های کروم - شش ظرفیتی - و سرب، مورد استفاده قرار گرفته است. عناصر سنگین از جمله کادمیم در خاک به شکل ها، متصل به اکسیدهای منگنز، متصل به آهن مختلف مانند محلول، تبادلی، متصل به مواد آلی، متصل به کربنات مانده وجود دارند - صفاری و همکاران، . - 2016
در سالهای اخیر چنین به شکل باقیشکل و آهن متبلور و همبی عنوان کاملترین روشهای عصارهگیری دنبالهای یکی از راههای تخمین شکلهای شیمیایی عناصر میباشد که به روش توصیفی رفتار کلی فلزات در خاک نام برده میشود و میتواند تخمین خوبی از تحرک بالقوه عناصر در اختیار ما قرار دهد. تعیین شکل های شیمیایی عناصر در خاک می تواند در تعیین تحرک و قابلیت فراهمی هر عنصر کمک کند - صفاری و همکاران، . - 2016 لذا با توجه به مقدمه گفته شده، تحقیق حاضر تلاش داشت به بررسی اثر بیوچارهای مهندسی شده تفاله پوست گردو پوشش داده شده با ذرات نانوآهن صفر ظرفیتی بر تغییر شکلهای شیمیایی کادمیم در یک خاک آهکی، بپردازد.
مواد و روشها
به منظور انجام این پژوهش، در ابتدا به تولید بیوچار تفاله پوست گردو در دمای 500 درجه سلسیوس تحتشرایط بی هوازی و نیمه هوازی - در داخل راکتور به مدت 4 ساعت در حضور گاز نیتروژن - پرداخته شد و سپس طی روش احیایی و رسوب، - احیا آهن فروس بوسیله بروهیدرید بروی بیوچار - بیوچار مذکور بوسیله نانوذرات آهن صفر ظرفیتی پوشش داده - صفاری و همکاران، - 2018 و در نهایت ساختارهای شیمیایی و فیزیکی آنها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی - FE-SEM - و آنالیز پراش پرتو ایکس - XRD - مورد بررسی قرار گرفت.به منظور اثر بخشی بیوچارهای مهندسی تولید شده، یک نمونه خاک سطحی تهیه شده از منطقه خانوک کرمان - خاک لوم، رس 18 %، سیلت 36 %، پ هاش: 7/8، هدایت الکتریکی: 4/8 دسی زیمنس بر متر، ماده آلی: 0/8 درصد، کادمیم کل: غیر قابل تشخیص توسط دستگاه، ظرفیت تبادل کاتیونی: 17 سانتی مول - بار مثبت - بر کیلوگرم، کربنات
کلسیم معادل: 21 درصد - پس از عبور از الک دو میلی متری با عنصر کادمیم - به منظور ایجاد آلودگی در خاک درسطح 200 میلی گرم بر کیلوگرم از منبع نیترات کادمیم - آلوده و در نهایت بیوچارهای ذکر شده در سطوح مختلف 0/5، 2 و 4 درصد وزنی تیمار شد. نمونه های بیوچار به خاک آلوده به کادمیم در سطح مشخص در سطوح ذکرشده اضافه و در مدت 3 ماه در رطوبت ظرفیت مزرعه نگهداری و پس از گذشت 3 ماه نمونه ها خشک و شکلهای شیمیایی کادمیم به روش عصارهگیری دنباله ای سینگ و همکاران - 1988 - تعیین و مورد ارزیابی قرار گرفت. مراحل مختلف عصارهگیری دنباله ای، شکلهای شیمیایی قابل جداسازی و عصارهگیرهای مورد استفاده در روش سینگ و همکاران در پژوهش صفاری و همکاران - 2016 - بیان شده است.
نتایج و بحث
نتایج آنالیز عنصری هیدروژن، کربن، نیتروژن وگوگرد در بقایای پوست گردو شامل: WS - ضایعات پوست گردو - ، WSB - بیوچار پوست گردو - ، و WSB-nZVI - بیوچار پوست گردو پوشش داده شده با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی - در جدول 1 ارایه شده است.اعمال فرایند پیرولیز بر WS سبب افزایش کربن و کاهش هیدروژن، نتیروژن و گوگرد شده است. افزایش و کاهش میزان کربن و هیدروژن، به ترتیب، در نمونه WSB را می توان به ترتیب به فرایندهای کربناسیون و از بین رفتن گروههای عامل حاوی هیدروژن، ارتباط داد. EBCٌ ماده ای را به عنوان بیوچار معرفی می کند که دارای حداقل 50 درصد کربن و حداکثر نسبت هیدروژن به کربن در حدود 0/7 باشد. بر طبق نتایج بدست آمده بیوچار تولیدی دارای 53/6 درصد کربن و نسبت هیدروژن به کربن آن 0/04 دست آمد که تایید کننده تولید مناسب از بیوچار در پژوهش حاضر دارد.
مقادیر بدست آمده از پ هاش و شوری بیوچار تولید شده نشان داد که اعمال فرایند پیرولیز سبب افزایش پ هاش - از 7/1 به - 8/3 و شوری 0/1 - به 2/3 دسی زیمنس بر متر - در نتیجه افزایش گروههای عامل بازی و کاتیون های بازی در واحد وزن بیوچار تولیدی شده است. به منظور بررسی اثر افزودن نانو آهن صفر ظرفیتی بر بیوچارها، آنالیز تغییرات اسیدیته این مواد نشان از کاهش پ هاش در مقایسه با نمونه بیوچارها داشته است، که این کاهش از پ هاش را می توان به شستشوی چند باره بیوچارها بوسیله اسید و آب مقطر و درنتیجه آن خارج شدن کاتیون های بازی محلول، قبل از تولید WSB-nZVI نسبت داد. همچنین نتایج بدست آمده از آنالیز عنصری WSB-nZVI نشان از بیشتر بودن میزان هیدروژن و کمتر بودن کربن و نیتروژن در مقایسه با WS و PRداشته است.
افزایش میزان هیدروژن در نمونه WSB-nZVI را می توان به تولید گاز هیدروژن در طول فرایند رسوب NZVI بر روی WSB و PRB توجیه کرد. به منظور شناسایی کیفی گروههای عامل مواد جاذب تهیه شده تولیدی در مقایسه با WS ، طیفی سنجی FTIR انجام گرفت - شکل . - 1 نتایج بدست آمده نشان از تغییرات بسیار زیاد طیفهای ایجاد شده در هر نمونه های مورد مطالعه دارد. انجام فرایند پیرولیز سبب کاهش شدت پیک دو طیف باندی 3200 - cm-1 3373 تا - 3500 و 2820 - cm-1 2923 تا - 2980 در WSB شده بود که این طیف ها بهترتیب نشان از وجود گروههای عاملی هیدروکسیل و آلیفاتیک دارند. شارما و همکاران - 2004 - نیز به نتایج مشابه ای دست پیدا کردند که دلیل آن را فرایندهای دمتوکسلیشن، دهیدراتاسیون، و دمتیلیشن لیگنین بیان کردند. همچنین
