بخشی از مقاله
خلاصه
کشور ایران یکی از بزرگترین تولیدکنندههای نفت در جهان است. وارد شدن نفت تولیدی و مشتقات آن در اثر حوادث گوناگون به محیط، باعث ایجاد آلودگی شدید زیستمحیطی میگردد. اغلب خاکهای آلوده به مواد نفتی، حاوی فلزات سنگین نیز می باشند. متأسفانه عدم مدیریت مناسب سبب گسترش سریع این آلودگیها شده است. در نتیجه بهکارگیری روشهای رفع آلودگی موثر، بهینه و مدرن امر مهمی در جهت کاهش این آلایندهها میباشد. روشهای پاکسازی خاکهای آلوده به دو دسته کلی در محل و خارج از محل تقسیم میشوند. روش الکتروکینتیک که هم در محل - مقیاس میدانی - و هم خارج از محل - مقیاس آزمایشگاهی - قابل استفاده است، در سالهای اخیر برای جداسازی آلایندهها در خاک کاربرد گستردهای یافته است. فرایند الکتروکینتیک عبارت است از اعمال یک میدان الکتریکی به خاک با قرار دادن دو رشته الکترود - آند و کاتد - در درون خاک آلوده و عبور جریان مستقیم با شدت کم از میان الکترودها که سبب میشود آلایندهها طی مکانیسمهایی به سمت الکترودهای با بار مخالف حرکت نمایند.
عمدهترین این مکانیسمها شامل مهاجرت الکتریکی یونها، الکترواسمز، الکتروفورز و الکترولیز میباشند. در این پژوهش از روش الکتروکینتیک به منظور رفع آلودگی مواد نفتی و برخی از فلزات سنگین از خاک آلوده پالایشگاه اصفهان، استفاده شد. در رفع آلودگی مواد نفتی مکانیسم الکترواسمز غالب بوده و در رفع آلودگی فلزات سنگین مکانیسم مهاجرت الکتریکی یونها غالب میباشد. در این تحقیق آزمایشها در مقیاس آزمایشگاهی روی خاک آلوده به مواد نفتی، روی و نیکل انجام گرفت و در پایان حداکثر بازدهی حذف مواد نفتی بعد از 5 روز 7 درصد و حداکثر بازدهی حذف فلزات روی و نیکل پس از 5 روز به ترتیب 28/5 درصد و 19/5 درصد مشاهده گردید. نتایج نشان داد که در رفع آلودگی آلودگیهای مختلط فلزات سنگین و مواد نفتی، کارایی حذف فلزات سنگین بیشتر از حذف مواد نفتی است.
کلمات کلیدی: رفع آلودگی، الکتروکینتیک، مواد نفتی، روی، نیکل
1.مقدمه
آلودگی نفتی خاک از جمله مهمترین آلودگیهای محیطزیست به شمار میآید و اغلب خاکها از طریق تصادفات ترافیکی، واژگونی تانکرهای حاوی سوخت و مواد شیمیایی، نفت ریزی در طول فرایندهای اکتشاف، تولید و انتقال نفت آلوده میشوند. سرنوشت هیدروکربن های نفتی و فراوردههای حاصله از سوخت و ساز میکروبی در محیط خاک میتواند شامل: تبخیر شدن به هوا، تجزیه بیولوژیکی، انتقال به میکروارگانیسمها، جذب روی سطح ذرات خاک و انتقال به آبهای زیرزمینی، مبادله با عامل هیدروکسیل و سایر گروهها از خاکهای رسی و واکنش با محلولهای آلی اجزاء خاک باشد. همچنین ممکن است اغلب خاکهای آلوده به مواد نفتی شامل فلزات سنگین از قبیل روی - Zn - ، نیکل - Ni - ، وانادیوم - V - ، مس - Cu - ، سرب - Pb - ، کادمیم - Cd - و کبالت - Co - نیز باشند که در این صورت میزان خطر این آلودگیها بیشتر شده و سلامتی انسان را تهدید میکنند. لذا گسترش روشهای موثر جهت پاکسازی خاکهای آلوده به نفت و مشتقات آن و همچنین مخلوط آن با فلزات سنگین از مسائل حال حاضر میباشد.
به دلیل تغییرات زیاد در شرایط خاک مناطق مختلف و پتانسیل محل پالایش، روشهای متنوعی برای پالایش آلودگی از خاک وجود دارد. یکی از روش های نوین در زمینه حذف آلاینده های آلی و فلزات سنگین از خاک فرایند الکتروکینتیک میباشد. این فرایند عبارت است از اعمال یک میدان الکتریکی به خاک با قرار دادن دو رشته الکترود - آند و کاتد - در درون خاک آلوده و عبور جریان مستقیم با شدت کم از میان الکترودها که سبب میشود آلایندهها طی مکانیسمهایی به سمت الکترودهای با بار مخالف حرکت نمایند. عمدهترین مکانیسم های غالب را مهاجرت الکتریکی یون ها1 - حرکت مواد محلول و یونها - ، الکترواسمز2 - حرکت مایع منفذی - و الکتروفورز3 - جابجایی ذرات و کلوئید های باردار - تشکیل میدهند.
2.مواد و روشها
2.1.خاک مورد استفاده
در این پژوهش خاک مورد نظر از دپوی خاک آلوده پالایشگاه اصفهان جمع آوری گردید. طی آزمایشهای اولیهای که بر روی خاک انجام گرفت،یکسری خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مورد نظر، مشخص شد. در جدول 1 می توان این ویژگیها را مشاهده نمود.
2.2. آلایندهها
در آزمایشها از خاک به طور طبیعی آلوده شده به مواد نفتی به غلظت 81000 میلی گرم بر کیلوگرم، روی به غلظت 1000 میلی گرم بر کیلوگرم ونیکل به غلظت 100 میلی گرم بر کیلوگرم استفاده شد.
3.ساختار سیستم الکتروکینتیک
دستگاه الکتروکینتیک مورد استفاده شامل راکتور استوانهای، الکترودها، مخازن، اتصالات و لوله ها است که در ادامه به اختصار شرح دادهشدهاند.
. 1 .3راکتور مورد استفاده
این راکتور از جنس پلاستیک شفاف - پلاکسی گلاس - و به صورت استوانهای به قطر 70 میلیمتر و طول 150 میلیمتر بود. در این راکتور که در میانه سلول قرار داشت، نمونه خاک قرارگرفته و در دو طرف آن دو محفظه به طول 50 میلیمتر به منظور ایجاد مخازن آند و کاتد تعبیه شده بود. بین مخازن و راکتور میانی دو ورق پلاستیکی سوراخ دار شفاف قرار داشت که محل قرارگیری الکترودها نیز بود. به منظور تنظیم سطح آب برای جلوگیری از ایجاد گرادیان هیدرولیکی و همسان نمودن فشار هوا در مخازن کاتد و آند، این مخازن از طریق لولههای ارتباطی به مخازن استوانهای کوچک و پمپهای هوا متصل گشتند. همچنین وجود خطوط مدرج روی مخازن استوانهای امکان اندازهگیری حجم جریان اکترواسمز را فراهم ساخت.
. 2. 3مشخصات الکترودها
در آزمایشها از صفحات استیل ضد زنگ مشبک به عنوان کاتد و آند استفاده شد. الکترود جنس استیل میتواند تا حدودی از اکسایش ایجادشده در محیط اسیدی جلوگیری کند و قابل کاربرد در مقیاس بزرگ نیز میباشد. این الکترودها به وسیله پیچ های اتصال مخصوص و سیمهای مخصوصی به منبع تغذیه متصل شدند. شایانذکر است که به منظور جلوگیری از اختلاط مخازن آند و کاتد با قسمت میانی که نمونه خاک در آن قرارگرفته است از یک لایه فیلتر استفاده شد.
. 3.3نحوه تعیین میدان الکتریکی
در این پژوهش به منظور ایجاد میدان الکتریکی از منبع تغذیه مدل ADAK PS-303- استفاده شد. این دستگاه قابلیت تأمین جریان مستقیم و ولتاژ ثابت 0 تا 30 ولت را دارد. بر اساس نتایج اغلب مطالعات گذشته مناسبترین اختلاف پتانسیل، 0/33 تا 1 ولت در هر سانتیمتر طول نمونه خاک می-باشد.[2] از اینرو در این پژوهش آزمایشها با ولتاژ ثابت 5 ولت انجام شد و با توجه به طول نمونه خاک به اندازه 15 سانتیمتر، گرادیان ولتاژ 0/33 ولت در طول نمونه برقرار گردید.
4.روشهای آزمایش
در این پژوهش 3 سری آزمایش الکتروکینتیک در مقیاس آزمایشگاهی و با دورههای زمانی 3، 4 و 5 روزه انجام گرفت. به طورکلی برای انجام آزمایشها پس از اتصال قسمتهای مختلف دستگاه، الکترودها و فیلترها درون سلول قرار داده شد. سپس نمونه خاک آلوده منتقلشده به آزمایشگاه در چند مرحله و به صورت تدریجی درون ظرف قرار گرفت تا در حد امکان از ایجاد حبابهای هوا در نمونه جلوگیری شود. حبابهای هوا باعث ایجاد خطا و کاهش کارایی میشود. نمونه در 5 لایه و هر لایه با کوبش وزنه 1/5 کیلوگرمی در سلول قرار گرفت. پس از قرارگیری نمونه درون سلول، الکترودها به منبع تغذیه متصل شدند. پس از آن مخازن آند و کاتد از آب مقطر پر شدند و پس از وصل جریان برق، آزمایش شروع شد. در طول آزمایش مقادیر مختلفی از پارامترها از جمله pH مخازن آند و کاتد، حجم جریان الکترواسمز و شدت جریان اندازهگیری شدند. در پایان
