بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از بیوچارهای مختلف به منظور حذف و تثبیت عناصر سنگین در محیط های آبی و خاکی در سالهای اخیر رو به فزونی گذاشته است. در بسیاری از مطالعات انجام شده، این اعتقاد وجود دارد که استفاده از ترکیبات نانو در ساختار سطحی بیوچارها میتواند افزایش راندمان جذب آلایندهها را به همراه دا شته با شد. با توجه به این م ساله، در این پژوهش تلاش شد، کارایی بیوچار خام تفاله پو ست پ سته - PRB - به تنهایی و پوشش داده شده با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی - PRB-nZVI - ، بر تثبیت کادمیم در یک محیط خاکی، مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرد.
بدین منظور، یک نمونه خاک تهیه و با عنصر کادمیم آلوده و در نهایت بیوچارهای ذکر شده در سطوح مختلف 0/5، 2 و 4 در صد وزنی ا ضافه و پس از گذ شت 3 ماه، سینتیک واجذبی خاکها مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به نتایج بد ست آمده در فرایند واجذبی کادمیم متاثر از به سازهای مورد مطالعه، به ترتیب به سازهای بیوچار پو شش داده شده با نانوذرات آهن صفر ظرفیتی، بیوچار بدون پو شش ذرات نانو، و بقایای خام پو ست پ سته در سطوح برابر از کاربرد این به سازها، بی شترین تاثیر بر کاهش رها سازی در خاک را سبب شدهاند.
با افزایش سطوح هر بهساز از 0/5 به 4 درصد وزنی، تثبیت کادمیم به میزان بالاتری در خاک ها انجام گرفته است. همچنین نتایج نشان داد، مدل دو مدل دومرحلهای مرتبه اول از مدلهای واکنشی چند گانه مرتبه اول، برازش مناسبی از واجذب کادمیم در همه نمونههای خاک داشته است که مقادیر پایین پارامتر Q1 از این معادله در خاکهای تیمار شده نسبت به نمونه شاهد نشان از اثر بهینه بهسازها در کاهش بخش قابل دسترس کادمیم دارد.
مقدمه
با گسترش شهر نشینی و فعالیتهای صنعتی بشر، آلودگی خاک، آب و گیاه یکی از مهمترین مشکلات زیست محیطی در همه جوامع بشری است که حیات موجودات زنده به ویژه انسان را با خطر جدی مواجه ساخته است. فلزات سنگین به عنوان یک مساله خطرساز از ابعاد مختلف و به طور جدی می توانند سلامت انسان و سایر موجودات زنده را به خطر بیاندازند. مقادیر بالای فلزات سنگین در منابع آب و خاک، بر سلامت انسان تأثیر سوء داشته و منجر به غیر قابل مصرف شدن آب و آلودگی خاک میشود.
استخراج معادن، دفع فاضلاب های تصفیه نشده یا نیمه تصفیه شده حاوی فلزات سنگین و استفاده از کودهای حاوی فلزات سنگین از جمله کودهای فسفاته ، منابع اصلی آلودگی های ناشی از فعالیت های بشر معرفی میشوند. از بین فلزات سنگین، کادمیم جز عناصری است که برای انسان، سمیت بسیار بالایی دارد. کادمیم در مقادیر 10 تا 326 و 300 تا 3500 میلی گرم به ترتیب برای انسان سمی و کشنده می باشد و تماس مداوم و طولانی آن باعث اختلال در فعالیت کلیه در بدن انسان میگردد - لی و همکاران، . - 2003 پاکسازی خاک به روشهای فیزیکی، شیمیایی و یا بیولوژیکی امکان پذیر میباشد.
از روشهای آلودگی هوا، خاک و آب های زیرزمینی پالایش شیمیایی خاک میتوان به اکسید اسیون و احیا، استفاده از تشعشع، ترسیب، جذب سطحی و تثبیت اشاره کرد. با استفاده از تکنیکهای تثبیت در خاک، به مانند روش جذب در محیط آبی، میتوان از گسترش آلاینده ها در خاک و محیط زیست جلوگیری نمود یا آنرا به تاخیر انداخت - صفاری و همکاران، . - 2015 مکملهایی که مانع گسترش و انتشار آلایندهها میشوند جلوی انحلال، نفوذ و قابلیت دسترسی بیولوژیکی عناصر کمیاب را توسط فرایندهای مختلف جذب از جمله، جذب به سطح مواد معدنی، تشکیل کمپلکسهای پایدار با لیگاندهای آلی، رسوب در سطح و تبادل یونی، کاهش میدهند - صفاری و همکاران، . - 2016 در این روش، گرچه آلاینده ها از بین نمیروند ولی آزادانه و به تنهایی نیز نمیتوانند حرکتی داشته باشند.
بیوچار مادهای است زغال مانند از 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 آلایندههای مختلفی از جمله عناصر سنگین را دارد. در سالهای اخیر، برخی از محققین بر این باورند که کاربرد بیوچار خام در محیطهای بسیار آلوده نمیتواند به نحو موثری بر جذب آلاینده های مختلف عمل کند؛ بنابراین به منظور حل این مشکل، بیوچارهای مهندسی شده با ساختارهای جدید و خصوصیات سطحی متفاوت را پیشنهاد کردند - صفاری و همکاران، . - 2018 استفاده از بیوچارها بر پایه ترکیبات نانوکمپوزیتی، به عنوان یکی از بیوچارهای مهندسی شده، به منظور حذف آلاینده ها در محیط زیست، مورد توجه قرار گرفته است.
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 - ، کروم - شش ظرفیتی - و سرب، مورد استفاده قرار گرفته است. آگلومراسیون ذرات آهن صفر ظرفیتی سبب ایجاد محدودیت هایی در مهاجرت این مواد در سرتاسر محلول خاک شده و درنتیجه کارایی این جاذب را کم می کند.
بنابراین به نظر میرسد وجود ذرات آهن صفر ظرفیتی به صورت حمایت کننده بر روی یک سطح جامد میتواند سبب افزایش پایداری این ماده در محیطهای آبی و حتی در محیط خاک شود. لذا با توجه به مقدمه گفته شده، تحقیق حاضر تلاش داشت به بررسی اثر بیوچارهای مهندسی شده تفاله پوست پست پوشش داده شده با ذرات نانوآهن صفر ظرفیتی بر رفتار سینتیک واجذبی کادمیم در یک خاک آهکی، بپردازد.
مواد و روشها
به منظور انجام این پژوهش، در ابتدا به تولید بیوچار تفاله پسته در دمای 500 درجه سلسیوس تحت شرایط 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 در سطح 200 میلی گرم بر کیلوگرم از منبع نیترات کادمیم - آلوده و در نهایت بیوچارهای ذکر شده در سطوح مختلف آلودگی هوا، خاک و آب های زیرزمینی 0/5، 2 و 4 درصد وزنی تیمار شد. نمونه های بیوچار به خاک آلوده به کادمیم در سطح مشخص در سطوح ذکر شده اضافه و در مدت 3 ماه در رطوبت ظرفیت مزرعه نگهداری و پس از گذشت 3 ماه نمونه ها خشک و سینتیک واجذبی کادمیم - در زمانهای 5، 15، 30، 60، 120، 240، 480، 960 دقیقه - با عصاره گیر 0/01 EDTA مولار، مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث
به منظور تایید ایجاد پوشش لایه ای از آهن صفر ظرفیتی بروی بیوچار، نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس نشان از وجود یک پیک مشخصی در 2، 44/7 درجه داشت، که نشان از تشکیل آهن صفر ظرفیتی بروی سطح بیوچار دارد. همچنین وجود پیک های ضعیف تر در 2 محدوده های 30، 35، 53، و 61 در نمونه PRB-nZVI نشان از ایجاد اکسیدهای آهن - مگنتیت - داشته است که دلیل آن را میتوان به اکسید شدن آهن صفر ظرفیتی در نتیجه فرایند خشک شدن و ساخت این ذرات بروی بیوچار نسبت داد.
وجود گروههای عامل حاوی اکسیژن - از جمله کربوکسیل، هیدروکسیل، و اترهای آلیفاتیک - بر روی سطوح بیوچار را می توان به عنوان یکی دیگر از دلایل وجود مقادیر کمی از اکسیدهای آهن بروی سطوح بیوچار معرفی کرد. نتایج بدست آمده از FE-SEM نشان داد، ذرات آهن صفر ظرفیتی به خوبی و بصورت پیوسته بروی ذرات بیوچار قرار گرفته اند. همچنین، نتایج نشان از اندازه ذرات در محدوده 35 نانومتر، دارد.
