بخشی از مقاله
مقدمه
ذرات آهن صفرظرفیتی به دلیل سطحویژهی زیاد و قابلیت انتقال الکترون قابلیت بالایی در حذف آلایندههای زیست محیطی دارند. در دهه اخیر از این ذرات در اندازه میکرو در سازههایی به نام دیوارهی واکنشزای نفوذپذیر در مسیر حرکت آلایندهها استفاده میشد. این روش، بهدلیل اندازهی بزرگ ذرات و مشکلات اقتصادی و اجرایی، به مرور از سوی پژوهشگران محیط زیست کنار گذاشته شد. ازاینرو، در سالهای اخیر نانوذرات آهن صفرظرفیتی با اندازهی کوچکتر و سطحویژه بیشتر جایگزین روش قبلی گردید. در این تکنیک، نانوذرات را به صورت مستقیم به منبع آلاینده در آبهای زیرزمینی تزریق میکردند.
عوامل زیادی نظیر اسیدیته آبخوانها، غلظت اولیه نانوذرات، ترکیبات شیمیایی آبخوانها و شدت جریان آبهای زیرزمینی تاثیر قابل توجهی بر انتقال نانوذرات در محیطهای متخلخل -به ویژه-آبخوانهای شنی دارد - هی و همکاران، . - 2009 به همین دلیل، انتقال نانوذرات در محیط متخلخل و عوامل موثر بر انتقال و رسوب نانوذرات از اهمیت فوقالعادهای برخوردار است. به طور کلی، شبیهسازی عددی انتقال ذرات تصویر بهتری را از عملکرد این ذرات در محیط متخلخل به وجود میاورد. هدف از این مطالعه، شبیهسازی عددی انتقال نانوذرات آهن صفرظرفیتی پایدارشده با پلیاکریلیکاسید در محیط متخلخل اشباع توسط نرمافزار HYDRUS-1Dمی-باشد.
مواد و روشها
ساخت نانوذرات:نانوذرات آهن صفرظرفیتی به کار برده شده در این مطالعه بر اساس احیای نمک آهن به عنوان احیاشونده توسط بوروهیدریدسیدم به عنوان یک احیاکنندهی قوی در حضور پلیاکریلیکاسید با توجه به معادله زیر تهیه گردید - لیو و همکاران، : - 2005معادله: در این پژوهش به منظور پیشبینی انتقال نانوذرات در محیط متخلخل از مدل سینتیک تکمکانی استفاده گردید - بیلز و همکاران، . - 1991که در آن C غلظت نانوذرات در فاز محلول خاک - mg/L - ، s غلظت نانوذرات جذب شده - mg/g - ، زمان - دقیقه - ، b جرم ویژه ظاهری - g/cm3 - ، تخلخل کل، z طول ستون خاک - سانتیمتر - و kattو kdetبه ترتیب نرخ جذب و واجذب نانوذرات میباشد.
آزمایش انتقال نانوذرات: آزمایشهای انتقال نانوذرات ساختهشده در ستونهای شنی به طول 10 و قطر داخلی 2/5 سانتیمتر و تحت شرایط جریان اشباع صورت گرفت. برای این منظور نخست ستون آزمایش توسط ذرات شن با قطر 0/3-0/6 میلیمتر و با وزن مخصوص ظاهری و تخلخل به ترتیب 1/65-1/68 و 0/37-0/39 به روش پرکردن در حالت مرطوب پر شد. سپس ظرف شیشهای محتوی سوسپانسیون نانوذرات با غلظتهای 0/1، 0/5 و 2 گرم بر لیتر، اسیدیته 7/5 و قدرت یونی 1 میلیمولار درون دستگاه اوتراسونیک قرار داده شد و با شدت جریان ثابت به مدت 300 ثانیه توسط پمپ پریستالتیک وارد ستون خاک گردید.
پس از آن به منظور تکمیل نمودن منحنی رخنه انتقال نانوذرات، محلول زمینه حاوی 0/01 مولار کلریدسدیم به مدت 700 ثانیه به ستون آزمایش تزریق گردید. همچنین جهت تعیین اثر قدرت یونی محلول بر انتقال نانوذرات، سوسپانسیون حاوی 0/2 گرم بر لیتر نانوذرات با اسدیته 7/5 و قدرتهای یونی 1، 10 و 100 میلیمولار به مدت 300 ثانیه و در ادامه محلول زمینه به مدت 700 ثانیه به ستون آزمایش تزریق شد. پس از پایان آزمایش، نمونههای حاوی زهآب، توسط اسیدکلریدریک رقیق - 2 M HCl - هضم گردید و غلظت آهن موجود در آن توسط دستگاه جذب اتمی تعیین شد. افزونبر این به منظور تعیین پارامترهای مدل سینتیک تکمکانی انتقال نانوذرات از نرمافزار HYDRUS-1D به روش حل معکوس استفاده شد.
نتایج و بحث
تاثیر غلظت نانوذرات: شکل 1 منحنی انتقال نانوذرات آهن صفرظرفیتی در غلظتهای مختلف را نشان میدهد. همانگونه که در شکل نشان داده شده، با افزایش غلظت اولیه نانوذرات، انتقال آنها در ستونهای شن کاهش یافت. با توجه به شکل افزایش غلظت اولیه نانوذرات از 0/1 به 2 گرم بر لیتر سبب کاهش حداکثر غلظت نسبی ذرات از 0/601 به 0/267 گردید. به طور کلی با افزایش غلظت نانوذرات، تصادم موجود میان آنها به دلیل حضور نیروهای جذب-کنندهی مغناطیسی افزایش یافته که این امر منجر به افزایش قطر ذرات و در نتیجه رسوب آنها در ستون شن میشود. ضرایب جذب و واجذب و ضریب تبیین مدل سینتیک تکمکانی انتقال نانوذرات در جدول 1 گزارش شده است. نظر به جدول 1، میزان ضرایب جذب نانوذرات نسبت به ضرایب واجذب در تمامی غلظتهای به کار برده شده بیشتر است که این امر نشاندهنده تمایل زیاد این ذرات به رسوب بر روی دانههای شن موجود در محیط متخلخل را نشان میدهد. همچنین ضرایب تبیین بالای به دست آمده از مدل، قابلیت بالای آن را در برازش دادههای مربوط به آزمایش انتقال نانوذرات نشان میدهد.
تاثیر قدرت یونی: منحنی رخنه انتقال نانوذرات به همراه دادههای برازش دادهشده توسط مدل در شکل 2 نشان داده شده است. مطابق شکل2، با افزایش قدرت یونی محلول از 1 به 100 میلیمولار میزان انتقال نانوذرات در محیط متخلخل کاهش چشمگیری پیدا کرد به گونهای که حداکثر غلظت نسبی انتقال ذرات از 0/542 به 0/347 کاهش یافت. به طور کلی، افزایش قدرت یونی در نتیجه افزایش کاتیونهای یک یا دوظرفیتی در محلول سبب کاهش قطر لایه دفعکننده الکترواستاتیک شده که این امر رسوب نانوذرات به سطوح ذرات شن را تسهیل میکند. نتایج بنموشه و همکاران - - 2010 نشان داد که ارتقای غلظت سدیم از 1 به 100 میلیمولار، انتقال نانوذرات اکسیدهای فلزی را در ستون شن کاهش داد. باتوجه به جدول 1، مقدار عددی نرخ جذب نانوذرات در قدرتهای یونی مختلف در مقایسه با نرخ واجذب به طور معنیداری بیشتر مشاهده شد که نشاندهنده تمایل زیاد نانوذرات به جذب بر روی ذرات شن می-باشد.
