بخشی از مقاله
غني سازي نانورس ها با کربنات به منظور استفاده در پروژه هاي ژئوتکنيک زيست محيطي براي جذب آلاينده هاي فلز سنگين
خلاصه
در سال هاي اخير استفاده از نانورس ها در پروژه هاي مختلف مهندسي گزارش شده است . معذالک در زمينه کاربرد ژئوتکنيک زيست محيطي نانورس ها، تحقيقات قابل توجهي صورت نگرفته است . در اين مقاله امکان استفاده از نانورس ها در پروژه هاي ژئوتکنيک زيست محيطي به منظور جذب آلاينده هاي فلز سنگين مورد مطالعه آزمايشگاهي قرار گرفته است . با انجام يکسري آزمايش هاي ژئوتکنيک زيست محيطي، فرايند اندرکنش نانورس -آلاينده فلز سنگين مورد مطالعه قرار گرفته است . در اين راستا رفتار ژئوتکنيک زيست محيطي چند نمونه نانورس ، مورد مطالعه و تجزيه و تحليل آزمايشگاهي قرار گرفته است . بررسي ظرفيت بافرينگ و ميزان نگهداري فلز سنگين سرب به وسيله نانو ذرات اصلاح شده در حضور کربنات نشان ميدهد که در مقايسه تأثير سطح مخصوص خاک و درصد کربنات آن ، بخش قابل توجهي از ظرفيت بافرينگ و قابليت خاک در نگهداري آلاينده ، ناشي از حضور کربنات است . همچنين نتايج تحقيق حاضر نشان ميدهد که در نمونه هاي بنتونيت ، کائولينيت و چهار نانورس کلوزايت ، ترتيب قابليت نگهداري آلودگي نمونه هاي بنتونيت ، کائولينيت و نانورس هاي فاقد کربنات به صورت ذيل بوده است :
اين در حالي است که با افزايش درصد کربنات ترتيب قابليت نگهداري آلاينده توسط نمونه هاي رسي فوق تغيير ميکند. به نحوي که هنگامي که نمونه هاي نانورس با ٨%کربنات غني مي شوند ترتيب قابليت نگهداري آلودگي توسط نمونه ها به صورت ذيل بوده است :
کلمات کليدي : نانورس ، آلاينده فلز سنگين ، کربنات ، ظرفيت بافرينگ ، بنتونيت .
.1مقدمه
علم نانومواد، يک حرکت جديد را در سيستم توليد مواد ايجاد نموده است . وقتي مواد بسيار کوچک ميشوند، خواص جديد قابل توجه اي پيدا ميکنند. بعضي از اين خواص که موجب کاربرد وسيع نانومواد شده است شامل افزايش در سـطح مخـصوص ، آشـکار سـاختن خـواص مهندسـي مفيـد، افـزايش سختي و شکل پذيري مواد، و افزايش فعاليت بسيار زياد شيميايي مواد ميباشد [١]. در اندازه نانو، تئوري کلاسيک و مکانيک کوانتـوم بـه صـورت قطـع معتبر نيستند و همين امر ميتواند تنوع بسيار زياد و غير منتظره اي در خواص مواد و کاربردهاي جديد آن ايجاد کند.
خاکهاي آلوده به فلزات سنگين يکي از مشکلات متداول ژئوتکنيک زيست محيطي در سراسر جهان ميباشند. آلودگي خاک اغلب ناشي از چند نوع فلز سنگين است . آلاينده هاي فلز سنگين معمول در خاک ها شامل سرب ، مـس ، جيـوه ، آرسـنيک ، کـروم و کـادميم هـستند [٣،٢] بـين فلـزات سنگين ، سرب از خطرناکترين و شايع ترين آلاينده هاي محيط زيست ميباشد[٢].
از سوي ديگر کاني هاي رسي يکي از مهمترين اجزاي طبيعي محيط زيست است . کاني هاي رسي با واکنش هاي متفاوتي که از خود نشان مـي - دهند در فرايند اندرکنش خاک-آلودگي نقش مهمي را ايفا ميکنند که به عنوان مثال ميتوان به چرخه ماده اصلي خـاک، محافظـت محـيط زيـست يـا حتي در صنعت مواد شيميايي ترکيبي اشاره کرد. يکي از واکنش هاي سطحي کاني هاي رسي جذب سطحي و مبادله کاتيون هاي فلزي است [٤].
به طور مشخص ، سطح مخصوص زياد، پايداري شيميايي و مکانيکي، ساختار لايه اي، ظرفيت تبادل کاتيوني (CEC)، از رس ها يک ماده شگرف براي جذب آلاينده هاي زيست محيطي ساخته است [٣-٥]. هر کدام از بخش هاي تشکيل دهنده کاني هاي رسي ، کربنات ، مواد آلي، اکسيدها،مواد آمرف و غيره ميتوانند در فرايند نگهداري فلزات سنگين نقش داشته باشند. در فرايند اندرکنش کاني هاي رسي و آلاينده هاي فلزي، کربنات ها نقش ويژه اي ايفا ميکنند. ساختار خاک و يا فرايند نگهداري فلز سنگين در بسياري از مطالعات بررسي شده است [٢-٦].
از ديدگاه ژئوتکنيک زيست محيطي ، کاني رسي مونت موريلونيت از مهمترين کاني هاي رسي است . با استفاده از مواد اصلاح کننده آلي، مي - توان در خواص مهندسي مونت موريلونيت تغييرات اساسي ايجاد نمود. در حقيقت خواص مونـت موريلونيـت اصـلاح شـده مربـوط بـه ترکيـب شـيميايي اصلاح شده و پارامترهاي ساختاري آن ميباشد. جذب ماده اي با سطح فعال در کاني هاي رس موجـب تغييـر خـواص سـطح ، همچـون فولوکولـه شـدن ، تراکم وکاهش تورم ميشود [٧-١٣]. حضور مواد آلي در خاک موجب پيچيدگي درک رفتار تک تک اجزاي رسـي در جـذب فلـزات سـنگين مـي - گردد، زيرا مواد آلي بر سطوح اجزاي رس ميچسبند و اندرکنش پيچيده اي را ايجاد ميکنند[١٤-١٥].
يکي از انواع نانو مواد که در خصوص آن تحقيقات وسيعي انجام شده و در امور صنعتي کاربرد فراوان دارد، نانو ذرات رسي است . نانورس ها، پودرهاي رسي هستند که به مقدار زيادي تصفيه شده و به عنوان يک افزودني براي افزايش مقاومـت ، مقابلـه در برابـر اشـعه فـرابنفش ، افـزايش مقاومـت حرارتي، بازدارنده شعله ، جذب آلاينده هاي موجود در محيط زيست و در بعضي مواقع به واسطه خواص ضد باکتري آنها استفاده مي شوند.
عليرغم تحقيقات وسيعي که در سال هاي اخيـر در موضـوع انـدرکنش خـاک و آلـودگي صـورت گرفتـه اسـت در زمينـه فراينـد انـدرکنش آلاينده هاي فلز سنگين و نانورس ها تحقيقات قابل توجهي انجام نشده است . همچنين مرور مطالعات انجام شده نشان مـيدهـد کـه در تحقيقـات قبلـي بـه تأثير حضور کربنات بر فرايند اندرکنش نانورس و آلاينده هاي فلزي توجه ويژه اي معطوف نشده است . بر ايـن اسـاس هـدف ايـن تحقيـق مطالعـه رفتـار ژئوتکنيک زيست محيطي نانورس هاو نانورس هاي غني شده با کربنات از نظر قابليت جذب آلاينده هاي فلز سنگين ميباشد.
.2مواد و روش ها
در اين پژوهش ، در بخش آزمايش هاي رفتاري از نانورس هاي صنعتي و نمونه هاي رسي بنتونيت و کائولينيت استفاده شده اسـت . هـدف از ايـن انتخـاب تعيين خصوصيات ژئوتکنيک زيست محيطي و قابليت جذب و نگهداري آلاينده ها در انواع نانوذرات رسي و مقايسه آن با کانيهاي رسي مورد مطالعـه بوده است . بدين منظور از نانومواد رسي صنعتي اصلاح شده با نام تجاري کلوزايت +Na ، کلوزايت A١٥، کلوزايت A٢٠ و کلوزايت B٣٠ اسـتفاده شـده است . اين نانورس ها با نام تجاري "کلوزايت " شناخته شده و از شرکت "توليد رس جنوب آمريکا" تهيه شده است . نمونه بنتونيت مورد استفاده در ايـن تحقيق با نام صنعتي "بنتونيت فلات ايران " بوده و از شرکت "ايران باريت " تهيه شده است . نمونه کائولينيت نيز از منطقه زنوس تبريز تهيه شـده و تحـت عنوان کائولينيت سوپر زنوس تبريز شناخته شده است . بخش اعظم آزمايش هاي انجام شده در اين تحقيـق بـر اسـاس اسـتاندارد ASTM و دسـتورالعمل انجام آزمايش هاي ژئوتکنيک زيست محيطي دانشگاه مک گيل کانادا صورت گرفتـه اسـت . بـراي تعيـين درصـد کربنـات خـاک، از روش تيتراسـيون استفاده شده است [١٦]. اندازه گيري سطح مخصوص خاک (SSA) نيز با استفاده از محلول EGME انجام شد[١٧]. جهت تعيين ظرفيت تبـادل کـاتيوني خاک (CEC)، از محلول باريم کلرايد استفاده شد[١٨]. اندازه گيري ظرفيت نگهداري آلودگي توسط خاک با انجـام آزمـايش تيتراسـيون و بـا افـزودن غلظت هاي مختلف اسيد نيتريک (HNO٣) به نمونه ها انجام شده است [١٩-١٥]. محلول هاي اسيد در غلظت هاي مختلف با نسبت ١:١٠(خـاک :محلـول اسيد) به خاک اضافه شده اند. سوسپانسيون خاک - الکتروليت به مدت حداقل سه ساعت توسط لرزاننده الکتريکي هم زده شده و نمونه هـا بـه مـدت ٩٦ ساعت به منظور همگن شدن کامل سيستم و انجام تبادل کاتيوني لازم نگهداري شده است . پس از طي اين مدت ، مقادير pH بـا اسـتفاده از دسـتگاه pH متر مدل (٩٣٢١ HANNA-Hi) اندازه گيري شد.
همچنين به منظور بررسي اندرکنش نمونه هاي نانورس و کاني هاي رسي با آلاينده فلز سنگين ، از آزمايش تعادل مخلوط اشباع استفاده شد. به اين منظور با انجام آزمايش تعادل سوسپانسيون اشباع خاک در غلظت هاي مختلف آلاينده فلز سنگين ، قابليت نگهداري فلز سنگين در نمونه ها مورد مطالعه آزمايشگاهي قرار گرفت [١٩]. به منظور انجام اين آزمايش ها، در ابتدا محلول هاي شامل نيترات سرب ٢(Pb)NO٣ و در غلظت هاي ٠.٠٠١ تا٠.٠٥ مولار تهيه شد. يک گرم خاک خشک با دقت ٠.٠٠١ گرم وزن شده و داخل تيوپ سانتريفيوژ ٥٠ ميلي ليتر ريخته شد. سپس ٥٠ ميلي ليتر از الکتروليت مورد نظر به خاک اضافه گرديد. اين سوسپانسيون الکتروليت - خاک به مدت سه ساعت توسط لرزاننده الکتريکي کاملا هم زده شد. آنگاه پس از نگهداري نمونه ها به مدت ٢٤ ساعت با هدف ايجاد شرايط تعادل ، اين سوسپانسيون مجددا به مدت سه ساعت هم زده شد. نمونه ها حدود ١٢٠ ساعت ديگر نگهداري شده تا با انجام کامل تبادل کاتيوني، شرايط تعادل در سيستم خاک -الکتروليت کاملا صورت گيرد. پس از اين مرحله ، با سانتريفيوژ کردن نمونه ها در سرعت rpm ٣٠٠٠، فاز مايع نمونه از فاز جامد خاک جدا شده و سپس غلظت يون سرب در فاز مايع جدا شده با استفاده از دستگاه جذب اتمي (AAS) مدل (AB Plus ٩٣٢ GBC) آناليز شده است . به منظور بررسي وضعيت اندرکنش نانورس هاي خالص و نانو رس هاي غني شده با درصدهاي مختلف کربنات با فلز سنگين سرب و مقايسه رفتار جذب و نگهداري آنها با نمونه هاي رسي کائولينيت و بنتونيت ، يک سري آزمايش جذب به روش تعادل سوسپانسيون خاک- الکتروليت ، انجام گرفته است . در اين آزمايش ها ابتدا نمونه هاي نانورس با نسبت هاي وزني ٢%،٤% و٨% کربنات کلسيم به صورت خشک مخلوط شده است . سپس به اين نمونه ها در نسبت ١ به ٥٠( خاک -محلول )، الکتروليت هاي حاوي نيترات سرب در غلظت هاي ٠، ١٠،٥، ٢٥، ٥٠، ١٠٠، و ٢٥٠ cmol.kg-soil ٢٥٠ اضافه شده است . همچنين با انجام يکسري آزمايش هاي تعادل مخلوط اشباع ، رفتار ژئوتکنيک زيست محيطي اين نمونه ها با نمونه هاي مرجع کائولينيت و بنتونيت مقايسه گرديد.
.3بحث و بررسي نتايج
خصوصيات جذب و نگهداري نانورس هاي کلوزايت +Na، کلوزايت A١٥، کلوزايت A٢٠ و کلوزايت B٣٠ و نمونه هاي رسي بنتونيت و کائولينيت در اندرکنش با آلاينده فلز سنگين سرب در شکل هاي (١) و (٢) نشان داده شده است . بر اساس نتايج آزمايش هاي صورت گرفته ، قابليت نگهداري آلاينده در نمونه کلوزايت +Naدر مقايسه با ديگر نمونه هاي نانورس ، بيشتر است . در واقع اگرچه نمونه هاي کلوزايت A١٥، کلوزايت A٢٠ و کلوزايت B٣٠ به واسطه اندازه ابعاد داراي سطح مخصوص قابل توجهي ميباشند ليکن به دليل تأثير يون سديم در افزايش قابليت تبادل کاتيوني نمونه کلوزايت +Na، اين نمونه از ديگر نمونه هاي نانو رس قابليت جذب آلودگي بيشتري دارد.
به منظور امکان تفسير نتايج فوق بر اساس مقادير ظرفيت تبادل کاتيوني (CEC) و سطح مخـصوص (SSA) و درصـد کربنـات نمونـه هـا، در جدول (١) مقادير فوق براي نمونه هاي مورد استفاده در اين تحقيق ارائه شده اند. اصولا، ارزيابي مطالعات انجام شده توسط ديگر محققين نـشان مـيدهـد که سه پارامتر درصد کربنات ، ظرفيت تبادل کاتيوني (CEC) و سطح مخصوص (SSA) نقش قابل توجهي در قابليت نگهداري آلودگي توسط خاک دارند[١٧]. بر اين اساس با توجه به نتايج ارائه شده در جدول (١)، وجود ظرفيت تبادل کاتيوني بزرگ ، حدود ٨% کربنات و سطح مخصوص قابل توجـه در نمونه بنتونيت سبب افزايش قابليت نگهداري آلودگي در آن نسبت به ديگر نمونه ها شده است .
از سوي ديگر، نمونه کلوزايت +Na سطح مخصوص بزرگتري نسبت به نمونه بنتونيت دارد. اين موضوع به واسطه سطح انـدرکنش قابـل توجـه نانورس کلوزايت +Na بوده است . اين نمونه ظرفيت تبادل کاتيوني نسبتا بزرگي نيـز داشـته اسـت . دو مـورد فـوق سـبب شـده اسـت کـه نمونـه نـانورس کلوزايت +Na در مقايسه با کائولينيت حاوي ٤% کربنات از قابليت بيشتري در نگهداري آلودگي برخوردار باشد. از مقايسه مقادير ظرفيت تبادل کاتيوني وسطح مخصوص کائولينيت و نمونه نانورس کلوزايت B٣٠ ميتوان نتيجه گيري نمود که وجود٤% کربنات در نمونه کائولينيت عملا سبب شـده اسـت که اين نمونه داراي قابليت نگهداري آلودگي بيشتري از نانورس کلوزايت B٣٠ باشد (شکل (٢)). اين در حالي است که نمونه نانورس فوق داراي سطح مخصوص بيش از١٢ برابر کائولينيت و ظرفيت تبادل کاتيوني آن نيز١٢% بيشتر از کائولينيت بوده است .
اگر همزمـان بـه ايـن نکتـه توجـه گـردد کـه نمونـه کلوزايـت B٣٠ داراي قابليـت جـذب بيـشتري در مقايـسه بـا نمونـه هـاي کلوزايـت A٢٠ و کلوزايت A١٥ بوده است با مقايسه تفاوت در مقادير جذب آنها ميتوان نتيجه گيري نمود که افزايش ٢٢ درصدي سـطح مخـصوص کلوزايـت B٣٠ در مقايسه با نمونه کلوزايت A٢٠ سبب افزايش قابليت جذب آن شده است . چرا که نمونه کلوزايت B٣٠ داراي ظرفيت تبادل کاتيوني کمتري (حدود١٢%)
در مقايسه با نمونه کلوزايت A٢٠ بوده است . در عين حال افزايش ٢٤ درصدي سطح مخصوص نمونه کلوزايت A١٥ در مقايسه با نمونـه کلوزايـت A٢٠ باعث افزايش قابليت نگهداري آلودگي در نانورس کلوزايت A١٥ نشده است . علت اين موضوع را قطعا ميتوان به افزايش حدود ٨٠ درصـدي ظرفيـت تبادل کاتيوني نمونه کلوزايت A٢٠ نسبت به نمونه کلوزايت A١٥ نسبت داد. بر اين اساس ترتيب تأثير عوامل حضور کربنات ، ظرفيت تبـادل کـاتيوني و سطح مخصوص در قابليت نگهداري آلودگي خاک را ميتوان به شرح ذيل نتيجه گيري نمود:
کربنات > ظرفيت تبادل کاتيوني > سطح مخصوص
با توجه به مطالب بيان شده ، عامل کربنات يکي از علل اصلي و موثر نگهداري آلاينده فلز سنگين توسط خاک است . بـر ايـن اسـاس در ادامـه آزمايش هاي اين تحقيق ، با افزايش کربنات کلسيم به نمونه هاي مورد مطالعه ، به بررسي درصد افزايش جذب نمونه ها نسبت به نمونه اوليه ، و نيز به بررسي تغييرات جذب در نانورس ها در مقايسه با نمونه هاي رسي مرجع کائولينيت و بنتونيت پرداخته شده است . در ارزيابي نتايج ايـن آزمـايش هـا بـه دو عامـل ظرفيت تبادل کاتيوني و سطح ويژه خاک و تأثير آن در فرايند اندرکنش خاک -آلودگي توجه ويژه اي معطوف شده است .
در شکل (٣) ميزان جذب فلز سنگين سرب توسط کلوزايت +Naغني شده با درصدهاي متفـاوت ( ٢%،٤% و٨%) کربنـات کلـسيم نـشان داده شده است . همانطور که ملاحظه ميگردد در نمونه هاي حاوي ٢%،٤% و٨% کربنات در غلظت هاي کمتر از cmol.kg-soil ٥٠ تقريبا تمامي فلز سنگين سرب موجود در الکتروليت جذب و نگهداري ميشود. با افزايش ٤% کربنـات ميـزان نگهـداري فلـز سـنگين سـرب در غلظـت cmol.kg-soil ١٠٠ و cmol.kg-soil ٢٥٠ به ترتيب نسبت به کلوزايت +Naخالص ٣٨% و٣٣% افزايش جذب را نشان ميدهد. حال در مقايسه با کاني رسي کائولينيـت کـه حاوي ٤% کربنات طبيعي است ، افزايش ٥١% و٦٢% ميزان نگهداري در غلظت هاي cmol.kg-soil ١٠٠ و cmol.kg-soil ٢٥٠ مشاهده مـيشـود. بـه بيان ديگر ٩ برابر شدن مساحت سطح مخصوص کلوزايت +Naنسبت به کائولينيت و افزايش ٢٠٠% ظرفيت تبادل کاتيوني علت اصلي اين ميزان افـزايش در قابليت جذب نمونه ميباشد. همچنين افزايش ١٦% درصدي ميزان نگهداري فلز سنگين سرب در نمونه کلوزايـت +Naحـاوي ٤% کربنـات نـسبت بـه بنتونيت مرجع با ٨% کربنات در غلظت cmol.kg-soil ٢٥٠ قابل توجه است ، عدم خلوص بنتونيت (وجود ٢٦% سيلت در نمونه بنتونيت )، افزايش سطح مخصوص کلوزايت +Naنسبت به بنتونيت ، وبزرگ بودن ظرفيت تبادل کاتيوني کلوزايت +Naميتواند از علل اين افزايش باشد.
غنيسازي کلوزايت +Na با٨% کربنات موجب افزايش قابل توجه ميزان جذب و نگهداري فلـز سـنگين سـرب مـي شـود. افـزايش ٧٠% و ٩٠%ميزان نگهداري در غلظت هاي cmol.kg-soil ١٠٠ و cmol.kg-soil ٢٥٠ تأثير حضور کربنات را در نگهداري فلز سنگين سرب و غالب بـودن ايـن تأثير در مقايسه با تأثير ظرفيت تبادل کاتيوني و مساحت سطح مخصوص در نگهداري فلز سنگين را نشان ميدهد.
مقايسه رفتار جذب آلاينده فلز سنگين در کلوزايت +Na غني شده با٨% کربنات و رفتار جذب آلاينده فلز سنگين در نمونه رسي بنتونيـت نيـز نشان ميدهد که کلوزايت +Na غني شده با٨% کربنات در غلظت هـاي cmol.kg-soil ١٠٠ و cmol.kg-soil ٢٥٠ بـه ترتيـب بـه ميـزان ٣٧% و٦٥%نسبت به بنتونيت جذب بيشتري داشته است . اين در حالي است که ظرفيت تبادل کاتيوني اوليه بنتونيت نسبت به کلوزايـت +Na خـالص بيـشتر اسـت ، امـا افزوده شدن کربنات کلسيم مصنوعي به کلوزايت
