بخشی از مقاله
چکیده
آلودگی خاک به کادمیم یکی از چالشهای مهم محیطی است. نانوذرات دیاکسیدتیتانیم میتوانند کادمیم را از خاکهای آلوده جذب کنند و کارایی جذب به ویژگیهای محلول خاک از جمله مقدار موادآلی بستگی دارد. در این مطالعه غلظت Cd-DTPA و کادمیممحلول در سوسپانسیونهای خاک و نانوذرات دیاکسیدتیتانیم در غلظتهای مختلف اسیدهومیک 5 - ، 20 و 60 میلیگرمبرلیتر - ، در دو نسبت خاکبهآب 1:5 - و - 1:20 و در غلظتهای مختلف نانوذرات دیاکسیدتیتانیم - صفر، 1 و 5 درصد وزنی/وزنی - مورد آزمایش قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با افزایش غلظت اسیدهومیک، غلظت Cd-DTPA کاهش و غلظت کادمیممحلول در آب افزایش مییابد. اسیدهومیک باعث پایداری بیشتر نانوذرات شده و در نتیجه جذب کادمیم در سطح نانو ذرات و به دنبال آن غلظت کادمیممحلول افزایش مییابد. همچنین با افزایش غلظت نانوذرات دیاکسیدتیتانیم Cd-DTPA افزایش، کادمیممحلول در آب و pH محلولرویی سوسپانسیونها کاهش پیدا میکند. کاهش pH اسیدیته باعث کاهش دفع کادمیم از سطح خاک شده و پایداری نانوذرات دیاکسیدتیتانیم افزایش مییابد. مشاهدات ما نشان داد که نانوذرات دیاکسیدتیتانیم میتواند غلظت کادمیممحلول را در سوسپانسیونهای خاک در حضور اسیدهومیک کاهش دهد.
مقدمه
آلودگی خاک به فلزاتسنگین از جمله کادمیم در دهههای گذشته زیاد موردتوجه قرار گرفته است. کادمیم یک عنصر بسیار سمی است که برای هیچ موجود زندهای ضروری شناخته نشده است . - McBride, 1994 - نانوذرات به علت داشتن سطحرویه زیاد و ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاص، مواد کمکی بسیار مهمی در آلودگیزدایی خاک محسوب میشوند. نانوذرات در مقایسه با ذرات بزرگتر همان ماده، ویژگیهای کاملاً جدید و بهبودیافتهای نشان میدهند
یکی از این ویژگیها این است که اکثر اتمهای نانوذرات در سطح آنها قرار دارد. اتمهای سطحی غیراشباع هستند و بهراحتی با اتمهای دیگر پیوند تشکیل میدهند. بنابراین نانوذرات واکنشپذیری شیمیایی بالایی دارند . - Liang et al., 2000 - هر چند با کاهش سایز ذره از میکرومتر به نانومتر افزایش انرژی سطحی باعث کاهش پایداری ذره میشود. در نتیجه نانوذرات به علت نیروهای واندروالس و دیگر اثرات متقابل، کلوخهای میشوند و ظرفیت جذبسطحی و انتخاب پذیری نانوذرات به مقدار زیادی کاهش پیدا میکند و یا حتی از بین میرود
از بین نانوذرات موجود، نانوذرات اکسیدفلزی مثل دیاکسیدتیتانیم به عنوان یکی از انواع نویدبخش برای حذف
فلزاتسنگین از جمله کادمیم محسوب میشود
. - 2012 پایداری نانوذرات در خاکها و کارایی آنها در تیمارهای آلودگیزدایی از طریق فرآیندهای جذب، واکنشهای اکسایش کاهش و تشکیل رسوب نقش مهمی در فراهمی زیستی عناصر کممصرف و سایر آلایندهها دارد. پدیده کلوخهایشدن و فرآیندهای جذب سطحی فلزاتسنگین توسط نانوذرات در خاک به وسیله عوامل مختلفی از جمله ماده آلی خاک مثل اسیدهومیک کنترل میشود.
هدف از این مطالعه بررسی نقش اسیدهومیک در پایداری نانوذرات دیاکسیدتیتانیم و فراهمی کادمیم در حضور نانوذرات دیاکسیدتیتانیم در خاکهای آهکی آلودهشده به کادمیم میباشد.
مواد و روشها
به منظور بررسی اثر اسیدهومیک در میزان جذب کادمیم در سطح نانوذرات دیاکسیدتیتانیم در سوسپانسیونهای خاک، آزمایشی بر پایه طرح کاملاًتصادفی با آرایش فاکتوریل با دو سطح نسبت خاکبهآب 1:5 - و - 1:20، سه سطح غلظت نانوذرات دیاکسیدتیتانیم - صفر، 1 و 5 درصد - و سه سطح غلظت اسید هومیک 5 - ، 20 و 60 میلیگرم برلیتر - در سه تکرار انجام شد. به این منظور ابتدا خاک آزمایش با استفاده از محلول حاوی نمک نیتراتکادمیم - Cd - NO3 - 2. 4H2O - با غلظت 10 میلیگرم بر کیلوگرم آلوده گردید. غلظت کادمیم قابل استخراج با عصارهگیر - Lindsay and Norvell, 1978 - DTPA پس از قرائت توسط دستگاه جذب اتمی مدل Shimadzu AA-670 برابر 5/18 میلیگرم بر کیلوگرم در خاک آلوده بدست آمد.
نانوذرات دیاکسیدتیتانیم به صورت تجاری خریداری شد و بر اساس اطلاعات سازنده دارای خلوص بیش از 99 درصد با 80 درصد حجمی آناتاز و 20 درصد حجمی روتایل، اندازه ذرات - D50 - برابر 20 نانومتر، سطحویژه 10 تا 45 مترمربع برگرم، چگالی حجمی 0/46 گرم بر سانتیمترمکعب و pH حدود 5/5 تا 6 میباشد.
محلول مادر اسیدهومیک با حلکردن یک گرم اسیدهومیک جامد C9H9NO6 - ، وزن مولکولی 227/16 گرم برمول - در 1000 میلیلیتر آبمقطر و تکاندادن به مدت 72 ساعت تهیه شد. بعد از آن به منظور حذف ذرات بزرگتر از 450 نانومتر، سوسپانسیون به مدت 10 دقیقه در 10 هزار دوردردقیقه سانتریفوژ شد . - Fotovat, 1997 - به علت حلالیت محدود اسیدهومیک جامد، غلظت واقعی اسیدهومیک محلول با استفاده از دستگاه اسپکترومتر UV-VIS در طول موج 254 نانومتر اندازهگیری شد. غلظت اسیدهومیک محلول 200 میلیگرم برلیتر اندازهگیری شد.
پس از آلودهکردن خاک و تهیه محلول مادر اسیدهومیک به منظور انجام آزمایش مقدار مشخصی از نانوذرات دیاکسیدتیتانیم به درون لولههای پلاستیکی 50 میلیلیتری دارای 25 میلیلیتر آبمقطر اضافه شد و به منظور جداسازی کلوخههای نانوذرات از یکدیگر، لولهها به مدت 45 دقیقه در حمام اولتراسونیک 500 - وات - 28 کیلوهرتز - فرو برده شد. سپس به سرعت و قبل از کلوخهای شدن مجدد نانوذرات مقدار مشخصی خاک آلوده بسته به نسبت خاکبهآب موردنظر به هر لوله اضافه شد. بعد از آن 25 میلیلیتر محلول اسیدهومیک با غلظت 10، 40 و 120 میلیگرم برلیتر بهمنظور رسیدن به غلظت به ترتیب 5، 20 و 60 میلی گرمبرلیتر به لولهها اضافه شد. به منظور ایجاد اثراتمتقابل نانوذرات با خاک، لولهها به مدت 24 ساعت در یک شیکر رفتوبرگشتی با دور 150 دور دردقیقه، شیک و به مدت دو هفته در دمای اتاق رها شدند. برای جلوگیری از فعالیت میکروبی، دو قطره تولوئن به هر لوله اضافه شد و درب لولهها بسته شد.
برای تعیین غلظت کادمیممحلول پس از گذشت دو هفته محلولرویی هر لوله به درون بطریهایی منتقل شد. سپس با توجه به وزن خاک هر لوله مقدار مشخصی عصارهگیر DTPA به لولهها افزوده شده و پس از دو ساعت شیک با دور 150 دوردردقیقه در یک شیکر رفتوبرگشتی، لولهها به مدت 5 دقیقه در 12هزار دوردردقیقه سانتریفوژ شدند و غلظت کادمیم در محلولرویی سانتریفوژ با دستگاه جذب اتمی مدل Shimadzu AA-670 قرائت شد. آنالیز آماری با استفاده از نرم افزار MSTAT-C ویرایش 1/42 انجام گرفت.
نتایج و بحث
جدول 1 برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک و شکل 1 تصویر نانوپودر دیاکسیدتیتانیم تجاری که با میکروسکوپ انتقال الکترونی - TEM - تهیه شده است را نشان میدهد.
جدول -1 برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک آزمایش
شکل-1 تصویر TEMنانوذرات دیاکسیدتیتانیم تجاری
نمودارهای کادمیم استخراجشده با عصارهگیر - Cd-DTPA - DTPA در غلظتهای مختلف اسیدهومیک، کاهش معنیدار
را با افزایش غلظت اسیدهومیک نشان میدهد
شکل -2 غلظت Cd-DTPA و کادمیم محلول در آب در تیمارهای مختلف اسید هومیک
