بررسی عوامل مؤثر بر انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز در خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری تخصصی دانشگاه فردوسی مشهد

2 عضو هیئت علمی دانشگاه فردوسی مشهد

3 عضو هیئت علمی دانشگاه فدوسی مشهد

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: نانوذرات آهن صفر ظرفیتی (NZVI) به عنوان موادی مستعد برای حذف درجای طیف گسترده‌ای از آلاینده‌های آب و خاک از جمله ترکیبات آلی کلردار، آفت‌کش‌ها، آنیون‌های غیرآلی و فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفته‌اند. از آن‌جا که برای اجرای موفقیت‌آمیز یک برنامه پاکسازی، لازم است تا عامل رفع آلودگی به مجاورت آلاینده انتقال یابد، مطالعات زیادی عوامل موثر بر انتقال ذرات NZVI را در محیط‌های متخلخل مورد بررسی قرار داده‌اند. در این مطالعات، اغلب از محلول‌ها مدل و محیط‌های متخلخل یکنواخت و تعریف شده مانند دانه‌های شیشه‌ای و یا شن کوارتزی خالص استفاده شده است. با توجه به اینکه ذرات NZVI بدون پوشش (اصلاح نشده)، حتی در محیط‌های متخلخل یکنواخت تحرکی چندانی از خود نشان نمی‌دهند، عوامل پوشش دهنده مختلفی مانند کربوکسی متیل سلولز (CMC) برای اصلاح سطح این ذرات و به منظور افزایش تحرک‌پذیری این مواد در محیط‌های متخلخل طبیعی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. تاکنون تحقیقی در زمینه انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز (CMC-NZVI) در ستون‌های خاک دست‌نخورده به منظور بررسی شرایط واقعی که نانوذره در آن منتقل می‌شود، صورت نگرفته است. از این رو در این تحقیق، عوامل کنترل کننده انتقال نانوذرات در شرایط اشباع با استفاده از نمونه‌های مختلف خاک که پوشش دهنده طیف وسیعی از خصوصیات محیط‌های خاکی هستند، مورد بررسی قرار می‌گیرند.
مواد و روش‌ها: خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و هیدرولیکی 20 نوع خاک متفاوت و سوسپانسیون CMC-NZVI در عصاره خاک (شامل 29 پارامتر) اندازه‌گیری شد و پارامترهای انتقال CMC-NZVI در خاک نیز با استفاده از منحنی‌های رخنه و با به کارگیری مدل سینتیکی دو مکانی معادله انتشار- همرفت تخمین زده شد. سپس بررسی عوامل موثر بر انتقال CMC-NZVI، از طریق آنالیز چند متغیره به روش تجزیه به مولفه‌های اصلی (PCA) انجام شد. رابطه رگرسیونی چند متغیره خطی بین درصد عبور ذرات CMC-NZVIاز خاک و خصوصیات خاک و نانوذرات مورد بررسی قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که بسته به نوع خاک بین 2/10 تا 9/61 درصد جرمی از ذرات CMC-NZVI وارد شده به ستون خاک، از آن عبور کردند که نشان‌دهنده تحرک‌پذیری این ذرات در محیط خاک است. هر چند ذرات CMC-NZVIدر خاک‌هایی که میزان رس و شوری بالایی داشتند به میزان قابل‌توجهی جذب شدند. نتایج PCA نشان داد که تغییرپذیری خصوصیات مورد مطالعه به‌وسیله 7 مولفه اصلی و با پوشش 2/88 درصدی تغییرات کل، قابل توصیف است. در بین خصوصیات مورد بررسی، خصوصیات مربوط به شیمی محلول، بیشترین مقادیر بردارهای ویژه را در مولفه‌ی اصلی اول دارا می‌باشند. بررسی رابطه رگرسیونی چند متغیره خطی با دو نوع متغیر ورودی شامل متغیرهای اولیه و نمره‌های عاملی به عنوان متغیرهای ثانویه، با درصد CMC-NZVI انتقال یافته از ستون خاک، نشان داد که مدل رگرسیونی با متغیر ورودی نمره‌های عاملی، با دارا بودن R2 بیشتر و RMSE کمتر، تخمین بهتری از انتقال پذیری ذرات CMC-NZVI در محیط خاک ارائه می‌دهد.
نتیجه گیری: نتایج PCA اهمیت شیمی محلول، مقدار رس و خصوصیات هیدرودینامیکی خاک را در میزان انتقال‌پذیری ذرات CMC-NZVI، نشان می‌دهد. نتایج این مطالعه پیشنهاد می‌کند که ذرات CMC-NZVI تحرک کافی برای استفاده به عنوان عامل اصلاح کننده آلودگی را در خاک دارند مگر در شرایطی که مقدار رس و شوری خاک بالا باشد. هرچند مطالعات بیشتری برای بررسی کارآیی این ذرات برای حذف آلاینده‌ها از خاک و محیط‌های زیر زمینی نیاز است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Factors affecting the Transport of Carboxymethyl Cellulose coated Zero Valent Iron Nano-particles in Soil

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Astaraei 2
  • Hojat Emami 2

چکیده [English]

Abstract
Background and objectives: As versatile materials, zero valent iron nanoparticles (NZVI) have been employed for in-situ decontamination of a wide range of water and soil contaminants, including organic chlorinated compounds, pesticides, inorganic anions and heavy metals. To carry out a successful clean-up plan, it is necessary to deliver the decontaminant agent to the vicinity of pollutant. Therefore a considerable number of studies have investigated the factors which affecting transport behavior of NZVI particles in natural subsurface environments. Most of these studies have been utilized model solutions and well defined homogeneous porous media such as glass beads and pure quartz sand. As bare (unmodified) NZVI particles has been found to be immobile even in homogeneous porous media, different coating agent such as Carboxymethyl cellulose (CMC) has been used for surface modification of NZVI in order to improve their mobility in subsurface environments. So far, no investigation has been conducted on undisturbed soil columns, considering the real properties of the media in which the NPs are transported. So in this study, different soil types covering a wide range of soil properties in terrestrial systems are examined and the main characteristics associated with NZVI mobility in saturated soil media.

Materials and methods: Several parameters (n=29) including physiochemical and hydraulic properties of 20 different soil types and nanoparticle characteristics in soil extract suspension were measured and the transport parameters estimated from breakthrough curves employing a two-site kinetic model of advection-dispersion equation. Principal component analysis (PCA) was then used to explore the significant factors which control CMC-NZVI transport. Multi-linear regression model was investigated between the percentage of transported CMC-NZVI through the soil and the properties of soil and nanoparticles.
Results: Results showed that depending on the soil type, 10.2 to 61.9 percent of introduced CMC-NZVI mass passed through the soil columns which indicates CMC-NZVI particles are mobile in soil medium; However CMC-NZVI particles were significantly retained by soils with higher clay contents and salinity. PCA results showed that 7 selected principal components (PC) described 88.2% of the total variance of the input variables where, Solution chemistry had high loading values in PC1 among the examined parameters. A multi-linear regression model developed between two kinds of input variables including primary variables and factor scores (FSs) as secondary variables, and percentage of transported CMC-NZVI through the soil column, showed that regression model employing FSs as secondary input variables presents a better estimation of CMC-NZVI particles transportability in soil with higher R2 and lower RMSE values.
Conclusion: PCA results indicate the significance of solution chemistry, clay content and hydrodynamic properties of soil in CMC-NZVI transport. Results of this study suggest CMC-NZVI particles are mobile enough to be employed for subsurface remediation when clay content and salinity of soil are not so high. However more investigations are need to explore the efficiency of these materials for removing different pollutants from natural soils and subsurface media.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transport parameters
  • Soil properties
  • Principal component analysis
  • Porous medium