بررسی تاثیر اندازه ذره و غلظت سورفکتانت بر راندمان جذب و رهاسازی نیترات در محیط های آبی توسط زئولیت اصلاح شده با HDTMA

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی علوم خاک - دانشگاه شاهد

2 عضو هیات علمی - گروه علوم مهندسی خاک دانشگاه شاهد

3 عضو هیات علمی گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی دانشگاه شاهد

چکیده

سابقه و هدف: آنیون نیترات به علت دارا بودن بار منفی تمایلی به جذب روی ذرات خاک ندارد، لذا از نیمرخ خاک خارج و وارد آبهای سطحی و زیرزمینی میشود. رسها در حالت طبیعی، اغلب دارای ویژگی آنیون گریزی بوده و قادر به جذب مولکولهای کم محلول در آب، غیر قطبی و مولکولهای آلی غیر یونی نیستند، اما میتوان با اصلاح رسها آنها را به رسآلی تبدیل و برای جذب و پالایش آنیونها و ترکیبات آنیونی و غیر آنیونی آلی مضر در محیط-های آبی استفاده کرد. این مطالعه به منظور بررسی راندمان جذب و واجذب نیترات توسط رس زئولیت-کلینوپتیلولیت ایرانی (سمنان) اصلاح شده با سورفکتانت هگزادسیل تری متیل آمونیوم بروماید(HDTMA-Br) صورت گرفت.
مواد و روشها: راندمان جذب نیترات توسط زئولیت ایرانی اصلاح شده با سورفکتانت کاتیونی HDTMA-Br تحت سه تیمار اندازه ذره، سطوح سورفکتانت و غلظت اولیه نیترات مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی ثبات نیترات جذب شده، واجذب در سطح سورفکتانت 200 درصد و در دو غلظت 3 و14میلی مولار در زمان های مختلف بررسی شد. آزمایشات به صورت فاکتوریل در قالب طرح پایه کاملا تصادفی انجام شد. نانو و میکرو ذرات زئولیت با استفاده از روش سانتریفیوژ جدا شدند. ظرفیت تبادل کاتیونی بیرونی زئولیت با استفاده از روش جایگزینی سدیم با یون ترت-بوتیل آمونیم تعیین شد. مورفولوژی و ساختار کانی زئولیت مورد مطالعه با استفاده از روش‌های XRD ، EDX ، SEM و AFM مورد بررسی و شناسایی قرار گرفت.
یافته ها: در نانو زئولیت آلی، راندمان جذب و پالایش نیترات در سطح سورفکتانت 200 درصد CEC بیرونی، در غلظتهای اولیه 3، 6، 14، 20 و 30 میلی‌مولار نیترات به ترتیب، 92، 88، 77، 67، و 56 درصد، در حالی که راندمان جذب و پالایش ذرات میکرو زئولیت در غلظتهای فوق به ترتیب، 75، 67، 50، 41 و 33 درصد بود. راندمان جذب نیترات توسط میکرو زئولیت آلی در سطح سورفکتانت 100 درصد CEC بیرونی، به ترتیب، 53، 46، 35، 28 و20 درصد بود. درصد واجذب در غلظت 3 میلی مولار نیترات در نانو زئولیت آلی، بین 6/2 تا 7/5 درصد و در غلظت 14 میلی‌مولار نیترات، بین 9/8 تا 2/12 درصد و در میکرو زئولیت 21 تا 33 درصد بود.
نتیجه گیری: نتایج این تحقیق نشان داد که تفکیک دقیق ذرات نانو زئولیت به روش سانتریفیوژ، غلظت اولیه نیترات و سطح سورفکتانت در افزایش راندمان جذب و پالایش نیترات از محیطهای آبی تاثیر بسیار زیادی دارد. نانو زئولیتهای آلی علاوه بر دارا بودن راندمان بسیار بالا در جذب و حذف نیترات از محیط، ثبات و پایداری خوبی نیز در نگهداشت نیترات از خود نشان دادند

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of particle size and surfactant concentration on nitrate absorption efficiency and release by modified zeolite with HDTMA in aqueous solution

نویسندگان [English]

  • Fariba Nemati 1
  • Hossein Torabi Golsefidi 2
  • Amir Mohammad Naji 3
1 1. M.Sc. Student, Department of Soil Sciences, Faculty of Agricultural Sciences, Shahed University
2 Assist. prof. of Shahed University
3 Assist. Prof., Department of Plant Breeding and Biothecnology, Faculty of Agricultural Sciences, Shahed University
چکیده [English]

Background and Objectives: Nitrate anion can be repelled by the negative charges on clay minerals' surface and leached from soil profile to surface and groundwater. Natural clays are not effective adsorbents and entrapment media for anions, low water soluble, non polar and non ionic organic molecules. However, the natural clays may be modified using organic cations (surfactant) to adsorb and trap varieties of non ionic, anionic compounds and enhanced anions retention capacity that are detrimental to our aqueous environments. The objective was to study the adsorption efficiency and desorption of nitrate in aqueous solutions by modified Iranian zeolite clinoptilolite (Semnan) with hexa decyl tri methyl ammonium bromide (HDTMA-Br), a cationic surfactant.
Materials and Methods: The micro and nano zeolite was separated by centrifuge method. The micro and nano-zeolites were first modified by hexa decyl tri methyl ammonium bromide (HDTMA-Br). In this study, adsorption efficiency in initial concentrations of nitrate by modified zeolite with surfactant loading of 100 and 200% external cation exchange capacity)(ECEC) was investigated in a completely randomized factorial design. The nitrate release as affected by time at 4 and 14 mM of nitrate in surfactant loading 200% ECEC were also evaluated. The external cation exchange capacity (ECEC) of zeolite was determined by replacing the Na in non zeolitic exchange sites with tert butyl ammonium ions. Structure and morphology of zeolite was determined using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX) and atomic force microscope (AFM).
Results: The results showed that adsorption efficiency of nitrate by nano organo zeolite with surfactant loading of 200% ECEC in 3, 6, 14, 20 and 30 mM nitrate were 92, 88, 77, 67 and 56 %, whereas in micro-zeolite were 75, 67, 50, 41 and 33 % respectively. Adsorption efficiency of nitrate by micro organo zeolite with surfactant loading of 100 % ECEC were 53, 46, 35, 28 and 20 % respectively. In nano-organo zeolite, nitrate desorption were 2.6 to 5.7 % and 8.9 to 12.2 % in 3 and 14 mM, respectively, whereas for micro organo zeolite were 21% and 33 % in 3 and 14 mM of initial nitrate concentration, respectively.
Conclusion: Results of this research showed that the particular separation of zeolite, initial nitrate concentration and level of surfactant loading had a highly effect on adsorption efficiency and cleaning of nitrate in aqueous solutions. Moreover, nano-organozelite showed high adsorption efficiency of nitrate and good quality to trap and retain of nitrate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano and micro zeolite
  • organoclay
  • hexadecyltrimethylammonium
  • ECEC
  • clinoptilolite
 1.Armstrong, G.A. 1963. Determination of nitrate in water by ultraviolet Spectrophotometry.
Analytical chemistry. 35: 1292-1294.
2.Aroke, U.O., El-Nafaty, U.A., and Osha, O.A. 2014. Removal of oxyanion contaminant from
waste water by sorption onto HDTMA-Br modified organo-kaolinite clay, North-Eastern,
Nigeria. Inter. J. Emer. Technol. Adv. Engin. 4: 1. 475-484.
3.Azam, N., Eslamian, S., Gheisari, M., and Abedi-Koupani, J. 2013. Reduce Nitrate from
Aqueous Solution Using Surfactant-Modified Bentonite. 1st national conference planning,
conservation, environmental protection and sustainable development, 3 December, Shahid
Mofateh University of Hamadan. (In Persian)
4.Bhattacharya, S., and Aadhar, M. 2014. Studies on preparation and analysis of organoclay
nano Particles. Res. J. Engin. Sci. 3: 3. 10-16.
5.Bhardwaja, D., Sharmab, M., Sharmac, P., and Tomar, R. 2012. Synthesis and surfactant
modification of clinoptilolite and montmorillonite for the removal of nitrate and preparation
of slow release nitrogen fertilizer. J. Hazard. Mater. 227-228: 292-300.
6.Cho, H.H., Lee, T., Hwang, S.J., and Park, J.W. 2005. Iron and organo-bentonite for the
reduction and sorption. Chemosphere. 58: 1. 103-108.
7.Dezfoli, A., and Abdolahi, H. 2010. Nitrate monitoring design, Agricultural Jihad
Organization of Fars province, Deputy of improve the production of plant, Crop
management of Shiraz, No: 89/280.
8.El-Nahhal, Y. 2003. Adsorptive behavior of acetochlor on organoclay complexes.
Environmental Contamination and Toxicology (1104-1111). Michigan State University:
Department of Crops and Soil Sciences.
9.Gitipour, S., Heidarzadeh, N., Hosseinpour, M.A., and Abolfazlzadeh, M. 2010. Adsorption of
crude oil and PAHs by ordinary and modified bentonites. Res. J. Chem. Environ. 14: 1. 46-51.
10.Gunay, A., Arslankaya, E., and Tosun, I. 2007. Lead removal from aqueous solution by
natural and pretreated clinoptilolite: Adsorption equilibrium and kinetics. J. Hazard. Mater.
146: 1-2. 362-371.
11.Hoidy, H.W., Ahmad, M., Mulla, E., and Bt Ibrahim, N. 2009. Synthesis and
characterization of organoclay from sodium-montmorillonite and fatty hydroxamic acids.
Amer. J. Appl. Sci. 6: 8. 1567-1572.
12.Jaynes, W.F., and Boyd, S.A. 1990. Trimethylammonium-smectite as an effective adsorbent of
water soluble aromatic hydrocarbons. Air and waste Management Association. 40: 1649-1653.
13.Kittrick, J.A., and Hope, E.W. 1963. A procedure for particle size separations of soils for
x-ray diffraction analysis. Soil Science. 96: 5. 319-325.
14.Lee, J., Choi, J., and Park, J.W. 2002. Simultaneous sorption of lead and chlorobenzene by
organobentonite. Chemosphere. 49: 1309-1315.
15.Li, Z. 2003. Use of surfactant-modified zeolite as fertilizer carrier sto control nitrate release.
Micropor. Mesopor. Mat. 61: 1-3. 181-188.
16.Li, Z., and Bowman, R.S. 2001. Regeneration of surfactant-modified zeolite after saturation
with choromate and percholoroethylene. Pergamon. 35: 1. 322-326.
17.Mahdavi Mazde, A., Liaghat, A., and Sheikh mohamadi, Y. 2011. Nitrate Removal from
agricultural wastes using modified zeolite. Iran Water Res. J. 5: 8. 117-124. (In Persian)
18.Malekian, R., Abedi-Koupai, J., and Eslamian, S.S. 2013. Ion-Exchange Process for nitrate
removal and release using surfactant modified zeolite. Sci. Technol. Agric. Natur. Resour.
Water and Soil Sience. 17: 63. 190-202. (In Persian)
19.Malla, P.B. 2002. Vermiculite. Pp 501-530, In: J.B. Dixon and D.G. Schulze (Eds.), Soil
mineralogy with environmental application. Soil Science Society of America, Inc. Madison,
Wisconsin, USA.
20.Ming, D., and Dixon, J.B. 1987. Quantitative determination of Clinoptilolite. clay and clay
mineralogy. 35: 6. 463-468.
21.Nabizadeh, R., Mahdavi, A.H., Ghadiri, S., Nasseri, S., Mesdaghinia, A., and Abouee, A.
2012. MTBE adsorption on Surfactant-Modified Zeolites from aqueous solutions. J. North
Khorasan Univ. Med. Sci. 4: 3. 483-492. (In Persian)
22.Pernyeszi, T., Kasteel, R., Witthuhn, B., Klahre, P., Vereecken, H., and Klumpp, E. 2006.
Organoclays for soil remediation: Adsorption of 2,4-dichlorophenol on organoclay/aquifer
material mixtures studiedunder static and flow conditions. Applied Clay Science. 32: 179-189.
23.Rafiei, H., Shirvani, M., and Behzad, T. 2014. Performance of cationic surfactant modified
sepiolite and bentonite in lead sorption from aqueous solutions. J. Water Soil. 28: 4. 818-835.
(In Persian)
24.Rhoades, J.D. 1982. Cation-exchange capacity. P 149-157, In: A.L. Page, R.H., Miller and
D.R. Keeny (Eds.), Methods of soil analysis. Part 2. 2nd ed. Agron. Monogr. No. 9. ASA
and SSSA, Madison, WI.
25.Sharafi, M., Bazigar, S., Tamizifar, M., Nemati, A., and Validi, M. 2009. The use of
nanoclay as an absorbent mineral materials. 5th Student Conference on Nanotechnology,
29-31 May, Tehran University of Medicinal Science. Retrieved March 30, 2016, from
http://www.civilica.com/Paper-NANOSC05-NANOSC05_171.html.
26.Schick, J., Caullet, P., Paillaud, J.L., Patarin, J., and Callarec, C. 2011. Nitrate sorption from
water on a surfactant-modified zeolite. Microporous and Mesoporous Materials. 142: 2. 549-556.
27.Schon, F., Gronski, W., and Freiburg. 2003. Filler networking of silica and organoclay in
rubber composites: reinforcement and dynamic-mechanical properties. Kautsch. Gummi
Kunstst. 54: 166-171.
28.Tillman Jr, F.D., Bartelt-Hunt, S.L., Smith, J.A., and Alther, G.R. 2004. Evaluation of an
organoclay, an organoclay-anthracite blend, clinoptilolite and hydroxyl-apatite as sorbents
for heavy metal removal from water. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 72: 1134-1141.
29.Trigo, C., Celis, R., Hermosín, M., and Cornejo, J. 2009. Organoclay-based formulations to
reduce the environmental impact of the herbicide Diuron in olive groves. Soil Sci. Soc. Am.
J. 73: 5. 1652-1657.
30.Xi, Y., Mallavarapu, M., and Naidu, R. 2010. Preparation, characterization of surfactants
modified clay minerals and nitrate adsorption. Applied Clay Science. 48: 92-96.