شبیه‌سازی انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی زیست تخریب‌پذیر و سبز در خاک شنی تحت شرایط جریان اشباع ماندگار

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 دانشگاه شهید چمران اهواز

3 استادیار گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

سابقه و هدف: یکی از جدید‌ترین فناوری‌ها برای حذف آلاینده‌ها از منابع خاک و آب استفاده از نانوتکنولوژی می‌باشد. نانوذرات آهن صفر ظرفیتی به دلیل غیر‌سمی بودن، واکنش‌پذیری و سطح ویژه بالا، قدرت جذب‌کنندگی مطلوب کاربرد زیادی در تصفیه و پالایش منابع آلوده آب و خاک دارند. با افزایش انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی در محیط، کارایی آنها در احیاء و حذف آلاینده‌های مختلف افزایش خواهد یافت. لذا بررسی عوامل موثر بر تحرک و انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی و شناسایی مکانیسم‌های موثر برانتقال و نگهداشت آنها در خاک اهمیت فراوانی دارد. پلیمر طییعی و سبز گوارگام که یک پلیمرمحلول در آب و طبیعی از گروه پلی ساکاریدها میباشد دارای خواص مطلوبی از قبیل غیرسمی، آبدوست، پایداری بالا، رسوب کم به دلیل ویسکوسیته استاتیک بالا، فشار اندک در زمان پمپاژ به دلیل ویسکوسیته دینامیک اندک و مهمتر از همه ارزان بودن و کاهش هزینههای اجرای طرح میباشد. هدف از انجام این تحقیق شبیه‌سازی انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی پایدار شده با پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر توسط برنامه HYDRUS-1D و همچنین بررسی تاثیر غلظت نانوذرات و قدرت یونی محلول بر انتقال نانوذرات در ستون‌های شن بوده است.
مواد و روش‌ها: نانوذرات آهن صفر ظرفیتی به روش احیای شیمیایی سولفات آهن توسط بوروهیدرید سدیم سنتز شدند. به منظور جلوگیری از مجتمع شدن و هماوری نانوذرات نسبت به پایدار‌سازی آنها با پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر پلی وینیل پیرولیدون (PVP) و پلی اکریلامید (PAM) و پلیمر طبیعی، سبز و غیر سمی گوارگام (GG) و همچنین پلیمر پلی استایرن سولفونات (PSS) اقدام گردید. انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی در این تحقیق بصورت ستونی (پیوسته) بوده که پمپاژ نانوذرات توسط پمپ پریستالیک با یک پالس 15 دقیقه‌ای انجام شد. مطالعه مذکور بصورت 2 آزمایش جداگانه، بصورت فاکتوریل با 2 فاکتور شامل نوع نانوذرات و غلظت نانوذرات و آزمایش دیگر نوع نانوذرات و قدرت یونی و 3 تکرار در قالب طرح کاملا تصادفی، انجام گردید. شبیه‌سازی انتقال نانوذرات و کلراید در ستون‌های شن به ترتیب توسط نرم‌افزارهای CXTFIT و HYDRUS-1D انجام شد. مدل سینتیک جذب-واجذب با مکانیزم‌های مختلف تئوری پالایش، پالایش فیزیکی و لانگمویر برای نگهداشت نانوذرات در محیط متخلخل برای شبیه‌سازی انتقال نانوذرات در خاک استفاده شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که با افزایش مقادیر غلظت نانوذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده و قدرت یونی محلول، انتقال کلیه نانوذرات سنتز شده در ستون‌های شن کاهش یافت. شبیه‌سازی انتقال نانوذرات توسط مدل سینتیک انتقال ذرات برنامه HYDRUS-1D نشان داد که مکانیسم‌های تئوری پالایش، پالایش فیزیکی و لانگمویر به ترتیب بهترین برآورد را از انتقال نانوذرات دارا بودند. نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پوشش‌های پلی اکریلامید، گوارگام، پلی استایرن سولفونات، پلی وینیل پیرولیدون و نانوذرات بدون پوشش به ترتیب بیشترین تا کمترین انتقال در ستون‌های شن را به خود اختصاص دادند.
نتیجه‌گیری: با افزایش پایداری نانوذرات آهن صفر ظرفیتی و کاهش اندازه آنها، توانایی انتقال آنها در محیط متخلخل افزایش می‌یابد. پلیمر طبیعی و سبز گوارگام سبب اصلاح سطوح نانوذرات آهن صفر ظرفیتی و افزایش پایداری آن‌ها گردید، لذا با توجه به زیست‌تجزیه‌پذیر بودن آن به عنوان جایگزینی برای پلیمرهای مصنوعی پیشنهاد می‌گردد؛ همچنین این پلیمر به دلیل فراوان بودن، ارزان بودن، غیر سمی بودن و ویسکوسیته دینامیک پایین در مقیاس‌های وسیع مزرعه‌ای نیز قابل استفاده و مقرون به صرفه خواهد بود. شبیه‌سازی انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی در خاک به درک مکانیسم‌های موثر بر انتقال آن‌ها کمک کرده و مفید است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation transport of biodegradable and green zerovalent iron nanoparticles in sandy soil under saturated steady state flow conditions

نویسندگان [English]

  • Mohammad Taghi Kouhiyan Afzal 1
  • Ahmad Farrokhian Firouzi 2
  • Mehdi Taghavi Zahedkolaei 3
1 Department of Soil science, Faculty of agriculture,, shahid chamran university of Ahvaz, Ahvaz,, Iran
3 Assistant Professor, Department of Chemistry, Faculty of Science, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده [English]

Abstract
Background and Objectives: One of the newest techniques for pollutant removal from soil and water resources is utilizing nanotechnology. Application of zerovalent iron nanoparticles (ZVINs) for filtration of soil and water resources is growing as fast as possible due to non-toxic, high reactivity, high surface area, and high adsorbent power characteristics. By increasing ZVINs transport, the reduction and removal efficiency of different pollutants from the goal media will increase. So analyzing the effective factors on ZVINs mobility and transport and realizing the effective mechanisms on ZVINs transport and retention of them in the soil is so vital. Utilizing the guar gum as the natural and green polymer will cause to improve the ZVINs stability. The guar gum as a water soluble and natural polymer from polysaccharide groups has beneficial characteristics comprising of non-toxic, hydrophilic, high stability, low sedimentation due to high static viscosity, low injection pressure due to low dynamic viscosity and especially non-expensive and reducing project costs. The objective of this research was to simulate biodegradable polymer stabilized ZVINs transport in sand columns using HYDRUS-1D software and investigation the effects of initial particles concentration and ionic strength on ZVINs transport and retention in porous media.
Material and Methods: The ZVINs were synthesized using chemical reduction of ferrous sulfate by sodium borohydride. In this research, five different ZVINs stabilized with different polymers including biodegradable polyacrylamide (PAM) and polyvinylpyrrolidone (PVP), green natural guar gum (GG) and polystyrene sulfonate (PSS), and bare zero-valent iron nanoparticles were synthesized for preventing ZVINs from being aggregated. The ZVINs were injected in the sand columns in the form of pulse input for a fixed period of time (15 minutes.) using peristaltic pump. The research was conducted using two separate factorial experiments designs as a completely randomized with two factors and three replications (factors of experiment 1: ZVINs types and ZVINs dosages; factors of experiment 2: ZVINs types and ionic strength). Transport of ZVINs and chloride (Cl-1) were simulated by HYDRUS-1D and CXTFIT software, respectively. Kinetic attachment-detachment model colloid with filtration theory (CFT), physical straining, lungmuirian, and blocking models were used to simulate ZVINs transport in soil.
Results: The results revealed that with increasing ZVINs concentration and solution ionic strength, the ZVINs transport in the sand columns decreased. The results also indicated that colloid filtration theory (CFT), physical straining and lungmuirian blocking mechanisms had more accurate to predict ZVINs transport in the porous media, respectively. The results showed that PAM, PVP, PSS, GG stabilized ZVINs and the bare ones had maximum transport in sand columns, respectively.
Conclusion: Transport of ZVINs in the sand columns were increased by stabilizing and application of biodegradable polyacrylamide (PAM), polyvinylpyrrolidone (PVP) and Gurgum (GG) coatings as natural and green biopolymers. The findings of this research showed that applying of guar gum as a natural and green polymer improves the ZVINs stability. Therefore, current polymer is a suitable substitute for artificial polymers. The results also revealed that guar gum due to non- expensive, non-toxic, abundance, and low dynamic viscosity could be used as the ZVINs stabilizer for field scales; therefore, the field injection and target pollutants reduction costs would be diminished as a result. Overall, simulation ZVINs transport is so vital for understanding of mechanisms which control ZVINs transport and retention in soil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • transport
  • sand column
  • simulating
  • guar gum
  • Zerovalent iron nanoparticles
1.Adamczyk, Z., Siwek, B., Zembala, M., and Belouschek, P. 1994. Kinetics of localized adsorption of colloid particles. Advance in Colloid and Interface Science. 48: 151-280.
2.Bradford, S.A., Šimůnek, J., Bettahar, M., van Genuchten, M.Th., and Yates, S.R. 2003. Modeling colloid attachment, straining and exclusion in saturated porous media. Environmantal Science and Technology. 37: 2242-2250.
3.Christian, P., Von der Kammer, F., Baalousha, M., and Hofmann, T. 2008. Nanoparticles: structure, properties, preparation and behaviour in environmental media. Ecotoxicology.17: 326-343.
4.Cirtiu, C.M., Raychoudhury, T., Ghoshal, S., and Moores, A. 2011. Systematic comparison of the size, surface characteristics and colloidal stability of zero valent iron nanoparticles pre- and post- grafted with common polymers. Colloids and Surfaces. a: Physicochem. 390: 1-3. 95-104.
5.Darlington, T.K., Neigh, A.M., Spencer, M.T., Guyen, O.T.N., and Oldenburg, S.J. 2009. Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil. Environ Toxicol. Chem.
28: 1191-1199.
6.Duan, R., Dong, Y., and Zhang, Q. 2018. Characteristics of Aggregate Size Distribution of Nanoscale Zero-Valent Iron in Aqueous Suspensions and Its Effect on Transport Process in Porous Media. Water. 10: 6. 1-14.
7.Esfahani, A.R., Firouzi, A.F., Sayyad, G., and Kiasat, A.R. 2014. Transport and retention of polymer-stabilized zero-valent iron nanoparticles in saturated porous media: effects of initial particle concentration and ionic strength. J. Ind. Eng. Chem. 20: 5. 2671-2679.
8.Hassanizadeh, S.M., and Schijven, J.F. 2000. Use of bacteriophages as tracers for the study of removal of viruses.In: Dassargues. A. (Ed.), Tracers and Modeling in Hydrogeology. Proceedings of TRAM, held in Liege. J. Belgium.23: 167-174.
9.Jiemvarangkul, P., Zhang, W.X., and Lien, H.L. 2011. Enhanced transport of polyelectrolyte stabilized nanoscale zero-valent iron (nZVI) in porous media. Chem. Engin. J. 170: 482-491.
10.Johnson, P.R., and Elimelech, M. 1995. Dynamics of colloid deposition in porous media: blocking based on random sequential adsorption. Langmuir. 11: 801-812.
11.Kanel, S.R., Nepal, D., Manning, B., and Choi, H. 2007. Transport of surface-modified iron nanoparticle in porous media and application to arsenic (III) remediation. Nanoparticle Research.  9: 725-735.
12.Khalil, A., Eljamal, O., Eljamal, R., Sugihara, Y., and Matsunaga, N. 2018. Treatment and regeneration of nano-scale zero-valent iron spent in water remediation. Evergreen. 04: 01. 21-28.
13.Klaine, S.J., Alvarez, P.J.J., Batley, G.E., Fernandes, T.F., Handy,R.D., Lyon, D.Y., Mahendra, S., McLaughlin, M.J., and Lead, J.R. 2008. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability and effects. Environ Toxicol Chem.27: 1825-1851.
14.Kouhiyan Afzal, M.T., Farrokhian Firouzi, A., and Taghavi, M. 2017. Synthesis of bare and four different polymer- stabilized zero-valent iron nanoparticles and their efficiency on hexavalent chromium removal from aqueous solutions. J. Water Environ. Nanotechnol. 2: 4. 278-289.
15.Kuhnan, F., Bhattacharjee, B.K., Elimelech, M., and Kretzschmar, R. 2000. Transport of iron oxide colloid in packed quartz sand media: monolayer and multilayer deposition. J. Coll. Interface Sci. 231: 1. 32-41.
16.Pehnrat, T., Saleh, Sirk, N., Kim, H.J., Tilton, R.D., and Lowry, G.V. 2008. Stabilization of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions by anionic polyelectrolytes: adsorbed anionic polyelectrolyte layer properties and their effect on aggregation and sedimentation. J. Nanoparticle Res. 10: 5. 795-814
17.Lin, Y.H., Tseng, H.H., Wey, M.Y., and Lin, M.D. 2010. Characteristics of two types of stabilized nano zero-valentiron and transport in porous media. Science of the Total Environment.
408: 10. 2260–2267.
18.Petosa, A.R., Jaisi, D.P., Quevedo, I.R., Elimelech, M., and Tufenkji, N. 2010. Aggregation and deposition of engineered nanomaterials in aquatic environments: role of physicochemical interactions. Environmental Science and Technology. 44: 17. 6532-6549.
19.Phenrat, T., Liu, Y., Tilton, R.D.,and Lowry, G.V. 2009. Adsorbed polyelectrolyte coatings decrease
Fe0 nanoparticle reactivity with TCEin water: onceptual model and mechanisms. Environ. Sci. Technol.43: 507-1514.
20.Ramazanpour Esfahani, A., Farrokhian Firouzi, A., Sayyad, Gh., and Kiasat, A.R. 2013. Transport and retention of polymer-stabilized zero-valent iron nanoparticles in saturated porous media: Effects of initial particle concentration and ionic strength. J. Indus. Engin. Chem. 20: 5. 2671-2679.
21.Raychoudhury, T., Naja, G., and Ghoshal, S. 2010. Assessment of transport of two polyelectrolyte- stabilized zero- valent iron nanoparticles in porous media. J. Contamin. Hydrol. 118: 3-4. 143-151.
22.Singh, R., and Misra, V. 2016. Stabilization of Zero-Valent Iron Nanoparticles: Role of Polymers and Surfactants. P 985-1007, In: Aliofkhazraei M. (eds) Handbook of Nanoparticles. Springer International Publishing, Switzerland.
23.Simunek, J., Sejna, M., Saito, H., Sakai, M., and Van Genuchten, M.Th. 2008. The HYDRUS-1D Software package for simulating the one- dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably- saturated media, Version 4.0x Hydrus Series 3, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, CA, USA, 296p.
24.Tiraferri, A., and Sethi, R. 2013. Enhanced transport of zero-valent iron nanoparticles in saturated porous media by Guar gum. J. Nanopart. Res. 11: 635-645.
25.Toride, N., Leij, F.J., and van Genuchten, M.Th. 1999. The CXTFIT Code for Estimating Transport Parameters from Laboratory or Field Tracer Experiments Version2.1. Research Report. 137. U.S. Salinity Laboratory, Riverside, CA, 121p.
26.Xue, D., and Sethi, R. 2012. Viscoelastic gels of guar and xanthan gum mixtures provide long-
term stabilization of iron micro- and nanoparticles. J. Nanopart Res. 14: 1239.
27.Yang, Z., Qiu, X., Fang, Z., and Pokeung, T. 2015. Transport of nano zero-valent iron supported by mesoporous silica microspheres in porous media. Water Science and Technology. 71: 12. 1800-1805.