محمود فاضلیسنگانیو همکاران101نشریه پژوهشهاي حفاظت آب و خاكجلد بیست و سوم، شماره ششم، 1395http://jwsc.gau.ac.irبررسی عوامل مؤثر بر انتقال نانوذره آهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز در خاك محمود فاضلیسنگانی1 ،*علیرضا آستارایی2، امیر فتوت2و حجت امامی21دانشجوي دکتري گروه علوم خاك، دانشگاه فردوسی مشهد ،2دانشیار گروه علوم خاك، دانشگاه فردوسی مشهدتاریخ دریافت: 1/3/94؛ تاریخ پذیرش: 24/6/95چکیده1سابقه و هدف:نانوذرهآهن صفر ظرفیتی )NZVI( بهعنوان موادي مستعد براي حذف درجاي طیف گستردهاي از آلایندههاي آب و خاك از جمله ترکیبات آلی کلردار، آفتکشها، آنیونهاي غیرآلی و فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفتهاست. از آنجا که براي اجراي موفقیتآمیز یک برنامه پاکسازي، لازم است تا عامل رفع آلودگی به مجاورت آلاینده انتقال یابد، پژوهشهايزیادي عوامل مؤثر بر انتقالذرههايNZVIرا درمحیطهاي متخلخل مورد بررسی قرار دادهاند. با توجه به تحرك کمNZVI، عوامل پوششدهنده مختلفی مانند کربوکسی متیل سلولز )CMC( براي اصلاح سطح این ذرههايو بهمنظور افزایش تحركپذیري این مواد در محیطهاي متخلخل طبیعی مورد استفاده قرار گرفتهاند.در این پژوهش، عوامل کنترلکننده انتقال نانوذرهآهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز )CMC-NZVI( در ستونهاي خاك اشباع،مورد بررسی قرار گرفت .مواد و روشها:ویژگیهايفیزیکی، شیمیایی و هیدرولیکی 20نوع خاك متفاوت و سوسپانسیون CMC-NZVIدر عصاره خاك )شامل 29پارامتر( اندازهگیري شد و پارامترهاي انتقال CMC-NZVIدر خاك نیز با استفاده از منحنیهاي رخنه و با بهکارگیري مدل سینتیکی دو مکانی معادله انتشار-همرفت تخمین زده شد. سپس بررسی عوامل مؤثر بر انتقال CMC-NZVI، از طریق آنالیز چندمتغیره به روش تجزیه به مؤلفههاي اصلی )PCA( انجام شد. رابطه رگرسیون خطیچندگانهبین درصد عبور ذرههايCMC-NZVIازستونخاكاشباعو ویژگیهايخاك و نانوذرهمورد بررسی قرار گرفت.یافتهها:نتایج نشان داد که بسته به نوع خاك بین 2/10تا 9/61درصد جرمی از ذرههايCMC-NZVIوارد شده به ستون خاك، از آن عبور کردند که نشاندهنده تحركپذیري این ذرههايدر محیط خاكاست. هر چند ذرههايCMC-NZVIدر خاكهایی که میزان رس و شوري بالاییداشتند بهمیزان قابلتوجهی جذب شدند. نتایج PCAنشان داد که تغییرپذیري ویژگیهايمورد مطالعه بهوسیله 7مؤلفه اصلی و با پوشش 2/88درصدي تغییرات کل، قابل توصیف است. در بین ویژگیهايمورد بررسی، ویژگیهايمربوط به شیمی محلول، بیشترین مقادیر بردارهاي ویژه را در مؤلفهاصلی اول دارا میباشند. بررسی رابطه رگرسیونی خطی چندگانه با دو نوع متغیر ورودي شامل متغیرهاي اولیه و نمرههاي عاملی بهعنوان متغیرهاي ثانویه،با درصد CMC-NZVIانتقال یافته از ستونخاك ،نشان داد کهمدل *مسئول مکاتبه: astaraei@um.ac.ir
نشریه پژوهشهاي حفاظت آب و خاك جلد )23(، شماره )6 (1395102رگرسیونی با متغیر ورودي نمرههاي عاملی،با دارا بودن R2بیشتر و RMSEکمتر،تخمین بهتري از انتقالپذیري ذرههايCMC-NZVIدر محیط خاك ارائه میدهد. نتیجهگیري:نتایج PCAاهمیت شیمی محلول، مقدار رس و ویژگیهايهیدرودینامیکی خاك را در میزان انتقالپذیري ذرههايCMC-NZVI،نشان میدهد. نتایج این مطالعه پیشنهاد میکند که ذرههايCMC-NZVIتحرك کافی براي استفاده بهعنوان عامل اصلاحکننده آلودگی را در خاك دارند مگر در شرایطی که مقدار رس و شوري خاك بالا باشد. هرچند پژوهشهايبیشتري براي بررسی کارآیی این ذرههابراي حذف آلایندهها از خاك و محیطهاي زیرزمینی نیاز است. واژههاي کلیدي:پارامترهاي انتقال، ویژگیهايخاك، تجزیه به مؤلفههاي اصلی، محیط متخلخلمقدمهخاصیت کاهندگی بالا و غیرسمی بودن آهن صفر ظرفیتی )آهن به فرم فلزي( باعث شده است تا این ماده از دیرباز در پالایش خاك و منابع آب سطحی و زیرزمینی مورد استفاده قرار گیرد )16،34(. با توسعه تکنولوژي نانو و بهکارگیري ذرههايآهن صفر ظرفیتی در مقیاس نانو با واکنشپذیري و سطح قابل دسترس بیشتر براي واکنش با آلایندهها نسبت به این ذرههادر مقیاس میکرو و ماکرو، امکان پاكسازي درجاي منابع آبو خاك از آلایندههاي مختلف، با کارآیی بیشتر و هزینه کمتر فراهم شده است )29 .(پژوهشهايمتعددي کاربرد موفقیتآمیز نانوذرهآهن صفرظرفیتی1)NZVI( در رفع آلایندههاي مختلف مانند ترکیبات آلی کلردار، آفتکشها، آنیونهاي غیرآلی و فلزات سنگین در محیطهاي آبی، رسوبات و خاكرا تأیید کردهاند )4 ،16،32.(براي استفاده از ذرهNZVIبهعنوان عملگر درجا در رفع آلودگی، آگاهی از فرآیند انتقال آنبه مجاورت آلاینده مورد نظر و توزیع آنها در محیطهايمتخلخل آلوده مانند خاك، رسوبات و آبهاي زیرزمینی ضرورت دارد )10،20(. از اینرو پژوهشهايزیادي براي فهم مکانیسمها و عوامل کنترلکننده انتقال 1-Nano zero valent ironNZVIدر محیطهاي متخلخل طبیعی که نقش کلیدي در افزایش کارایی استفاده از این ذرههادر پالایش محیطی دارد، انجام شده است )8 ،12 ،15 ،22 ،25 .(در بسیاري از پژوهشهايانجام شده، دانههاي کروي یکنواخت و خالص شیشهاي یا کوارتزي بهعنوان محیط متخلخل مدل و سوپانسیونهاي آزمایشگاهی با ترکیب معین در قالب آزمایشهاي ستونی براي بررسی انتقال NZVIدر محیط متخلخل مورد استفاده قرار گرفتهاند )15،24(. نتایج حاصل از این پژوهشهانشان داده است که تحرك نانوذرهدر محیط متخلخل تحتتأثیر ویژگیهاي محیط متخلخل )اندازه قطر ذرهها، ترکیب شیمیایی، فیزیکی و مینرالوژیکی(، ویژگیهايذاتی نانوذره)اندازه، سطح ویژه، پتانسیل سطحی، مورفولوژي، پوشش سطحی(، شیمی سوسپانسیونحامل نانوذره)غلظت، قدرت یونی، اسیدیته، ترکیب یونی( و ویژگیهايهیدرودینامیکی سیستم )شدت جریان، ضریب انتشار هیدرودینامیکی، سرعت منفذي(میباشد )6 ،19،23(. هر چند نتایج حاصل از بررسی انتقال نانوذرهدر چنین سیستمهاي ایدهآلو یکنواختی براي تعیین مکانیسمها، عوامل کنترلکننده و اثرات متقابل آنها ضروري است، اما انتقال نانوذرهدر محیطهاي متخلخل غیریکنواخت طبیعی مانند رسوباتو خاك، از پیچیدگی بیشتري برخوردار است که
نشریه پژوهشهاي حفاظت آب و خاك جلد )23(، شماره )6 (139512029.Tratnyek, P.G., and Johnson, R.L. 2006. Nanotechnologies forEnvironmental Cleanup. Nanotoday.1: 2. 44-48.30.Tufenkji, N. 2007. Colloid and Microbe Migration in Granular Environments: A Discussion of Modelling Methods, P 119-142, In: F. Frimmel, et al. (Eds.), Colloidal Transport in Porous Media, Springer Berlin Heidelberg. 31.Tufenkji, N., Quevedo, I.R., Petosa, A.R., Fatisson, J., and Wilkinson, K.J. 2009. Experimental investigations of nanoparticle transport and deposition in aquatic environments. Geochimica Et Cosmochimica Acta. 73:1351-1351.32.Wang, C., Luo, H., Zhang, Z., Wu, Y., Zhang, J., and Chen, S. 2014. Removal of As(III (and As(V) from aqueous solutions using nanoscale zero valent iron-reduced graphite oxide modified composites. J. Hazard. Mater. 268:124-131.33.Wilding, L.P. 1985. Spatial variability, Its documentation, accommodation, and implication to soil surveys. P 166-194, In: D.R. Nielsen and J. Bouma (Eds.), Soil Variability, Pudo, Wagenigen, The Netherlands.34.Zhang, W.X. 2003. Nanoscale Iron Particles for Environmental Remediation: An Overview. J. Nanoparticle Res. 5:323-332.
محمود فاضلیسنگانیو همکاران121J. of Water and Soil Conservation, Vol. 23(6), 2017http://jwsc.gau.ac.irFactors affecting the Transport of Carboxymethyl Cellulose coated Zero Valent Iron Nano-particles in SoilM. Fazeli Sangani1, *A.R. Astaraei2, A. Fotovat2and H. Emami21Ph.D. Student, Dept. of Soil Science, Ferdowsi University of Mashhad, 2Associate Prof., Dept. of Soil Science, Ferdowsi University of Mashhad Received: 05/22/2015; Accepted: 09/14/2016Abstract1Background 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 thefactors which affecttransport behavior of NZVI particles in natural subsurface environments. 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 NZVI particlesare 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 modelwas 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 valuesin PC1among 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 percentageoftransported CMC-NZVI through the soil column,showed thatregression model employing FSs assecondaryinput variables presents a better estimation of CMC-NZVI particles transportability in soil with higher R2and 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.