پديد آورندگان :
كوهيان افضل، محمدتقي دانشگاه شهيد چمران اهواز - گروه علوم و مهندسي خاك، اهواز , فرخيان فيروزي، احمد دانشگاه شهيد چمران اهواز - گروه علوم و مهندسي خاك، اهواز , تقوي، مهدي دانشگاه شهيد چمران اهواز - دانشكده علوم - گروه شيمي، اهواز
كليدواژه :
انتقال , ستون شن , شبيه سازي , گوارگام , نانوذرات آهن صفر ظرفيتي
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: يكي از جديد‌ترين فناوري‌ها براي حذف آلاينده‌ها از منابع خاك و آب استفاده از نانوتكنولوژي ميباشد. نانوذرات آهن صفر ظرفيتي به دليل غيرسمي بودن، واكنش‌پذيري و سطح ويژه بالا، قدرت جذب‌كنندگي مطلوب كاربرد زيادي در تصفيه و پالايش منابع آلوده آب و خاك دارند. با افزايش انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي در محيط، كارايي آنها در احياء و حذف آلاينده‌هاي مختلف افزايش خواهد يافت. لذا بررسي عوامل موثر بر تحرك و انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي و شناسايي مكانيسم‌هاي موثر برانتقال و نگهداشت آنها در خاك اهميت فراواني دارد. پليمر طييعي و سبز گوارگام كه يك پليمرمحلول در آب و طبيعي از گروه پلي ساكاريدها مي باشد داراي خواص مطلوبي از قبيل غيرسمي، آبدوست، پايداري بالا، رسوب كم به دليل ويسكوسيته استاتيك بالا، فشار اندك در زمان پمپاژ به دليل ويسكوسيته ديناميك اندك و مهمتر از همه ارزان بودن و كاهش هزينه هاي اجراي طرح ميباشد. هدف از انجام اين تحقيق شبيه‌سازي انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي پايدار شده با پليمرهاي زيست‌تخريب‌پذير توسط برنامه HYDRUS-1D و همچنين بررسي تاثير غلظت نانوذرات و قدرت يوني محلول بر انتقال نانوذرات در ستون‌هاي شن بوده است.
مواد و روش‌ها: نانوذرات آهن صفر ظرفيتي به روش احياي شيميايي سولفات آهن توسط بوروهيدريد سديم سنتز شدند. به منظور جلوگيري از مجتمع شدن و هماوري نانوذرات نسبت به پايدار‌سازي آن ها با پليمرهاي زيست تخريب‌پذير پلي وينيل پيروليدون (PVP) و پلي اكريلاميد (PAM) و پليمر طبيعي، سبز و غير سمي گوارگام (GG) و همچنين پليمر پلي استايرن سولفونات (PSS) اقدام گرديد. انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي در اين تحقيق بصورت ستوني (پيوسته) بوده كه پمپاژ نانوذرات توسط پمپ پريستاليك با يك پالس 15 دقيقه‌اي انجام شد. مطالعه مذكور بصورت 2 آزمايش جداگانه، بصورت فاكتوريل با 2 فاكتور شامل نوع نانوذرات و غلظت نانوذرات و آزمايش ديگر نوع نانوذرات و قدرت يوني و 3 تكرار در قالب طرح كاملا تصادفي، انجام گرديد. شبيه‌سازي انتقال نانوذرات و كلرايد در ستون‌هاي شن به ترتيب توسط نرم‌افزارهاي CXTFIT و HYDRUS-1D انجام شد. مدل سينتيك جذب-واجذب با مكانيزم‌هاي مختلف تئوري پالايش، پالايش فيزيكي و لانگموير براي نگهداشت نانوذرات در محيط متخلخل براي شبيه‌سازي انتقال نانوذرات در خاك استفاده شدند.
يافته‌ها: نتايج نشان داد كه با افزايش مقادير غلظت نانوذرات آهن صفر ظرفيتي سنتز شده و قدرت يوني محلول، انتقال كليه نانوذرات سنتز شده در ستون‌هاي شن كاهش يافت. شبيه‌سازي انتقال نانوذرات توسط مدل سينتيك انتقال ذرات برنامه HYDRUS-1D نشان داد كه مكانيسم‌هاي تئوري پالايش، پالايش فيزيكي و لانگموير به ترتيب بهترين برآورد را از انتقال نانوذرات دارا بودند. نانوذرات آهن صفر ظرفيتي با پوشش‌هاي پلي اكريلاميد، گوارگام، پلي استايرن سولفونات، پلي وينيل پيروليدون و نانوذرات بدون پوشش به ترتيب بيشترين تا كمترين انتقال در ستون‌هاي شن را به خود اختصاص دادند.
نتيجه‌گيري: با افزايش پايداري نانوذرات آهن صفر ظرفيتي و كاهش اندازه آنها، توانايي انتقال آنها در محيط متخلخل افزايش مي‌يابد. پليمر طبيعي و سبز گوارگام سبب اصلاح سطوح نانوذرات آهن صفر ظرفيتي و افزايش پايداري آنها گرديد، لذا با توجه به زيست‌تجزيه‌پذير بودن آن به عنوان جايگزيني براي پليمرهاي مصنوعي پيشنهاد مي‌گردد؛ همچنين اين پليمر به دليل فراوان بودن، ارزان بودن، غير سمي بودن و ويسكوسيته ديناميك پايين در مقياس‌هاي وسيع مزرعه‌اي نيز قابل استفاده و مقرون به صرفه خواهد بود. شبيه‌سازي انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي در خاك به درك مكانيسم‌هاي موثر بر انتقال آنها كمك كرده و مفيد است.
چكيده لاتين :
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.
