جذب نيكل در برخي از خاك‌هاي آهكي ايران

Nickel sorption in selected calcareous soils of Iran

سابقه و هدف: حضور فلزات سنگين در محيط زيست به‌دليل سميت، سرطان‌زايي و عدم امكان تخريب زيستي آن‌ها، باعث ايجاد نگراني شديدي گرديده است. نيكل ممكن است از طرق مختلف به خاك‌ها كشاورزي وارد و تجمع يابد. جذب فلزات از فاز مايع بر روي فاز جامد يكي از مهم‌ترين فرآيندهاي شيميايي مي‌باشد كه رفتار و زيست‌فراهمي فلزات سنگين را تحت‌تاثير قرار مي‌دهد. اين فرآيند غلظت يون‌هاي فلزي و كمپلكس‌ها را در محلول خاك كنترل كرده و مي‌تواند تاثير عمده‌اي روي جذب آن‌ها از طريق ريشه گياهان داشته باشد. آناليز همدماهاي جذب يك روش مفيد براي مطالعه نگهداري فلزات در خاك‌ها بوده و اطلاعات مفيدي درباره ظرفيت نگهداري خاك و قدرتي كه توسط آن جذب‌شونده توسط خاك نگهداري مي‌شود را به ما مي‌دهد. هدف از اين پژوهش مطالعه رفتار جذبي نيكل به‌وسيله خاك‌هاي آهكي ايران و ارتباط آن با بعضي از ويژگي‌هاي خاك براي فهم بهتر سرنوشت اين فلز در خاك‌هاي آهكي بود. مواد و روش‌ها: در اين پژوهش مشخصات جذب نيكل در 20 خاك آهكي ايران در دامنه‌اي از غلظت نيكل ( mgL-123/751-87/5) و دماي ثابت 25 درجه سلسيوس با استفاده از همدماهاي جذب لانگموير، فروندليچ و ريدليچ- پترسون مورد مطالعه قرار گرفت. براي برازش مدل‌هاي همدماهاي جذب از نرم‌افزار Curve Expert استفاده گرديد. ضريب تعيين (r2) بالا و خطاي استاندارد تخمين پايين (SEE) به‌عنوان ملاكي براي انتخاب بهترين مدل استفاده شد. يافته‌ها: مدل فروندليچ توانست داده‌هاي مربوط به همدماهاي جذب نيكل را توصيف كند (99/0 ميانگين، 00/1-92/0=r2). پارامتر بدون بعد n كه ممكن است نشان‌دهنده توزيع انرژي مكان‌هاي جذب براي خاك‌هاي مختلف باشد دامنه‌اي بين 07/2 تا 15/3 و ميانگين 46/2 داشت. همچنين ضرايب تعيين و خطاي استاندارد تخمين برازش معادله لانگموير به داده‌هاي جذب نشان داد كه رفتار جذبي نيكل توسط خاك‌هاي آهكي مي‌تواند توسط اين معادله توضيح داده شود (98/0 ميانگين، 99/0-94/0=r2). نتايج نشان داد كه حداكثر جذب در خاك‌هاي مورد مطالعه بين 1369 تا 5378 با ميانگين 3605 ميلي‌گرم بر كيلو‌گرم مي‌باشد. ضريب انرژي پيوندي (KL) در خاك‌ها مختلف بين 008/0 تا 029/0 با ميانگين 015/0 ليتر بر ميلي‌گرم بود كه نشان‌دهنده دامنه كم تغييرات اين پارامتر در ميان خاك‌هاي مورد مطالعه مي‌باشد. ضريب توزيع (Kd) براي خاك‌هاي مورد مطالعه بين 6/22 تا 5/122 با ميانگين 8/54 ليتر بر كيلوگرم بود. با توجه به مقادير ضرايب تعيين (99/0 ميانگين، 00/1-94/0=r2) و خطاي استاندارد تخمين (9/96 ميانگين، 3/163- 9/47=SEE) معادله ريدليچ- پترسون بهترين برازش را به داده جذب نيكل در خاك‌هاي مورد مطالعه داشت. حداكثر جذب نيكل (qmax) رابطه مثبت و معني‌داري با مقدار ظرفيت تبادلي كاتيوني (01/0 > P، 76/0=r2)، رس (01/0 > P، 75/0=r2) و كربن آلي (01/0 > P، 50/0=r2) خاك داشت. ضريب فروندليچ (KF) همبستگي معني‌داري با مقدار كربن آلي و رس خاك داشت در حالي‌كه پارامترهاي معادله ريدليچ- پترسون رابطه معني‌داري با ويژگي‌هاي خاك نداشتند. نتيجه‌گيري: همدماهاي اندازه‌گيري شده براي جذب نيكل در همه خاك‌ها رفتار كاملاً غيرخطي نشان دادند. مدل‌هاي فروندليچ، لانگموير و ريدليچ- پترسون به خوبي بر داده‌هاي جذب نيكل در خاك‌هاي مورد مطالعه برازش گرديدند. نتايج اين پژوهش نشان داد كه ظرفيت تبادل كاتيوني، مقدار رس و مواد آلي مهم‌ترين ويژگي‌هاي هستند كه جذب نيكل را تحت‌تاثير قرار مي‌دهند در حالي‌كه مقدار كربنات كلسيم معادل در خاك‌هاي آهكي تاثيري بر مقدار جذب نيكل ندارد.

Background and Objectives: The presence of heavy metals in the environment is causing ever-growing concern due to their toxicity, carcinogenicity and non-biodegradability. Nickel may enter and accumulate in agricultural soils through various ways. One of the most important chemical processes which affects the behavior and bioavailability of heavy metals is sorption of metals from liquid phase on the solid phase. This process controls the concentration of metal ions and complexes in the soil solution and can influence their uptake by plant roots. Sorption isotherm is a useful method to study metals retention in soils as it gives much useful information about sorption capacity of soils. The aim of the present study was to investigate the sorption properties of Ni by calcareous soils of Iran and its relation with some soil properties to better understand the fate of this metal in calcareous soils. Materials and Methods: Nickel (Ni) sorption characteristics in 20 calcareous soils of Iran were investigated in a range from 5.87 to 751.23 mgL-1 Ni concentration in solution using sorption isotherms of Langmuir, Freundlich and Redlich–Peterson. The “Curve Expert” software was used to fit the models of sorption isotherms. The high coefficient of determination (r2) and low standard error of estimate (SEE) were used as a criterion for selecting the best model. Results: The Ni sorption isotherms could be fitted by the Freundlich model (r2=0.92-1.00; mean 0.99). The dimensionless parameter n that may indicate the sorption site energy distribution for different soils was between 2.07 and 3.15 and average of 2.46. Also the coefficient of determination and standard error of estimate showed that adsorbed behavior of Ni by calcareous soils can be described by Langmuir adsorption equation (r2=0.94-0.99; mean 0.98). The maximum sorption of studied soils for Ni ranged from 1369 to 5378, with average of 3605 mg/kg. The coefficient of bonding energy (KL) in different soils was between 0.008 and 0.029 with an average of 0.015 L/mg that indicate narrow range of this parameter among the studied soils. The distribution coefficient (Kd) ranged from 22.6 to 122.5 with average of 54.8 L/kg. According to the coefficient of determination (r2=0.94-1.00; mean 0.99) and standard error of estimate (SEE= 47.9-163.3; mean 96.9), the Redlich–Peterson equation achieved the best fit to the data of Ni sorption in studied soils. The maximum Ni sorption (qmax) correlated with organic matter (r2=0.50, P < 0.01), clay content (r2=0.75, P < 0.01) and cation exchange capacity (r2=0.76, P < 0.01). The coefficient of Ferundlich (Kf) positively correlated with organic matter and clay content while Ridlich-Pterson parameters were not correlated with the soils properties. Conclusion: The isotherms of Ni sorption showed the completely nonlinear behavior for all soils. Freundlich, Langmuir and Redlich-Patterson equations well fitted to Ni sorption data. The results of this study showed that the cation exchange capacity, clay and organic matter content of soils are the most important properties which could affect Ni sorption while Ni sorption was not affected by calcium carbonate equivalent (CCE).