كاهش تحرك آرسنيك در خاك به كمك نانوذرات هماتيت و پليمرهاي اكريليكي

Reduction of arsenic mobilization in soil by application of hematite nanoparticles and acrylic polymers

سابقه و هدف: آرسنيك ازجمله فلزهاي سنگيني است كه به دليل اثرات سمي و سرطان زايي آن، توجه به پاك سازي زيست محيطي اين عنصر رو به گسترش است. پژوهش حاضر با هدف بررسي و مقايسه ميزان كارايي جاذب هاي نانوذرات هماتيت و پلي مرهاي اكريليكي در غيرمتحرك كردن آرسنيك در خاك هاي آلوده با سطوح مختلف آرسنيك و يافتن سطح مناسب از جاذب هاي نام برده انجام شد. مواد و روش ها: بدين منظور يك آزمايش فاكتوريل با دو فاكتور نوع و سطوح جاذب (چهار نوع جاذب شامل نانوذرات هماتيت، كوپليمر اكريل آميد- اكريليك اسيد (A)، و كوپليمرهاي مالئيك انيدريد- استايرن-اكريليك اسيد ( B وC )) در چهار سطح (صفر، 0.05, 0.1 و 0.2 درصد) و سطوح مختلف آرسنيك (صفر، 6، 12، 24، 48 و 96 ميلي گرم بر كيلوگرم) در سه تكرار قالب طرح كاملا تصادفي انجام شد. نانوذرات هماتيت (α-Fe2O3) از نيترات آهن سنتز شدند و خصوصيات آن ها به وسيله تكنيك هاي XRD، SEM و TEM بررسي گرديد. كارايي جاذب ها در غيرمتحرك نمودن با اندازه گيري غلظت آرسنيك فراهم، جذب شده بصورت اختصاصي و مجوع آنها بوسيله دستگاه ICP-OES بررسي گرديد. يافته ها: تصوير برداري از نانوذرات هماتيت نشان داد كه متوسط قطر آنها 32/69 نانومتر و مورفولوژي آنها كروي است. نتايج نشان داد كه تاثير نوع و سطوح جاذب، سطوح آرسنيك خاك و همچنين اثر متقابل آن ها بر غلظت آرسنيك فراهم، آرسنيك جذب شده بصورت اختصاصي و مجموع آنها معني دار بود، بطوريكه با افزايش سطح آرسنيك در خاك، غلظت آرسنيك فراهم، آرسنيك جذب شده بصورت اختصاصي و كل آرسنيك جذب شده افزايش يافت. كاربرد جاذب ها سبب كاهش غلظت آرسنيك فراهم، آرسنيك جذب شده بصورت اختصاصي و مجموع آنها گرديد و با افزايش سطح كاربرد آن ها ميزان كاهش افزايش يافت بطوري كه كمترين غلظت از سطح 0/2 درصد جاذب ها بدست آمد. كاربرد جاذب نانوذرات هماتيت غلظت آرسنيك را بيش از ساير جاذب ها كاهش داد و مالئيك انيدريد- استايرن-اكريليك اسيد كوپليمر (C)، اكريل آميد- اكريليك اسيد كوپليمر (A) و مالئيك انيدريد- استايرن-اكريليك اسيد كوپليمر (B) به ترتيب در مراتب بعدي قرار گرفتند. در تمام سطوح آرسنيك خاك، كمترين غلظت آرسنيك جذب شده مربوط به سطح 0/2 درصد جاذب نانوذرات هماتيت و بيشترين غلظت آن مربوط به تيمار شاهد (بدون كاربرد جاذب) بود. ميزان كاهش غلظت آرسنيك فراهم خاك با كاربرد سطح 0/2 درصد جاذب هاي نانوذرات هماتيت، و پلي مرهاي اكريليكي C، A و B به ترتيب 80/60%، 82/56%، 87/37% و 57/26% بود. در نوع و سطح جاذب مشابه، ميزان كاهش غلظت آرسنيك جذب شده بصورت اختصاصي، به ترتيب 56/27%، 72/22%، 88/14% و 10% بود. در نهايت ميزان كاهش غلظت كل آرسنيك جذب شده، در نوع و سطح جاذب مشابه به ترتيب 39/39%، 84/34%، 05/23% و 88/15% بود. در پلي مرها ماهيت و سپس تعداد ليگاندهاي كلاته كنند ه ي فلز تعيين كننده ظرفيت جذب آن ها بود. جاذب ها در سطوح بالاتر آرسنيك خاك نسبت به سطوح پايين آن، توانايي بيشتري در كاهش غلظت آرسنيك داشتند. همچنين كارايي آن ها در كاهش غلظت آرسنيك قابل جذب خاك بيشتر از آرسنيك جذب شده بصورت اختصاصي بود. نتيجه گيري: نانوذرات هماتيت، پلي مرهاي اكريليكي مالئيك انيدريد- استايرن-اكريليك اسيد B) و C (و اكريل آميد- اكريليك اسيد (A) بالاخص نانوذرات هماتيت مي توانند به عنوان جاذب هاي موثر جهت كاهش غلظت آرسنيك فراهم، جذب شده بصورت اختصاصي و مجموع آنها در خاك هاي آلوده بكار روند.

Background and objectives: Arsenic (As) is one of heavy metals that because of its toxicity and carcinogenicity، attention to the environmental remediation of this element is growing. It is the forms of chemical associations of As with various soil solid phases rather than its total concentration that affects its mobility، bioavailability and toxicity to the biosphere. Chemical stabilization technique is based on reduction the mobility and availability of toxic metals by different additives (adsorbents). This study was conducted to evaluate and compare the effectiveness of hematite nanoparticles and acrylic polymers in As immobilization in soils contaminated with different levels of As and find appropriate application dosage of the adsorbents. Materials and methods: A Factorial experiment was conducted using a completely randomized design and three replications. The experimental factors were types and dosages of adsorbents (Four types of adsorbents including hematite nanoparticles، acrylamide - acrylic acid copolymer (A)، Maleic anhydride- Styrene - acrylic acid copolymers (B and C) in four levels including 0، 0.05، 0.1 and 0.2 percent) and As levels (0، 6، 12، 24، 48 and 96 mg/kg). Soil samples were incubated for five months، then adsorbents were added to them and after three months the concentrations of soil available As and specifically sorbed As were determined using 0.05 M of ammonium sulfate and 0.05 M of ammonium phosphate respectively. The concentration of sum of soil available and specifically sorbed As was calculated. The effectiveness of the adsorbents in reduction the concentrations of soil As fractions were discussed. Results: SEM and TEM images showed that the average diameter of hematite nanoparticles was 32.69 nm and the morphology was spherical. The results showed that the concentrations of soil available، specifically sorbed and sum of soil available As and specifically sorbed As concentrations increased as the levels of soil As increased. Application of adsorbents decreased the concentrations of soil available، specifically sorbed and sum of soil available As and specifically sorbed As and with increasing the application dosage of adsorbents، the rate of reduction of concentrations of soil available، specifically sorbed and sum of them increased، so that the lowest concentrations of these As fractions obtained from application of 0.2 % of adsorbents. The application of hematite nanoparticles decreased the concentrations of soil As fractions more than other adsorbents، and C، A and B acrylic copolymers stand in next places respectively. At all levels of soil As، the minimum concentration of soil sorbed As was related to soil treated with 0.2% of hematite nanoparticles and the maximum concentration of it was related to control treatment (not treated with adsorbent). The rates of reduction of soil available As concentrations by application of 0.2 % of hematite nanoparticles، C، A and B acrylic copolymers were 60.80%، 56.82%، 37.87%، 26.57% respectively. At the same types and dosageof adsorbents، the rates of reduction of soil specifically sorbed As concentrations were 27.56%، 22.72%، 14.88% and 10%. Finally the rate of reduction of soil total sorbed As concentrations، at the same types and dosage of adsorbent، were 39.39%، 34.84%، 23.05%، 15.88% respectively. The nature and then number of metal chelating ligands determined polymers adsorption capacity. At higher levels of soil As، adsorbents were more effective in reducing the concentrations of soil As. Also their effectiveness in reducing the concentration of soil available As was higher than the soil specifically sorbed As. Conclusion: Hematite nanoparticles and C، A and B acrylic copolymers، especially hematite nanoparticles، can be used as effective adsorbents in reducing the concentrations of soil available As، specifically sorbed As.