بررسي اثر تركيب نانوذرات سيليكا و سيمان بر تثبيت خاك رس آلوده به فلز سنگين نيكل

Effect of SiO2 Nanoparticles and Cement on the Performance of Stabilized Ni-Contaminated Clayey Soils

هدف از اين مطالعه بررسي توانايي تركيب سيمان- نانو سيليكا (CNS) در افزايش بهره‌وري فرآيند تثبيت و جامدسازي (S/S) خاك‌هاي آلوده به فلزات سنگين است. به اين منظور، ابتدا رس كائولينيت در شرايط آزمايشگاه به فلزنيكل آلوده و سپس با انجام مجموعه اي از آزمايش‌هاي مختلف، تاثير استفاده از تركيب CNS در پاكسازي خاك ارزيابي شد. نتايج بدست آمده مؤيد آن است كه در مصالح رسي حاوي فلز سنگين با شرايط كاني ساخت مشابه كائولينيت، امكان تراوش آلودگي حتي در غلظت‌هاي كم آلاينده (10cmol/kg.soil<) وجود دارد و نيازمند تدابير لازم براي پاكسازي است. افزودن سيمان به كائولينيت، قابليت نگهداشت فلز سنگين را به شدت افزايش داده، اگر چه آزمايش TCLP نشان داد آبشويي اين نمونه ها نيز سبب بازگشت مجدد تا 30% آلاينده جذب شده به سيال منفذي مي‌گردد. هم‌چنين مشخص شد اندركنش سيمان با فلز نيكل، فرآيند جامدشدگي ذرات را مختل كرده كه در نتيجه ي آن، بهبود مشخصات ژئومكانيكي خاك تا 4 برابر كاهش مي يابد. مشاهده شد CNS در مقايسه با سيمان، حدود 60% از توانايي بيشتري در غيرمتحرك‌سازي آلاينده برخوردار است و ضمن افزايش 40 درصدي مقاومت فشاري، تا دو برابر قابليت فشردگي مصالح را كمتر مي‌كند. براساس نتايج حاصل از آزمايش هاي فيزيكي-مكانيكي، طيف هاي XRD و تصاوير SEM، علت عملكرد بهتر تركيب CNS ناشي از رشد بيشتر (به طور متوسط حدود 42 درصد) و سريعتر مواد سيماني (خصوصااً ژل CSH)، كاهش اثر مخرب تشكيل رسوب فلز سنگين بر واكنش‌هاي هيدراتاسيون و افزايش تراكم ساختار ارزيابي شد. در مجموع يافته هاي پژوهش حاضر نشان مي دهد با مدنظر قراردادن ضوابط EPA، حدود 0/5 سيمان به ازاي هر سانتي مول بر كيلوگرم غلظت نيكل و حدود يك ماه نگهداري، براي پاكسازي ايمن خاك لازم است كه در حضور نانو ذرات سيليكا، مصرف سيمان (تا 35%) و زمان عمل آوري ( تا سه برابر) كاهش خواهد يافت.

This study investigates the capability of cement-SiO2 nanoparticles (CNS) mixture to the promotion of stabilization/solidification (S/S) process of heavy metal (HM) contaminated soils. For this purpose, artificially contaminated soil samples were first prepared by mixing kaolinite with nickel (Ni) and then a set of tests were performed to assess the effectiveness of the CNS treatment. The results indicate that the addition of cement markedly increases the HM retention of soil; however, the TCLP tests show that leaching of cement treated samples leads to return a part of pollutants to soil pore fluid. The cement and Ni interaction has a destructive impact on particles solidification which adversely affects the strength development and compressibility of the cement-stabilized specimens. At same condition, the CNS blend is more efficient in immobilizing Ni and modifying the soil engineering properties as compared to sole cement. Based on the physicochemical, XRD and SEM tests, the better performance of CNS agent is mainly associated with the more and faster growth of cement compounds, reducing the adverse effect of heavy metal precipitation on the hydration reactions and increasing the particle density. The study concluded that with the consideration of EPA criteria, an optimum cement content of 0.5 wt% per one cmol/kg.soil of HM within 28 days of curing can successfully remediate the Ni contaminated soils. The incorporation of SiO2 nanoparticles into the binder system improves the microstructure and geomechanical performance of stabilized materials and causes a significant reduction in the cement consumption (up to 35%) and time of curing (up to 3 times)