كليدواژه :
بيوچار , جذب سطحي , سينتيك , كادميم , سرب
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: آلودگي خاك با فلزات سنگين به دليل اثرات نامطلوب آن بر سلامت اكوسيستم و امنيت غذايي به يك نگراني جهاني تبديل شده است. مواد اصلاحي خاك از جمله بيوچار مي‌تواند زيست فراهمي فلزات سنگين در خاك‌هاي آلوده و خطر ورود آن‌ها به زنجيره غذايي را كاهش دهد. بيوچار يك ماده غني از كربن است كه از گرماكافت زيست توده، مانند بقاياي كشاورزي و كودهاي دامي در شرايط بدون اكسيژن يا با ميزان اكسيژن محدود به دست مي‌آيد. مطالعات اخير نشان داده است كه بيوچار به دليل ساختار متخلخل، گروه‌هاي عاملي فعال، pH و ظرفيت تبادل كاتيوني بالا، پتانسيل لازم براي تثبيت فلزات سنگين در خاك را دارد. در كشور، اكثر مطالعات بر روي بيوچار مربوط به خاك‌هاي آهكي و يا محلول‌هاي آبي است و بيوچار به عنوان يك جاذب كارا در جذب سطحي فلزات سنگين در خاك‌هاي اسيدي كمتر مورد توجه قرار گرفته است. هدف از انجام اين پژوهش بررسي تأثير كاربرد بيوچار تفاله هويج بر ويژگي‌هاي خاك اسيدي و جذب سطحي كادميم و سرب در خاك مي‌باشد.
مواد و روش‌ها: در اين پژوهش بيوچار تفاله هويج از طريق گرماكافت در دماي ℃ 550 به مدت 3 ساعت با نرخ افزايش دماي 25 درجه سانتيگراد بر دقيقه تهيه شد. بيوچار تفاله هويج در سطوح صفر، 4 و 8 درصد به خاك اسيدي افزوده و به مدت 60 روز خوابانده شد. پس از دوره خواباندن به منظور بررسي اثر زمان بر جذب سطحي كادميم و سرب، 25 ميلي‌ليتر از محلول 400 ميلي‌گرم بر ليتر كادميم و سرب به 1 گرم از نمونه‌هاي خاك اضافه شد و نمونه‌ها براي زمان‌هاي مختلف (4، 8، 12، 16، 20، 24، 28، 32، 36 و 40 ساعت) تكان داده شدند. سپس غلظت كادميم و سرب اندازه‌گيري شد. مدل‌هاي سينتيك شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم و الوويچ بر داده‌هاي جذب برازش داده شدند. به منظور تعيين همدماهاي جذب سطحي، 25 ميلي‌ليتر از محلول كادميم و سرب با غلظت‌هاي مختلف (صفر تا 400 ميلي‌گرم بر ليتر) به 1 گرم از نمونه‌هاي خاك اضافه شد و سپس نمونه‌ها به مدت 24 ساعت تكان داده شدند و در نهايت مدل‌هاي همدماي لانگموير، فروندليچ و تمكين بر داده‌هاي جذب برازش داده شدند.
يافته‌ها: كاربرد بيوچار به طور معني‌داري سبب افزايش pH، ظرفيت تبادل كاتيوني و قابليت هدايت الكتريكي خاك شد و سطح 8 درصد بيوچار نسبت به سطح 4 درصد، در افزايش pH، ظرفيت تبادل كاتيوني و قابليت هدايت الكتريكي خاك تأثير بيشتري داشت. نتايج برازش داده‌هاي به دست آمده با مدل‌هاي همدماي جذب سطحي لانگموير، فروندليچ و تمكين نشان داد كه جذب سطحي كادميم و سرب بر روي خاك شاهد و خاك تيمار شده با بيوچار با مدل همدماي لانگموير مطابقت دارد. مدل سينتيك شبه مرتبه دوم به عنوان بهترين معادله سينتيك جذب سطحي كادميم و سرب معرفي شد. حداكثر ظرفيت جذب سطحي كادميم و سرب به ترتيب از 25/647 ميلي‌گرم بر كيلوگرم و 71/855 ميلي‌گرم بر كيلوگرم (در خاك شاهد) به 29/2078 ميلي‌گرم بر كيلوگرم و 7/3182 ميلي‌گرم بر كيلوگرم (در خاك تيمار شده با 8 درصد بيوچار) افزايش يافت.
نتيجه‌گيري: اين پژوهش نشان داد كه بيوچار تفاله هويج با افزايش pH و ظرفيت تبادل كاتيوني خاك اسيدي سبب افزايش جذب سطحي و كاهش زيست فراهمي كادميم و سرب در خاك گرديد. بنابراين بيوچار تفاله هويج مي‌تواند به عنوان يك جاذب مؤثر و ارزان به منظور اصلاح خصوصيات خاك اسيدي و افزايش جذب كادميم و سرب در خاك استفاده شود.
چكيده لاتين :
Background and Objectives: Soil contamination with heavy metals has become a global concern because of its adverse effects on ecosystem health and food security. Soil amendments including biochar can reduce the bioavailability of heavy metals in contaminated soils and reduce their risk of entering the food chain. Biochar is a carbon-rich material obtained by pyrolysis of biomass, such as agricultural residues and manures under conditions with little or no oxygen. Recent studies have shown that biochar also has great potential for immobilizing heavy metals in soil, because of its highly porous structure, active functional groups, and generally high pH and cation exchange capacity (CEC). In the country, most of the studies on biochar are related to calcareous soils or aqueous solutions and biochar has received little attention as an efficient adsorbent for the adsorption of heavy metals in acidic soils. The goal of this study was to investigate the effect of biochar derived from carrot pulp on properties of acidic soil and adsorption of lead and cadmium in soil.
Materials and Methods: In this study, biochar derived from carrot pulp was produced through pyrolysis at 550 °C with a heating rate of 25 °C min-1. Carrot pulp biochar was added to acidic soil at 0, 4 and 8% application rates and was incubated for 60 days. After the incubation period, to investigate the effects of time on Cd and Pb adsorption, 25 mL of 400 mg L−1 of Cd and Pb were added to 1gr of soil samples, and then samples were shaken for different times (4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36 and 40 h). Then, the concentration of Cd and Pb were measured. The results were fitted to pseudo-first-order, pseudo-second-order, and Elovich kinetic models. To determine the adsorption isotherms of Cd and Pb, 25 mL of heavy metals solution with concentrations ranging from 0 to 400 mg L−1 were added to 1gr of soil samples, and then samples were shaken for 24 h, and finally the adsorption data were fitted to Langmuir, Freundlich, and Temkin isotherm models.
Results: The application of biochar significantly increased the pH, cation exchange capacity and electrical conductivity of the soil, although the 8% application rate more effective than the 4% application rate in increasing the pH, cation exchange capacity and electrical conductivity of the soil. The results of fitting the data to the Langmuir, Freundlich and Temkin isotherm models showed that Cd and Pb adsorption on the control soil and soil treated with biochar matches with the Langmuir isotherm model. The pseudo-second-order kinetic model was introduced as the best kinetic model of adsorption of Cd and Pb. The maximum adsorption capacity of Cd and Pb increased from 647.25 mg kg-1 and 855.71 mg kg-1 (in control soil) to 2078.29 mg kg-1 and 3182.72 mg kg-1 (in soil treated with 8% biochar), respectively.
Conclusion: This study showed that carrot pulp biochar increased the adsorption of Cd and Pb in acidic soil by increasing the pH and cationic exchange capacity of the soil. Therefore, carrot pulp biochar can be used as an effective and inexpensive adsorbent to improve acidic soil properties and increase the adsorption of Cd and Pb in soil.
