استفاده از نانوذرات آهن تثبيت‌‌شده روي كوارتز براي حذف نيترات در سيستم‌هاي تعادلي و سيال

Using Quartz-Supported Zero-Valent Iron Nanoparticles for Removing Nitrate in Equilibrium and Fluid Systems

سابقه و هدف: آنيون نيترات از آلاينده‌هاي مهم آب‌هاي زير‌زميني و سطحي در بسياري از مناطق جهان است. غلظت زياد نيترات ممكن است به سيستم‌‌هاي تنفسي وگوارشي انسان آسيب رساند، بنابراين كنترل ورود آن به منابع آب و كاهش غلظت آن در آب آشاميدني براي حفظ سلامت انسان و همچنين محيط زيست ضروري است. در اين پژوهش، اثر تثبيت نانو‌ذرات آهن روي كوارتز و امكان بازيابي و كاربرد مجدد آن‌ها به‌منظور حذف نيترات از محلول‌هاي آبي مورد بررسي قرار گرفت. مواد و روش‌ها: بدين‌منظور، نانوذرات آهن به‌روش شيميايي ساخته و روي كوارتز تثبيت شد. كارايي نانوذرات آهن براي حذف نيترات در دو سيستم تعادلي و سيال، تابعي از غلظت نيترات و نانوذرات آهن، ارزيابي شد. همچنين، در سيستم سيال امكان بازيابي نانوذرات آهن مورد بررسي قرار گرفت. يافته‌ها: نتايج نشان داد كه در غلظت مناسب نانو‌ذرات، امكان احياي 100 درصد نيترات وجود دارد. تثبيت نانو‌ذرات موجب افزايش بيش از 10 برابري كارايي آن‌ها براي حذف نيترات گرديد. برآورد ظرفيت نانو‌ذرات براي احياي نيترات، در دو غلظت 50 و 100 ميلي‌گرم در ليتر نيترات، نشان داد كه تقريباً 57/0 ميلي‌مول نيترات به‌ازاي يك ميلي‌مول آهن احيا مي‌شود. بررسي احياي نيترات در سيستم سيال نيز نشان داد كه واكنش نانو‌ذرات آهن با نيترات بسيار سريع است و بنابراين امكان استفاده از نانو‌ذرات آهن تثبيت شده در سيستم‌هاي سيال مانند آب‌هاي زيرزميني وجود دارد. همچنين، بازيابي و استفاده مجدد از نانو‌ذرات آهن نشان داد كه ذرات بازيابي شده به‌خوبي نانو‌ذرات اوليه قادر به احياي نيترات هستند، كه موجب كاهش هزينه استفاده از اين ذرات براي حذف آلاينده‌ها مي‌شود. نتيجه‌گيري: تثبيت نانوذرات آهن موجب افزايش قابل‌توجه كارايي آن‌ها براي حذف نيترات هم در سيستم تعادلي و هم در سيستم سيال مي‌شود. نانوذرات آهن اكسيد شده را مي‌توان بازيابي و براي حذف نيترات مجددا از آن‌ها استفاده كرد.

Background and Objectives: Nitrate anion is an important ground- and surface-water contaminant around the world. High nitrate concentration could damage the human respiratory and digestive systems; thus, controlling nitrate transfer toward water resources and reducing its concentration is essential to protect human health and the environment. In this research, effect of coating zero-valent iron nanoparticles on quartz (Q-Fe0Nps) and possible retrieving and reusing them were evaluated for removing nitrate from aqueous solution. Materials and Methods: Fe0Nps were made by chemical reduction method and supported by quarts. Fe0Nps efficiency for removing nitrate was assessed in both equilibrium and fluid systems as function of nitrate and Fe0 concentrations. Results: Experimental data indicated that in appropriate Fe0Nps concentration, 100% of nitrate can be removed. Coating Fe0Nps on quartz surface enhanced their efficiency for nitrate reduction more than 10 folds. Experimental data at 50 and 100 mg/L initial nitrate concentrations indicated that approximately 0.57 mmol nitrate is reduced by 1 mmol Fe0Nps. In addition, measuring nitrate reduction in fluid systems demonstrated that Fe0Nps react with nitrate ion quickly, which makes them relevant for using in fluid systems like ground-water. In addition, retrieved Q-Fe0Nps could reduce nitrate almost as well as the original particles, which reduces the cost for using in decontamination plans. Conclusions: Supporting iron nanoparticles increases their efficiency for nitrate removal significantly both in equilibrium and fluid systems. Oxidized iron nanoparticles can be retrieved and reused for nitrate removal.