جذب سطحي بور به‌وسيله‌ كاني بيوتيت: اثر pH، قدرت يوني و ماهيت محلول زمينه

Boron adsorption on biotite: effects of pH, ionic strength and nature of background solution

سابقه و هدف: بور يكي از عناصر ضروري براي رشد گياه مي‌باشد. غلظت بور در آب آبياري و در خاك نقش مهمي بر خصوصيات كمي و كيفي گياه دارد. دامنه‌ بين كمبود و سميت اين عنصر در گياهان نسبت به عناصر غذايي ديگر، بسيار نزديك به هم است. اگر غلظت بور در گياه كمي بيش‌تر از حد مورد نياز گياه باشد، علايم سميت آن در گياه ظاهر مي‌شود. مطالعه عوامل موثر بر جذب سطحي بور توسط كاني‌هاي متداول در خاك‌هاي مناطق خشك و نيمه‌خشك مي‌تواند در اصلاح و مديريت خاك‌هاي مبتلا به سميت بور داراي اهميت باشد. هدف از اين پژوهش بررسي عوامل موثر بر رفتار جذبي بور توسط كاني بيوتيت بود. مواد و روش‌ها: جذب سطحي بور توسط كاني‌ بيوتيت در محدوده‌ 9-5/6pH=، در دو سطح غلظت 5 و 15 ميلي‌گرم بر ليتر بور بررسي شد. به‌منظور بررسي اثر نوع كاتيون و قدرت يوني محلول زمينه بر جذب سطحي بور از الكتروليت‌هاي 2(NO3)Mg، 2(NO3)Ca و NaNO3 در سه غلظت (03/0، 09/0 و 18/0 مولار) استفاده شد. هم‌دماهاي جذب سطحي در دامنه‌ غلظت 1 تا 15 ميلي‌گرم بر ليتر بور و با استفاده از آزمايش‌هاي تعادلي 24 ساعته رسم شدند. به‌منظور تفسير نتايج جذب سطحي بور توسط كاني، طيف‌سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR)، قبل و بعد از جذب سطحي بور توسط كاني و گونه‌بندي بور در محلول‌هاي تعادلي به‌وسيله‌ برنامه‌ Visual MINTEQ انجام گرديد. يافته‌ها: نتايج اين پژوهش نشان داد اثر pH بر ميزان بور جذب سطحي‌شده به غلظت اوليه‌ بور بستگي داشت. مقدار جذب سطحي بور با افزايش pH افزايش يافت. ميزان جذب سطحي بور به‌وسيله‌ اين كاني‌ با افزايش قدرت يوني افزايش يافت. با افزايش قدرت يوني محلول از 03/0 مولار به 18/0 مولار، مقدار بور جذب سطحي‌شده از 28/1 ميلي‌مول بر كيلوگرم به 64/2 ميلي‌مول بر كيلوگرم افزايش يافت. در تمامي سطوح غلظت كاتيون، مقدار بور جذب سطحي‌شده در حضور كلسيم و منيزيم بيش‌تر از سديم بود. اين موضوع ممكن است به‌دليل تشكيل كمپلكس‌هاي بور با كلسيم و منيزيم (CaH2BO3+ و MgH2BO3+) و جذب سطحي آن‌ها توسط كاني باشد. نتايج هم‌دماهاي جذب سطحي نشان داد كه مدل‌هاي فروندليچ و لانگموير جذب سطحي بور را به‌خوبي توصيف كردند، حداكثر ظرفيت جذب (qmax) به‌وسيله‌ مدل لانگموير براي كاني بيوتيت 2/27 ميلي‌مول بر كيلوگرم تعيين شد. نتيجه‌گيري: نتايج اين پژوهش نشان داد كه به‌طور متوسط كم‌تر از شش درصد از غلظت اوليه بور توسط كاني بيوتيت جذب سطحي شد، بنابراين به‌نظر مي‌رسد اين كاني ظرفيت جذبي مناسبي براي بور ندارد.

Background and Objectives: Boron is one of the essential micronutrients required for plant growth. The concentration of boron in irrigation water or in soil plays an important role in both quality and quantity characteristics of plants. The optimal concentration range for boron is narrower than for other plant essential nutrients. If boron concentration becomes slightly higher than the necessary levels for growth, its toxicity symptoms appear on plant leaves. Knowledge about factors affecting boron adsorption by minerals commonly found in soils of arid and semiarid areas may help us in management and reclamation of boron polluted soils. The main objective of this study was to investigate the adsorption characteristics of biotite for boron in batch experiments. Materials and Methods: The adsorption of boron on the adsorbent was studied as a function of pH in the range of 6.5-9.0 with two boron concentrations of 5 mg L-1 and 15 mg L-1. To study the effect of cations and ionic strength on boron adsorption, Mg (NO3)2, Ca (NO3)2 and NaNO3 background electrolytes at three concentration levels (0.03, 0.09 and 0.18 M) were used. Adsorption isotherms were derived by adsorption of boron from solutions containing different concentrations in the range of 1-15 mgL-1 using a 24h batch equilibration. In order to interpret the adsorption behavior of boron, FTIR spectra of the adsorbent was recorded using FTIR spectrophotometer before and after adsorption experiments and species activities of boron were estimated using the Visual MINTEQ speciation program. Results: The results showed that the amount of boron adsorption increased with increasing equilibrium pH and ionic strength of solution. Boron adsorption increased from 1.28 mmol kg-1 to 2.64 mmol kg-1 as the ionic strength of solution increased from 0.03 M to 0.18 M. Greater adsorption was observed in the presence of Ca2+ and Mg2+ions as compared with Na+ ions at the same concentrations. It thus seems that the much greater loss of B from solution observed in the Ca system was caused by Ca-borate ion pair (CaH2BO3+ and MgH2BO3+) adsorption. Adsorption isotherms of boron were well described by the Freundlich and Langmuir isotherms. Maximum boron adsorption capacity (qmax) of biotite was obtained to be 27.2 mmol kg-1. Conclusion: In general, the experimental data showed that less than 6% of initial boron concentration was adsorbed by biotite. Thus, it seems that this mineral does not have a reasonable adsorption capacity for B.