بررسي عوامل موثر بر انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفيتي با پوشش كربوكسي متيل سلولز در خاك

Factors affecting the Transport of Carboxymethyl Cellulose coated Zero Valent Iron Nano-particles in Soil

سابقه و هدف: نانوذره آهن صفر ظرفيتي (NZVI) به عنوان موادي مستعد براي حذف درجاي طيف گسترده اي از آلاينده هاي آب و خاك از جمله تركيبات آلي كلردار، آفتكش ها، آنيونهاي غيرآلي و فلزات سنگين مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجا كه براي اجراي موفقيت آميز يك برنامه پاكسازي، لازم است تا عامل رفع آلودگي به مجاورت را در محيط هاي متخلخل مورد بررسي NZVI آلاينده انتقال يابد، پژوهش هاي زيادي عوامل مؤثر بر انتقال ذره هاي براي (CMC) عوامل پوشش دهنده مختلفي مانند كربوكسي متيل سلولز ،NZVI قرار داده اند. با توجه به تحرك كم اصلاح سطح اين ذره هاي و به منظور افزايش تحرك پذيري اين مواد در محيط هاي متخلخل طبيعي مورد استفاده قرار گرفته اند. در اين پژوهش، عوامل كنترل كننده انتقال نانوذره آهن صفر ظرفيتي با پوشش كربوكسي متيل سلولز در ستون هاي خاك اشباع، مورد بررسي قرار گرفت. مواد و روش ها: ويژگي هاي فيزيكي، شيميايي و هيدروليكي 20 نوع خاك متفاوت و سوسپانسيون CMC-NZVI در خاك نيز با استفاده از CMC-NZVI عصاره خاك (شامل 29 پارامتر) اندازه گيري شد و پارامترهاي انتقال منحني هاي رخنه و با به كارگيري مدل سينتيكي دو مكاني معادله انتشار- همرفت تخمين زده شد. سپس بررسي عوامل انجام شد. رابطه (PCA) از طريق آناليز چند متغيره به روش تجزيه به مؤلفه هاي اصلي ،CMC-NZVI مؤثر بر انتقال از ستون خاك اشباع و ويژگيهاي خاك و نانوذره CMC-NZVI رگرسيون خطي چندگانه بين درصد عبور ذره هاي مورد بررسي قرار گرفت. يافته ها: نتايج نشان داد كه بسته به نوع خاك بين 10/2 تا 61/9 درصد جرمي از ذره هاي CMC-NZVI وارد شده به ستون خاك، از آن عبور كردند كه نشان دهنده تحرك پذيري اين ذره هاي در محيط خاك است. هر چند ذره هاي CMC-NZVI در خاك هايي كه ميزان رس و شوري بالايي داشتند به ميزان قابل توجهي جذب شدند. نتايج PCA نشان داد كه تغييرپذيري ويژگيهاي مورد مطالعه به وسيله 7 مؤلفه اصلي و با پوشش 88/2 درصدي تغييرات كل، قابل توصيف است. در بين ويژگي هاي مورد بررسي، ويژگي هاي مربوط به شيمي محلول، بيش ترين مقادير بردارهاي ويژه را در مؤلفه اصلي اول دارا مي باشند. بررسي رابطه رگرسيوني خطي چندگانه با دو نوع متغير ورودي شامل متغيرهاي اوليه و نمره هاي عاملي به عنوان متغيرهاي ثانويه، با درصد CMC-NZVI انتقال يافته از ستون خاك، نشان داد كه مدل رگرسيوني با متغير ورودي نمره هاي عاملي، با دارا بودن R2 بيش تر و RMSE كم تر، تخمين بهتري از انتقال پذيري ذره هاي CMC-NZVI در محيط خاك ارائه مي دهد. نتيجه گيري: نتايج PCA اهميت شيمي محلول، مقدار رس و ويژگي هاي هيدروديناميكي خاك را در ميزان انتقال پذيري ذره هاي CMC-NZVI نشان مي دهد. نتايج اين مطالعه پيشنهاد ميكند كه ذره هاي CMC-NZVI، تحرك كافي براي استفاده به عنوان عامل اصلاح كننده آلودگي را در خاك دارند مگر در شرايطي كه مقدار رس و شوري خاك بالا باشد. هر چند پژوهش هاي بيش تري براي بررسي كارآيي اين ذره ها براي حذف آلاينده ها از خاك و محيط هاي زير زميني نياز است.

Background and objectives: As versatile materials، zero valent iron nanoparticles (NZVI) have been employed for in-situ decontamination of a wide range of water and soil contaminants، including organic chlorinated compounds، pesticides، inorganic anions and heavy metals. To carry out a successful clean-up plan، it is necessary to deliver the decontaminant agent to the vicinity of pollutant. Therefore a considerable number of studies have investigated the factors which affecting transport behavior of NZVI particles in natural subsurface environments. Most of these studies have been utilized model solutions and well defined homogeneous porous media such as glass beads and pure quartz sand. As bare (unmodified) NZVI particles has been found to be immobile even in homogeneous porous media، different coating agent such as Carboxymethyl cellulose (CMC) has been used for surface modification of NZVI in order to improve their mobility in subsurface environments. So far، no investigation has been conducted on undisturbed soil columns، considering the real properties of the media in which the NPs are transported. So in this study، different soil types covering a wide range of soil properties in terrestrial systems are examined and the main characteristics associated with NZVI mobility in saturated soil media. Materials and methods: Several parameters (n=29) including physiochemical and hydraulic properties of 20 different soil types and nanoparticle characteristics in soil extract suspension were measured and the transport parameters estimated from breakthrough curves employing a two-site kinetic model of advection-dispersion equation. Principal component analysis (PCA) was then used to explore the significant factors which control CMC-NZVI transport. Multi-linear regression model was investigated between the percentage of transported CMC-NZVI through the soil and the properties of soil and nanoparticles. Results: Results showed that depending on the soil type، 10.2 to 61.9 percent of introduced CMC-NZVI mass passed through the soil columns which indicates CMC-NZVI particles are mobile in soil medium; However CMC-NZVI particles were significantly retained by soils with higher clay contents and salinity. PCA results showed that 7 selected principal components (PC) described 88.2% of the total variance of the input variables where، Solution chemistry had high loading values in PC1 among the examined parameters. A multi-linear regression model developed between two kinds of input variables including primary variables and factor scores (FSs) as secondary variables، and percentage of transported CMC-NZVI through the soil column، showed that regression model employing FSs as secondary input variables presents a better estimation of CMC-NZVI particles transportability in soil with higher R2 and lower RMSE values. Conclusion: PCA results indicate the significance of solution chemistry، clay content and hydrodynamic properties of soil in CMC-NZVI transport. Results of this study suggest CMC-NZVI particles are mobile enough to be employed for subsurface remediation when clay content and salinity of soil are not so high. However more investigations are need to explore the efficiency of these materials for removing different pollutants from natural soils and subsurface media.