بررسی ریخت شناسی و ریزساختاری قابلیت نگهداری آلاینده فلز سنگین در خاک-های واگرا
محورهای موضوعی : مدیریت محیط زیستوحیدرضا اوحدی 1 , محمد امیری 2 , مرتضی دیرانلو 3
1 - استاد گروه مهندسی عمران، دانشگاه بوعلی سینا و عضو هیئت علمی وابسته دانشکده عمران، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، ایران
2 - (مسوول مکاتبات): استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه هرمزگان، دانشکده مهندسی، بندرعباس، ایران.
3 - مربی گروه مهندسی عمران، مجتمع آموزش عالی فنی و مهندسی اسفراین، دپارتمان مهندسی عمران، اسفراین، ایران.
کلید واژه: فلز سنگین, خاک واگرا, XRD, SEM و EDX,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: پژوهشگران، جاذب های مختلفی برای نگهداری آلاینده های فلز سنگین را مورد بررسی قرار داده اند؛ اما به خاک های واگرای طبیعی و ریخت شناسی این خاک ها توجه محدودی شده است. خاک واگرای طبیعی مورد نظر در این مقاله، یک نمونه خاک رسی است که ابعاد ذرات آن در مقیاس میکرو و نانو قرار دارد. بر این اساس هدف این پژوهش مطالعه نگهداشت آلاینده فلز سنگین و تغییرات ساختار و ریخت شناسی خاک های واگرا در اندرکنش با آلاینده های زیست محیطی است. روش بررسی: با انجام یکسری آزمایش‌های ژئوتکنیک زیست‌محیطی، فرایند اندرکنش خاک واگرای طبیعی، نمونه رسی بنتونیت و نمونه رسی کائولینیت با آلاینده های فلز سنگین سرب و روی مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفته است. بررسی میزان نگهداری فلزات سنگین توسط خاک واگرا، نتایج پراش اشعه ایکس (XRD)، تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) و طیف سنجی پاشندگی انرژی (EDX) نشان می‌دهد که خاک واگرای طبیعی مورد مطالعه به دلیل ریخت شناسی، ساختار پراکنده و درصد زیاد کربنات در مقایسه با نمونه های رسی بنتونیت و کائولینیت دارای قابلیت نگهداری بیشتر آلاینده فلز سنگین است. بحث و نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج پژوهش حاضر درحالی‌که ظرفیت تبادل کاتیونی خاک واگرای طبیعی مورد مطالعه بیش از 50% کمتر از نمونه رسی بنتونیت است، اما قابلیت نگهداری آلاینده فلز سنگین در این نمونه نسبت به نمونه رسی بنتونیت در غلظت های زیاد آلاینده فلز سنگین بیش از 20% است. این در حالی است که قابلیت نگهداری آلاینده فلز سنگین توسط خاک واگرای طبیعی بیش از 3/2 برابر جاذب رسی کائولینیت است. بر اساس نتایج پژوهش حاضر نحوه قرارگیری ساختار و ابعاد صفحات رسی به شدت بر میزان نگهداری آلاینده تأثیرگذار است.
Background and Objective: Various adsorbents have been used for retention of heavy metal contaminants. However, natural dispersive soils and soil morphology have received little attention. The dispersive natural soil used in this study is a clayey soil with micro and nano-scale particles. Accordingly, the main objective of the present study is to investigate retention of heavy metal contaminants and the changes in the structure and morphology of dispersive soils exposed to environmental contaminants. Method: To achieve this objective, environmental and geotechnical tests were performed to investigate and to compare the interaction of natural dispersive soil, bentonite and kaolinite clay samples with lead and zinc. The retention of heavy metals by dispersive soil was investigated by X-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM) images and energy dispersion spectroscopy (EDX) experiments. Conclusion: According to the results, the retention capacity of natural dispersive soil is higher than that of bentonite and kaolinite, because of its morphology, dispersive structure and high percentage of carbonate. Although cation exchange capacity (CEC) of the natural dispersive soil is approximately 50% less than that of bentonite, retention of the heavy metal contaminant in this sample is more than 20% as compared with that of bentonite at high concentrations of heavy metals. Furthermore, the retention capacity of the natural dispersive soil is 2.3 times more than that of kaolinite sample. According to the results obtained in this paper, the orientation and structure of clay platelets strongly influence the retention of contaminant by clay samples.
1- Sevim, I. F. and Güner, G. (2005). “Investigation of rheological and collodial properties of bentonitic clay dispersion in the presence of a cationic surfactant”. Progress in Organic Coatings. Vol. 54, 1, 28-33.
2- Kónya1, J., Nagy, N. M., Földvári, M., (2005). “The Formation and Production of Nano and Micro Particles on Clays under Environmental-Like Conditions”, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 79, 537–543.
3- Ouhadi. V.R., Yong. R.N., (2003), “The role of clay fractions of marly soils on their post Stabilization failure”, Engineering Geology 70, pp 365–375.
4- Ouhadi, V.R., and Amiri, M., (2011), "Geo-environmental Behaviour of Nanoclays in Interaction with Heavy Metals Contaminant", Amirkabir J, Civil, 42, 3, pp 29-36
5- Yong, R. N. and Mohamed, A.M.O and Warketin, B. P., (1992), “Principles of contaminant transport in soils”, Elsevier, Holland.
6- Yong, R. N. & Warkentin, B. P. (1975). Soil properties and behaviour. Elsevier Scientific Publishing Company
7- Elliott, H. A., Liberati, M. R., Huang, C. P., (1986). “Competitive adsorption of heavy metals by soils.” Journal of Environmental Quality 15, pp. 214–219.
8- Lumsdon, D.G., Evans, L.J., Bolton, K.A., (1995). “The influence of pH and chloride on the retention of cadmium, lead, mercury and zinc by soils”. Journal of Soil Contamination 4, 137–150.
9- Ouhadi, V.R., and Amiri, M., Goodarzi, A.R. (2012). "The Special Potential of Nano-Clays for Heavy Metal Contaminant Retention in Geo-Environmental Projects", Journal of Civil and Surveying Engineering, Vol: 45, Issue: 6, pp. 631-642.
10- Ouhadi, V. R. & Goodarzi, R. V., (2006), "Assessment of the stability of a dispersive soil treated by alum", Engineering Geology Vol. 85: 91-101.
11- Mitchell, I. V., (2005)."Pillared Layered Structures: Current Trends and Applications". Elsevier Applied Science.
12- Yong, R. N., Sethi, A. J., Ludwig, H. P. & Jorgensen, M. A. (1978). Physical chemistry of dispersive clay particle interaction. American Society of Civil Engineers, Chicago, 1-21
13- Sherard, J. I., Dunnigan, L. P. & Decher, R. S., (1977). "Some engineering problems with dispersive soils", ASTM, STP, No. 623: 3-12.
14- Yong, R. N. and Phadangchewit, Y., (1993), “pH Influence on selectivity and retention of heavy metals in some clay soils”, Can. Geotech. J., 30, 821-833.
15- American Society for Testing and Materials, (1992). "ASTM, 1992 American Society for Testing and Materials, ASTM, Annual Book of ASTM Standards", P.A., Philadelphia V.4, 08.
16- EPA, (1983), “Process design manual, land application of municipal sludge, Municipal Environmental Research Laboratory”, EPA-625/1-83-016, U.S. Government Printing Offices, New York.
17- Hesse, P. R., (1971), “A textbook of soil chemical analysis”, William Clowes and Sons, 519p.
18- Eltantawy and Arnold, I.N. Eltantawy and Arnold, P.W., (1973), “Reappraisal of ethylene glycol mono-ethyl ether (EGME) method for surface area estimation of clays”, Soil Sci. 24, pp. 232–238.
19- Handershot, W. H., and Duquette, M., (1986), “A simple barium chloride method for determining cation exchange capacity and exchangeable cations”, Soil Sci. Soc. Am. J. 50, pp. 605–608.
20- Ouhadi. V.R., Yong. R.N., (2003). “Experimental and theoretical evaluation of impact of clay microstructure on the quantitative mineral evaluation by XRD analysis”. Elsevier Appl. Clay Sci. J. 23. pp 141-148.