بررسی عوامل مؤثر بر انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز در خاک

چکیده سابقه و هدف: نانوذرات آهن صفر ظرفیتی (NZVI) به عنوان موادی مستعد برای حذف درجای طیف گسترده‌ای از آلاینده‌های آب و خاک از جمله ترکیبات آلی کلردار، آفت‌کش‌ها، آنیون‌های غیرآلی و فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفته‌اند. از آن‌جا که برای اجرای موفقیت‌آمیز یک برنامه پاکسازی، لازم است تا عامل رفع آلودگی به مجاورت آلاینده انتقال یابد، مطالعات زیادی عوامل موثر بر انتقال ذرات NZVI را در محیط‌های متخلخل مورد بررسی قرار داده‌اند. در این مطالعات، اغلب از محلول‌ها مدل و محیط‌های متخلخل یکنواخت و تعریف شده مانند دانه‌های شیشه‌ای و یا شن کوارتزی خالص استفاده شده است. با توجه به اینکه ذرات NZVI بدون پوشش (اصلاح نشده)، حتی در محیط‌های متخلخل یکنواخت تحرکی چندانی از خود نشان نمی‌دهند، عوامل پوشش دهنده مختلفی مانند کربوکسی متیل سلولز (CMC) برای اصلاح سطح این ذرات و به منظور افزایش تحرک‌پذیری این مواد در محیط‌های متخلخل طبیعی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. تاکنون تحقیقی در زمینه انتقال نانوذرات آهن صفر ظرفیتی با پوشش کربوکسی متیل سلولز (CMC-NZVI) در ستون‌های خاک دست‌نخورده به منظور بررسی شرایط واقعی که نانوذره در آن منتقل می‌شود، صورت نگرفته است. از این رو در این تحقیق، عوامل کنترل کننده انتقال نانوذرات در شرایط اشباع با استفاده از نمونه‌های مختلف خاک که پوشش دهنده طیف وسیعی از خصوصیات محیط‌های خاکی هستند، مورد بررسی قرار می‌گیرند. مواد و روش‌ها: خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و هیدرولیکی 20 نوع خاک متفاوت و سوسپانسیون CMC-NZVI در عصاره خاک (شامل 29 پارامتر) اندازه‌گیری شد و پارامترهای انتقال CMC-NZVI در خاک نیز با استفاده از منحنی‌های رخنه و با به کارگیری مدل سینتیکی دو مکانی معادله انتشار- همرفت تخمین زده شد. سپس بررسی عوامل موثر بر انتقال CMC-NZVI، از طریق آنالیز چند متغیره به روش تجزیه به مولفه‌های اصلی (PCA) انجام شد. رابطه رگرسیونی چند متغیره خطی بین درصد عبور ذرات CMC-NZVIاز خاک و خصوصیات خاک و نانوذرات مورد بررسی قرار گرفت. یافته‌ها: نتایج نشان داد که بسته به نوع خاک بین 2/10 تا 9/61 درصد جرمی از ذرات CMC-NZVI وارد شده به ستون خاک، از آن عبور کردند که نشان‌دهنده تحرک‌پذیری این ذرات در محیط خاک است. هر چند ذرات CMC-NZVIدر خاک‌هایی که میزان رس و شوری بالایی داشتند به میزان قابل‌توجهی جذب شدند. نتایج PCA نشان داد که تغییرپذیری خصوصیات مورد مطالعه به‌وسیله 7 مولفه اصلی و با پوشش 2/88 درصدی تغییرات کل، قابل توصیف است. در بین خصوصیات مورد بررسی، خصوصیات مربوط به شیمی محلول، بیشترین مقادیر بردارهای ویژه را در مولفه‌ی اصلی اول دارا می‌باشند. بررسی رابطه رگرسیونی چند متغیره خطی با دو نوع متغیر ورودی شامل متغیرهای اولیه و نمره‌های عاملی به عنوان متغیرهای ثانویه، با درصد CMC-NZVI انتقال یافته از ستون خاک، نشان داد که مدل رگرسیونی با متغیر ورودی نمره‌های عاملی، با دارا بودن R2 بیشتر و RMSE کمتر، تخمین بهتری از انتقال پذیری ذرات CMC-NZVI در محیط خاک ارائه می‌دهد. نتیجه گیری: نتایج PCA اهمیت شیمی محلول، مقدار رس و خصوصیات هیدرودینامیکی خاک را در میزان انتقال‌پذیری ذرات CMC-NZVI، نشان می‌دهد. نتایج این مطالعه پیشنهاد می‌کند که ذرات CMC-NZVI تحرک کافی برای استفاده به عنوان عامل اصلاح کننده آلودگی را در خاک دارند مگر در شرایطی که مقدار رس و شوری خاک بالا باشد. هرچند مطالعات بیشتری برای بررسی کارآیی این ذرات برای حذف آلاینده‌ها از خاک و محیط‌های زیر زمینی نیاز است.