تاثیر نانو ذرات (اکسیدهای آهن و منیزیم) بر برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک

نانو ذرات شامل ذراتی با اندازه بین 1 تا 100 نانومتر می باشند. این ذرات می توانند بر ویژگی های فیزیکی و شیمیایی خاک موثر باشند. با این وجود تاثیر این ذرات بر بسیاری از ویژگی های فیزیکی و مکانیکی خاک از جمله میانگین وزنی قطر خاکدانه ها، توزیع فراوانی خاکدانه ها، مقاومت کششی خاکدانه ها، مقاومت فروروی، نگهداری رطوبت و فشردگی محصور تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است. بنابراین هدف این مطالعه بررسی تاثیر کاربرد نانو اکسیدهای آهن و منیزیم بر برخی خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی خاک مانند مقاومت و پایداری خاکدانهها، هدایت هیدرولیکی اشباع، قابلیت تراکم، جرم مخصوص ظاهری، تخلخل کل، ظرفیت تبادل کاتیونی، هدایت الکتریکی، اسیدیته، ماده آلی و میزان کربنات کلسیم خاک بود. نمونه برداری از منطقه قیه علی بلاغ استان همدان و از عمق 30-0 سانتی متری خاک با بافت لومی انجام شد. آزمایش به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با سه تکرار در آزمایشگاه در ظروف پلاستیکی به ابعاد 6×8×14 سانتی متر انجام شد. برای این منظور فاکتور نانو ذرات در دو سطح شامل نانو اکسیدهای آهن (n1) و منیزیم (n2)، فاکتور سطح استفاده از نانو ذرات در چهار سطح شامل سطح صفر، 1، 3 و 5 درصد (s0، s1، s2و s3) وزنی نانو ذرات و فاکتور زمان در دو سطح شامل انکوباسیون40 و 100 روزه (t1 و t2) بود. پس از اعمال تیمارها در انکوباسیون های 40 و 100 روزه، نمونه های دست خورده و دست نخورده از هر تیمار تهیه شد و آزمایشات مورد نظر بر روی آن ها انجام شد. تجزیه و تحلیل داده های آزمایشات مذکور به وسیله نرم افزار sas.9.1 و مقایسه میانگین با آزمون دانکن انجام شد و تمامی شکل ها به وسیله نرم افزار excel 2010 رسم شدند. نتایج آزمایشات نشان داد که تیمارهای نانو اکسید آهن باعث افزایش گنجایش تبادل کاتیونی و تیمارهای نانو اکسید منیزیم باعث کاهش آن شدند. تاثیر نانو ذرات بر سطح ویژه، نقطه با بار صفر، تشکیل کمپلکس با ماده آلی و تغییر ساختار کانی از عوامل و احتمالات موثر بر تغییر گنجایش تبادل کاتیونی تیمارها بود. تیمارهای نانو اکسید آهن و منیزیم باعث افزایش هدایت الکتریکی خاک شدند. تیمارهای نانو اکسید آهن در انکوباسیون 100 روزه باعث کاهش پ- اچ و تیمارهای نانو اکسید منیزیم در انکوباسیون40 روزه باعث افزایش پ-اچ خاک شدند. میزان کربنات کلسیم معادل خاک نیز تحت تاثیر نانو اکسید آهن کاهش و با نانو اکسید منیزیم افزایش یافت. نتایج آزمایش ماده آلی خاک حاکی از عدم تاثیر نانو ذرات بر ماده آلی خاک است. نتایج میانگین وزنی قطر خاکدانه ها نشان داد که نانو اکسید آهن در انکوباسیون 40 روزه باعث کاهش میانگین وزنی قطر خاکدانه ها شده است و در انکوباسون 100 روزه تاثیر معنی داری بر آن نداشت. نانو اکسید منیزیم در هردو انکوباسیون 40 و 100 روزه باعث افزایش میانگین وزنی قطر خاکدانه ها و پایداری ساختمان خاک شد. نانو اکسید آهن تاثیری بر توزیع اندازه خاکدانه های ریز نداشت ولی تیمارهای نانو اکسید منیزیم باعث افزایش خاکدانه های درشت و کاهش خاکدانه های ریز شد. تیمارهای نانواکسید آهن تاثیری بر جرم مخصوص ظاهری خاک نداشتند و در بین تیمارهای نانو اکسید منیزیم تیمار 3 درصد باعث کاهش معنی دار جرم مخصوص ظاهری خاک شد. نتایج برهمکنش های دو و سه طرفه نوع نانو ذرات× سطح کاربرد× زمان آزمایشات مختلف نشان داد که استفاده از نانو اکسید آهن در تیمار 3 درصد در مکش های 4، 6، 30 و 100 کیلوپاسکال باعث افزایش نگهداری رطوبت حجمی خاک شد و تیمار 5 درصد نانو اکسید منیزیم در مکش های 1، 2، 4، 6 و 30 کیلوپاسکال باعث کاهش رطوبت حجمی و تیمارهای 1 و 3 درصد آن در مکش 100 کیلوپاسکال باعث افزایش نگهداری رطوبت خاک نسبت به شاهد شدند. احتمالا علت افزایش نگهداری رطوبت در تیمارهای یاد شده افزایش تخلخل ریز به وسیله نانو ذرات در خاک است و علت کاهش آن در مکش های کمتر از 100 کیلوپاسکال در تیمار 5 درصد نانو اکسید منیزیم احتمالا کاهش کارایی آن بر ساختمان و منافذ خاک است. افزایش خاکدانه های درشت توسط نانو اکسید منیزیم به علت ایجاد خاصیت هماوری شدید بین ذرات خاک است. تیمارهای نانو اکسید آهن باعث افزایش مقاومت فروروی خاک شده ولی تیمارهای نانو اکسید منیزیم مقاومت فروروی خاک را کاهش دادند. تیمارهای نانو اکسید آهن و منیزیم تاثیری بر مشخصه منحنی تراکم خاک نداشتند. تیمارهای نانو اکسید آهن باعث افزایش مقاومت کششی خاکدانه ها شدند. ایجاد حالت چسبندگی شدید و انقباض خاکدانه ها از جمله عوامل موثر نانو ذرات بر خصوصیات مکانیکی خاک است. نتایج هدایت هیدرولیکی اشباع نشان داد که نانو اکسیدهای آهن و منیزیم سبب کاهش هدایت هیدرولیکی اشباع خاک (به جز تیمارهای 3 و 5 درصد نانو اکسید منیزیم در انکوباسیون 100 روزه) نسبت به تیمار شاهد شدند. کاهش هدایت هیدرولیکی اشباع احتمالا به علت مسدود شدن برخی از منافذ و مسیرهای جریان در خاک است. نتایج آزمایشات نشان داد که نانو ذرات به سبب دارا بودن سطح ویژه زیاد، ذرات فعال و واکنش-پذیر، توانایی تغییر در برخی از خصوصیات فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی خاک را دارند. همچنین این ذرات به دلیل ویژگی های ذاتی خود مانند خاصیت اسیدی یا قلیاییت، ضریب انحلال متفاوت و جذب سطحی زیاد بر خصوصیات شیمیایی خاک موثر هستند.