تاثیر مشخصات مایع منفذی و زمان بر کارآیی روش الکتروکینتیک در رفع آلودگی فلزات سنگین از خاک

نویسندگان
امیررضا گودرزی 1
متین میرمومن 2
1 عضو هیات علمی گروه عمران
2 دانشگاه آزاد اسلامی واحد همدان
چکیده
در پژوهش حاضر تأثیر مشخصات مایع منفذی و اثر زمان بر بازده روش الکتروکینتیک، ارزیابی شد. به این منظور، ابتدا رس کائولینیت با محلولهای حاوی نیترات روی و سرب بطور مجزا آلوده و با گرادیان ولتاژ V/cm 2 در زمانهای 3 الی 48 روز، در مقیاس آزمایشگاهی مورد آزمایش الکتروکینتیک قرار گرفت. از اسید نیتریک نیز به عنوان محلول کاتولیت، با هدف امکان شدتبخشی فرآیند پالایش خاک استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان میدهد پاسخ خاک به اصلاح الکتروکینتیک تابعی از مشخصات ماده آلاینده، pH سیستم خاک-الکترولیت و زمان انجام آزمایش است. بر این اساس در شرایط یکسان بخصوص در زمانهای کم، بازده استخراج آلودگی از نمونه حاوی سرب به دلیل تمایل بیشتر این فلز به جذب سطحی و همچنین تشکیل رسوب، تقریباً 70 درصد نمونه آلوده به روی اندازه گیری شد. با توجه به طیفهای اشعه ایکس و تصاویر SEM، تقویت جبهه اسیدی محیط پیرامون کاتد با افزایش غلظت یون H+ درون توده خاک، سبب تغییر ساختار، افزایش تحرکپذیری فلز سنگین و در نهایت تشدید قابلیت رفع آلودگی از خاک میشود. مشخص شد میزان اصلاح خاک به ویژه در قطعات نزدیک به آند ابتدا با گذشت زمان، به شدت بهبود یافته اگرچه افزایش بیشتر زمان خصوصاً در نمونه های با غلظت زیاد فلز روی، تاثیر محدودی بر نتایج دارد. این یافته بیانگر وجود یک زمان بهینه متناسب با نوع و غلظت آلاینده در فرآیند پاکسازی فلزات سنگین از خاک به روش الکتروکینتیک بوده بنحویکه کاهش pH محیط تاثیر بسزایی در کاهش این زمان و افزایش راندمان استخراج دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

The effect of time and pore fluid characteristics on electrokinetic performance in removing heavy metals from soil

نویسندگان English

Amir reza Goodarzi 1
Matin Mirmomen 2
چکیده English

The electrokinetic (EK) approach is one of the popular choices for the extraction of inorganic contaminants (e.g. heavy metals) from a soil matrix. On the other hand, many factors can affect the performance of EK contaminant remediation. Therefore, in the present study a series of macro and micro level tests including electrokinetic experiments, pH and electrical conductivity (EC), adsorption and desorption, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analyses were performed to investigate the effects of time and pore fluid characteristics on the efficiency of EK remediation. For this purpose, the kaolinite clay was separately infected with different solutions containing zinc nitrate and lead nitrate in concentrations of 20 and 40 cmol/kg and then electrokinetic experiments on a laboratory scale were conducted at 2 V/cm voltage gradient in time periods of 3, 6, 12, 24 and 48 days. Nitric acid was also used as a catholyte solution to enhance the soil remediation process. The results obtained show that the soil response to the EK remediation is a function of the contaminant characteristics, the pH of soil-electrolyte system and the time of testing. In EK contaminant remediation from a soil matrix, it is significant to pay particular attention to the effect of the concentration and type of contaminant on the applicability and efficiency of this method. The results reveal that under the same conditions, especially in the low times, extraction efficiency from samples containing lead was measured approximately 70 percent of the samples containing zinc. This is because the lead tends to more adsorbe on the clay surface and has a greater tendency to form precipitate. In addition to the type of contaminants, it was found that the increase in concentration of contaminants in the soil through a series of physical-chemical reactions accelerates clean up capabilities, particularly in the initial time period of the EK experiments. Catholyte conditioning with acidic solution enhanced the removal of heavy metals, which is mainly due to microstructural changes and an increase in the mobility of pollutants. In fact, based on the X-ray diffraction and scanning electron microscope analyses, the microstructural characteristics and the arrangement of the clay particles have an important role in the process of electrokinetic soil remediation. The formation of flocculated structure decreases the retention capacity of the clay particles and also increases the flow path, which enhance the efficiency of pollutant extraction. It was found that the soil remediation, especially in the parts close to the anode, greatly enhanced with increase the time of EK test; however, the further increase in time had a limited impact on results, especially in the samples containing high concentrations of zinc. This indicates that there is an optimum time in the process of cleaning up heavy metals from the soil by EK method, which depends on the type and concentration of contaminant. Moreover, it was seen that the extent of contaminant removal from anode side towards the cathode side is considerable when catholyte conditioning with acidic solution is used. In other words, reducing the pH of soil-electrolyte system has a significant impact in increasing the efficiency of pollutant extraction.

کلیدواژه‌ها English

electrokinetic
Heavy metals
Pore fluid characteristics
Time
Microstructure
1. Rosestolato, D., Bagatin, R., and Ferro, S.; "Electrokinetic remediation of soils polluted by heavy metals (mercury in particular)"; Chemical Engineering Journal; 264, 2015, 16-23.
2. Goodarzi, A.R., and Salimi, M.; "Stabilization treatment of a dispersive clayey soil using granulated blast furnace slag and basic oxygen furnace slag"; Applied Clay Science;108, 2015, 61-69.
3. دوستی، م.ر.، بادکوبی، ا.، گنجی دوست، ح.، شریعتمداری، ن. "تاثیر فعالیت میکروبی در افزایش راندمان حذف سرب و مواد نفتی از خاک­های آلوده به­وسیله فرآیند الکتروکینتیک". مجله عمران مدرس، دوره پنجم، شماره 23، بهار 1385، 53-65.
4. پام، م.، اسدالله فردی، غ.ر.، خدادادی، ا. "حل عددی فرآیند اصلاح الکتروکینتیک برای خاک­های آلوده به جیوه". مجله عمران مدرس، دوره چهاردهم، شماره 4، زمستان 1393، 149-158.
5. بهاروندی، ف.، چرم، م.، غفوری، ح.ر. "حذف فلز سنگین سرب از یک خاک رسی آلوده توسط پدیده الکتروکینتیک". همایش ملی توسعه پایدار کشاورزی و محیط زیست سالم. اسفند 1391.
6. شریعتمداری، ن.، سعیدی­جم، س.، اوحدی، و.ر. "مطالعه تأثیر کربنات بر بازده روش الکتروکینتیک در رفع آلودگی فلز سنگین روی از خاکهای رسی در مقیاس کارگاهی". مجله عمران مدرس، دوره هفتم، شماره 11، پاییز 1387، 45-59.
7. Boulakradeche, M.O., Akretche, D.E., Cameselle, C., and Hamidi, N.; "Enhanced electrokinetic remediation of hydrophobic organics contaminated soils by the combination of non-ionic and ionic surfactants"; Electrochimica Acta; 174, 2015. 1057-1066.
8. Li, D., Tan, X. Y., Wu, X. D., Pan, C., and Xu, P.; "Effects of electrolyte characteristics on soil conductivity and current in electrokinetic remediation of lead-contaminated soil"; Separation and Purification Technology; 135, 2014, 14-21.
9. میرزایی، س.، سعیدی، م.، شریعتمداری، ن.، فخرایی، ح. "تأثیر کنترل شرایطpH  بر بهبود فرایند الکتروکینتیک در حضور دیواره نانوآهن، جهت حذف کروم(VI)  از خاک رس آلوده". مجله علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره هفدهم، شماره 1، بهار 1394، 21-35.
10. Zhu, Z., Gao, C., Wu, Y., Sun, L., Huang, X., Ran, W., and Shen, Q.; "Removal of heavy metals from aqueous solution by lipopeptides and lipopeptides modified Na-montmorillonite"; Bioresource technology, 147, 2013, 378-386.
11. El-Eswed, B.I., Yousef, R.I., Alshaaer, M., Hamadneh, I., Al-Gharabli, S.I., Khalili, F.; "Stabilization/solidification of heavy metals in kaolin/zeolite based geopolymers"; Int. J of Mineral Processing; 137, 2015, 34-42.
12. Malamis, S., Katsou, E.; "A review on zinc and nickel adsorption on natural and modified zeolite, bentonite and vermiculite: Examination of process parameters, kinetics and isotherms"; Journal of Hazardous Materials; 252-253, 2013, 428-461.
13. Xu, S., Guo, S., Wu, B., Li, F., and Li, T.; "An assessment of the effectiveness and impact of electrokinetic remediation for pyrene-contaminated soil"; Journal of Environmental Sciences; 26(11), 2014, 2290-2297.
14. شریعتمداری، ن.، فلامکی، ا. "بررسی تاثیر جنس خاک در حذف هیدروکربن­ها از خاک­های رسی آلوده با استفاده از الکتروکینتیک". نشریه بین المللی علوم مهندسی، شماره 4، جلد 17، پاییز 1385، 55-65.
 15. خدادادی، ا.، گنجی دوست، ح.،  بنی مصطفی عرب، ا. "حذف سیانید از رسوب های سد باطله به وسیله فناوری الکتروکینتیک". مجله عمران مدرس، دوره دهم، شماره ۴، زمستان 1389، 47-55.
16. تابع بردبار، ع.، رئیسی­استبرق، ع.، غازیانی، ف. "استفاده از روش الکتروکینتیک در پاکسازی یک خاک رسی آلوده به MTBE". نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 45، شماره 2، تابستان 1394، 25-33.
17. تقی­زاده، م.، یوسفی کبریا، د.، تقی­پور، و. "بررسی تاثیر فرآیند الکتروکینتیک همراه با شوینده بر روی ترکیبات هیدروکربن کلردار در خاک". نشریه پژوهش نفت، دوره 25، شماره 81، تابستان 1394، 158-168. 
18. Guedes, P., Mateus, E. P., Couto, N., Rodríguez, Y., and Ribeiro, A.B.; "Electrokinetic remediation of six emerging organic contaminants from soil"; Chemosphere; 117, 2014, 124-131
19. Annamalai, S., Santhanam, M., Sundaram, M., and Curras, M.P.; "Electrokinetic remediation of inorganic and organic pollutants in textile effluent contaminated agricultural soil"; Chemosphere;  117, 2014, 673-678.
20. Ouhadi, V. R., Yong, R. N., Shariatmadari, N., Saeidijam, S., Goodarzi, A. R., and Zanjani, M.; "Impact of carbonate on the efficiency of heavy metal removal from kaolinite soil by the electrokinetic soil remediation method"; Journal of hazardous materials; 173(1), 2010, 87-94.
21. Chung, H.I., and Kang, B.H.; "Lead removal from contaminated marine clay by electrokinetic soil decontamination"; Engineering Geology; 53(2),  1999, 139-150.
22. Cang, L., Fan, G. P., Zhou, D. M., and Wang, Q. Y.; "Enhanced-electrokinetic remediation of copper–pyrene co-contaminated soil with different oxidants and pH control";  Chemosphere; 90(8), 2013, 2326-2331.
23. Zhou, D.M., Deng, C.F., Cang, L., and Alshawabkeh, A.N.; "Electrokinetic remediation of a Cu–Zn contaminated red soil by controlling the voltage and conditioning catholyte pH"; Chemosphere; 61(4), 2005, 519-527.
24. Kim, B. K., Park, G. Y., Jeon, E. K., Jung, J. M., Jung, H. B., Ko, S. H., and Baek, K.; "Field application of in situ electrokinetic remediation for As-, Cu-, and Pb-contaminated paddy soil"; Water, Air, & Soil Pollution; 224(12), 2013, 1-10.
25. Ottosen, L.M., Pedersen, A.J., Ribeiro, A.B., and Hansen, H.K.; "Case study on the strategy and application of enhancement solutions to improve remediation of soils contaminated with Cu, Pb and Zn by means of electrodialysis"; Engineering Geology; 77(3), 2005, 317-329.
26. Almeira, J., Peng, C.S., and Abou-Shady, A.; "Simultaneous removal of cadmium from kaolin and catholyte during soil electrokinetic remediation"; Desalination; 300, 2012, 1-11.
27. Suzuki, T., Moribe, M., Okabe, Y., and Niinae, M.; "A mechanistic study of arsenate removal from artificially contaminated clay soils by electrokinetic remediation"; Journal of hazardous materials;254, 2013, 310-317.
28. ASTM. "Annual Book of ASTM Standard. American Society for Testing and Materials"; Philadelphia, 2006, 4.08.
29. EPA, "Process design manual: land application of municipal sludge, Municipal Environ"; Res. Lab. EPA-625/1-83-016, 1983.
30. Yang, J. S., Kwon, M. J., Choi, J., Baek, K., and O’Loughlin, E. J.; "The transport behavior of As, Cu, Pb, and Zn during electrokinetic remediation of a contaminated soil using electrolyte conditioning"; Chemosphere; 117, 2014, 79-86.
31. Du, Y.J., Wei, M.L., Reddy, K.R., and Jin, F.; "Compressibility of cement-stabilized zinc-contaminated high plasticity clay"; Natural hazards;73, 2014, 671-683.
32. Zhang, T., Zou, H., Ji, M., Li, X., Li, L., and Tang, T.; "Enhanced electrokinetic remediation of lead-contaminated soil by complexing agents and approaching anodes"; Environmental Science and Pollution Research;21, 2014, 3126-3133.
33. Zhou, D.M., Deng, C.F., and Cang, L.; "Electrokinetic remediation of a Cu contaminated red soil by conditioning catholyte pH with different enhancing chemical reagents"; Chemosphere; 56(3), 2004, 265-273.
 
34. Voglar, G.E., and Lestan, D.; "Equilibrium leaching of toxic elements from cement stabilized soil"; Journal of Hazardous Materials; 246-247, 2013, 18-25.
35. Du, Y.J., Wei, M.L., Reddy, K.R., Jin, F., Wu, H.L., and Liu, Z.B.; "New phosphate-based binder for stabilization of soils contaminated with heavy metals: Leaching, strength and microstructure characterization"; Journal of Environmental Management; 146, 2014, 179-188.
36. Reddy, K.R., and Chinthamreddy, S.; "Sequentially enhanced electrokinetic remediation of heavy metals in low buffering clayey soils"; Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering; 129 (3), 2003, 263-277.
37. Kim, D.H., Ryu, B.G., Park, S.W., Seo, C.I., and Baek, K.; "Electrokinetic remediation of Zn and Ni-contaminated soil"; Journal of hazardous materials; 165(1), 2009, 501-505.
38. Reddy, K.R., and Chinthamreddy, S.;  "Electrokinetic remediation of heavy metal-contaminated soils under reducing environments"; Waste Management;19(4), 1999, 269-282.
39. Ren, L., Lu, He, L., and Zhang, Y.; "Enhanced electrokinetic technologies with oxidization-reduction for organically-contaminated soil remediation"; Chemical Engineering Journal; 247, 2014, 111-124.
40. Ouhadi, V.R., Yong, R.N., Sedighi, M.; "Desorption response and degradation of buffering capability of bentonite, subjected to heavy metal contaminants"; Engineering Geology; 85, 2006. 102-110.
41. Fernández-Nava, Y., Ulmanu, M., Anger, I., and Marañón, E., Castrillón, L.; "Use of granular bentonite in the removal of Mercury, Cadmium and Lead from aqueous solutions"; Water Air Soil Pollut; 215, 2011, 239-249.
42. Yong, R.N., Ouhadi, V.R., and Goodarzi, A.R.; "Effect of Cu2+ Ions and Buffering capacity on Smectite Microstructure and Performance"; Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE; 135, 2009, 1981-1985.
43. Li, J.S., Xue, Q., Wang, P., Li, Z.; "Effect of lead on the mechanical behavior and microstructure development of a Chinese clay"; Applied Clay Science;105-106, 2015, 192-199.
مهندسی عمران مدرس
دوره 16، شماره 2
خرداد و تیر 1395
صفحه 229-241