بهبود کیفیت منابع آب زیرزمینی آلوده به نیترات به کمک نانوذرات آهن/نیکل

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دوره دکتری/ دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 استاد / عضو هیئت علمی.دانشکده مهندسی شیمی و مرکز بیوتکنولوژی و زیست فن‌آوری (IBT)، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

3 استاد/ عضو هیئت علمی.دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران.

4 کارشناس ارشد /در رشته مهندسی عمران گرایش آب. دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات

چکیده

در این پژوهش نانوذرات دوفلزی آهن/نیکل جهت بهبود کیفیت منابع آب زیرزمینی آلوده به نیترات بصورت درجا مورد استفاده قرار گرفته است. در مرحله اول پس از سنتز نانوذرات آهن/نیکل جهت افزایش تحرک‌ پذیری، سطح آن به کمک بیوپلیمر نشاسته اصلاح گردید. در مرحله بعد آزمایش‌های ارزیابی واکنش‌پذیری نانوذرات تولیدی، در دو گروه منقطع و جریان پیوسته صورت گرفت. آزمایش‌های پیوسته هم در ستون متخلخل شفاف در شرایط آزمایشگاهی و هم در مدل نیمه‌صنعتی در شرایط واقعی آب زیرزمینی انجام شدند. براساس آزمایش‌های منقطع مرتبه واکنش حذف نیترات بین 0/1 تا 3/1 متغیر است و با کاهش pH و افزایش نسبت استکیومتری آهن/نیترات، مرتبه و سرعت واکنش بیشتر می‌شود. همچنین در حالتی که نسبت وزنی بین آهن/نیکل در ترکیب نانوذرات معادل 3 درصد باشد، حداکثر واکنش‌پذیری نانوذرات در حذف نیترات رخ می‌دهد. براساس نتایج آزمایش‌های جریان پیوسته، در سرعت تراوش برابر m/d10 بالاترین راندمان حذف نیترات فراهم می‌گردد. همچنین مقدار و تازگی نانوذرات آهن/نیکل تزریقی و اندازه دانه‌های محیط متخلخل پارامترهای اصلی تاثیرگذار در حذف درجای نیترات می‌باشند. راندمان حذف نیترات در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی به بالاتر از 99درصد نیز می‌رسد لیکن در شرایط واقعی حداکثر راندمان حذف 70درصد مشاهده شده است.‌

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Improvement in Groundwater Resources Contaminated with Nitrate using Nano Zero Valent Iron/Nickel Particles

نویسندگان [English]

  • M.R Fadaee Tehrani 1
  • M. Vosoughi 2
  • A. shamsaee 3
  • M. Noori 4
1 PhD Student, Civil Engineering Faculty, Sharif University of Technology
2 Professor, Chemical Engineering Faculty and Biotechnology Center (IBT), Sharif University of Technology
3 Professor, Civil Engineering Faculty, Sharif University of Technology
4 MSc Graduate, The Science and Research Branch, Azad University
چکیده [English]

In this study, the in-situ application of nano zero valent Iron/Nickel particles for Nitrate removal in groundwater resources was investigated. First, nano-particles were produced and stabilized with starch. Second, it was employed in batch and continuous experiments, using transparent column and bench-scale models. Based on batch experiments, the reaction kinetics was consistent with the adsorption model by the order of 1 to 1.3. The variation of the kinetics order depends on pH and Nickel content. So that highest reactivity was observed for Iron nano particles with 3% of Nickel. Based on continuous experiments, a seepage velocity of 10 m/d yielded the maximum removal efficiency. Furthermore, Nitrate remediation in a continuous system was mostly influenced by seepage velocity, quantity and freshness of nano particles, and grain size of porous media. In the batch mode, the maximum Nitrate removal was 99% while in the continuous mode it did not exceed 70%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nZVI/Ni
  • Nitrate
  • In-situ remediation
  • Groundwater

موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، نشریه 1053، آب آشامیدنی، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی. تجدید نظر پنجم، 15صفحه.

Choe S, Chang YY, Hwang KY, Khim J (2000) Kinetics of reductive denitrification by nano scale zero-valent iron. Chemosphere 41: 1307-1311.

Cundy AB, Hopkinson L, Whitby RLD (2008) Use of iron-based technologies in contaminated land and groundwater remediation: A review. Science of the Total Environment 400: 42-51.

Hashim MA, Mukhopadhyay S, Sahu JN, Sengupta B (2011) Remediation technologies for heavy metal contaminated groundwater. Journal of Environmental Management 92: 2355-2388.

He F, Zhao D (2005) Preparation and characterization of a new class of starch-stabilized bimetallic nano particles for degradation of chlorinated hydrocarbons in water. Environ Sci Technol 39: 3314–3320.

Hosseini SM, Ataie B, Kholghi M (2011) Nitrate reduction by nano/Fe/Cu particles in packed column. Desalination 276: 214-226.

Huang YH, Zhang TC (2004) Effects of low pH on nitrate reduction by iron powder. Water Research 38: 2631-2642.

Kanel SR, Neppolian B, Choi H, Yang JW (2003) Heterogeneous catalytic oxidation of phenanthrene by hydrogen peroxide in soil slurry: Kinetics, mechanism, and implication. Soil and Sediment Contamination 12: 101-117.

Kim KR, Lee BT, Kim KW (2012) Arsenic stabilization in mine tailings using nano sized magnetite and zero valent iron with the enhancement of mobility by surface coating. Journal of Geochemical Exploration 113: 124-129.

Lee C, Jee YK, Won IL, Nelson KL, Yoon J, Sedlak DL (2008) Bactericidal effect of zero-valent iron nano particles on Escherichia coli. Environmental Science and Technology 42: 4927-4933.

Li L, Benson CH, Lawson EM (2006) Modeling porosity reductions caused by mineral fouling in continuous-wall permeable reactive barriers. Journal of Contaminant Hydrology 83: 89-121.

Lien HL, Zhang WX (2007) Nano scale Pd/Fe bimetallic particles: Catalytic effects of palladium on hydro-dechlorination. Applied Catalysis B: Environmental 77: 110-116.

Peng S, Wang C, Xie J, Sun S (2006) Synthesis and stabilization of noun disperse Fe nano particles. Journal of the American Chemical Society 128: 10676-10677.

Rangsivek R, Jekel MR (2005) Removal of dissolved metals by zero-valent iron (ZVI): Kinetics, equilibrium, processes and implications for storm water runoff treatment. Water Research 39: 4153-4163.

Ryu A, Jeong SW, Jang A, Choi H (2011) Reduction of highly concentrated nitrate using nano scale zero-valent iron: Effects of aggregation and catalyst on reactivity. Applied Catalysis B:  Environmental 105: 128-135.

Yang GCC, Lee HL (2005) Chemical reduction of nitrate by nano sized iron: kinetics and pathways. Water Research 39: 884-894.