مقایسه‌ی کارایی جاذب‌های خالص و پوشش‌دار شده با کیتوسان در تثبیت کادمیم خاک

سابقه و هدف: با آغاز انقلاب صنعتی، آلودگی آب و خاک توسط فلزهای سنگین شتاب بیشتری یافته و تلاش برای پاکسازی و رفع این آلودگی‌ها به یکی از مشکلات عمده‌ی جوامع بشری تبدیل شده است. روش‌های مختلفی برای اصلاح محیط‌های آلوده به فلز‌های سنگین وجود دارد که استفاده از جاذب‌ها برای جذب فلزهای سنگین از جمله‌ی آن‌ها می‌باشد. استفاده از روش جذب علاوه بر موثر و سریع بودن، از نظر فنی روشی ساده، از نظر محیط زیستی روشی سالم و امن و از نظر هزینه نیز روشی مقرون به‌صرفه می‌باشد. در سال‌های اخیر از میان جاذب‌های مختلف فلزهای سنگین، استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری، به‌دلیل کارایی بالاتر نسبت به جاذب‌های خالص، توجه پژوهشگران بسیاری را به خود جلب نموده است. کامپوزیت‌های کیتوسان از جمله‌ی آن کامپوزیت‌های پلیمری هستند که با توجه به خصوصیاتشان می‌توانند توانایی بالایی برای جذب فلز‌های سنگین در محیط‌های آلوده داشته باشند. کامپوزیت‌های کیتوسان اغلب برای حذف فلزهای سنگین از پساب‌های صنعتی استفاده شده است امّا کارایی این جاذب‌ها در غیر متحرک کردن فلزهای سنگین در محیط خاک مورد مطالعه قرار نگرفته است. با توجه به تنوع زیاد این کامپوزیت‌ها و سازگاری بالای آن‌ها با محیط زیست، پژوهش حاضر با هدف مقایسه‌ی کارایی جاذب‌های خالص و کامپوزیت‌های مختلف کیتوسان در تثبیت فلز سنگین کادمیم در خاک به‌اجرا در آمد.مواد و روش‌ها: برای این منظور یک آزمایش فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی، به‌صورت گلدانی، در شرایط گلخانه و با سه تکرار به اجرا در آمد. فاکتورهای مورد بررسی عبارت بودند از سطوح کادمیم خاک شامل صفر، 8، 25 و 75 میلی‌گرم بر کیلوگرم و نوع جاذب شامل کیتوسان، بیوچار، زئولیت و نانو مگنتیت خالص و کامپوزیت‌های کیتوسان بیوچار، کیتوسان زئولیت، کیتوسان مگنتیت و تیمار فاقد جاذب به‌عنوان شاهد. در ضمن هر یک از جاذب‌ها در سطح نیم درصد وزنی مصرف شدند. برای تهیه‌ی نمونه‌های خاک با سطوح مختلف کادمیم از مقادیر متفاوت کادمیم سولفات استفاده گردید و نمونه‌های آلوده شده با کادمیم برای رسیدن به تعادل نسبی به مدت دو ماه خوابانیده شدند. پس از سپری شدن مدت زمان دوماه، نمونه‌ها با جاذب‌های مختلف تیمار گردیدند و به مدت دو ماه دیگر نیز خوابانیده شدند. در پایان دوره‌ی خوابانیدن مقدار کادمیم قابل استخراج با dtpa و همچنین شکلهای شیمیایی آن در خاک تعیین گردید.یافته‌ها: نتایج به‌دست آمده نشان دادند که کاربرد جاذب‌ها در خاک باعث کاهش غلظت کادمیم قابل استخراج با dtpa گردید. همچنین نتایج نشان دادند که کامپوزیت‌های کیتوسان نسبت به کیتوسان، بیوچار، زئولیت و نانو مگنتیت خالص توانایی بالاتری در غیر‌متحرک کردن کادمیم در خاک داشتند و بیشترین توانایی برای غیر‌متحرک کردن کادمیم مربوط به کامپوزیت کیتوسان مگنتیت بود. میزان کاهش کادمیم قابل استخراج با dtpa در اثر مصرف کیتوسان، بیوچار، نانو مگنتیت و زئولیت خالص نسبت به تیمار شاهد به‌ترتیب برابر با 26.11، 19.38، 18.00 و 7.71 درصد و برای کامپوزیت‌های کیتوسان مگنتیت، کیتوسان بیوچار و کیتوسان زئولیت برابر با 34.02، 32.04 و 30.56 درصد بود. نتایج عصاره‌گیری دنباله‌ای در سطح آلودگی 75 میلی‌گرم کادمیم بر کیلوگرم خاک نیز نشان داد که کاربرد جاذب‌ها به‌طور معنی‌داری شکل‌های‌ محلول + تبادلی و متصل به کربنات‌های کادمیم را در مقایسه با تیمار شاهد کاهش و شکل‌های پایدارتر آن شامل متصل به اکسیدهای آهن و منگنز، متصل به مواد آلی و باقیمانده را افزایش داد. نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج می‌توان نتیجه گرفت که پوشش‌دار کردن جاذب‌های خالص با کیتوسان با ایجاد مکانهای جذبی بیشتر باعث کاهش بیشتر تحرک کادمیم در خاک‌های آلوده می‌گردد و کارایی آن‌ها را در غیر‌متحرک کردن کادمیم افزایش می‌دهد. همچنین مشاهده گردید که از میان کامپوزیت‌های به کار رفته در این آزمایش بیشترین توانایی برای کاهش غلظت کادمیم قابل جذب مربوط به کامپوزیت کیتوسان مگنتیت بود.

Comparison of the efficiency of pure and chitosan coated adsorbents in immobilization of soil cadmium

Background and objectives: Contamination of soil and water by heavy metals have accelerated since the beginning of the industrial revolution. So cleaning up and removing of the contaminants is one of the major challenges of human societies. There are different methods for remediation of contaminated environments and adsorption and immobilization of heavy metals by the adsorbents is one of them. In addition to being effective and fast, the immobilization technique is simple, inexpensive, and environmentally safe. In recent years, the use of polymeric composites, among the various adsorbents of heavy metals, has attracted the attention of many researchers due to their higher efficiency in comparison of pure adsorbents. Chitosan composites are among those polymeric composites that, due to their properties, can have a high ability to absorb heavy metals in contaminated environments. Chitosan composites have often been used to remove heavy metals from industrial wastewater, however, the efficiency of these composites in immobilization of heavy metals in soils has not been studied. Due to the great variety and environmental safety of these composites, this study aimed to investigate the efficiency of pure and chitosan coated adsorbents in immobilization of soil cadmium.Materials and methods: For this purpose, a pot factorial experiment was conducted in greenhouse conditions using a completely randomized design and three replications. Factors studied were soil cadmium levels (0, 8, 25 and 75 mg/kg soil) and types of adsorbent including pure chitosan, biochar, zeolite and nanomagnetite and composites of chitosan biochar, chitosan zeolite and chitosan magnetite and control (without adsorbents). Each adsorbent was applied to soil at the rate of 0.5% W/W. Uncontaminated soil samples were spiked with different amounts of cadmium sulfate and incubated for two months to achieve relative equilibrium. After two months the samples were treated with different adsorbents and incubated for another two months. Then the amounts of DTPA extractable cadmium and its different chemical forms were determined.Results: The results showed that the application of adsorbents to soil decreased the concentrations of DTPA extractable cadmium. The results also showed that chitosan composites had higher ability for immobilization of cadmium in the soil than the pure chitosan, biochar, zeolite and nanomagnetite and the highest cadmium immobilization ability was observed for the composite of chitosan magnetite. Reductions in DTPA extractable cadmium for pure chitosan, biochar, nanomagnetite, and zeolite were 26.11, 19.38, 18.00 and 7.71% and for composites of chitosan magnetite, chitosan biochar and chitosan zeolite were 34.02, 32.04 and 30.56% respectively when compared to the control treatment. Sequential extraction at the contamination level of 75 mg Cd/kg soil also showed that the use of adsorbents significantly reduced the soluble + exchangeable and carbonate forms of cadmium compared to the control treatment and increased its more stable forms including iron and manganese oxide, organic matter and residue fractions. Conclusion: According to the results, it can be concluded that coating the pure adsorbents with chitosan by creating more adsorption sites reduces the cadmium mobility in the soils and increased the efficiency of pure adsorbents in the immobilization of cadmium. It was also observed that among the composites that used in this experiment, the highest ability to reduce the cadmium concentration was related to the chitosanmagnetite composite.