تاثیر زغال زیستی اصلاح شده با نانوذرات روی صفر ظرفیتی بر رهاسازی برخی فلزات سنگین در یک خاک آهکی

سابقه و هدف: امروزه فعالیت‏های انسانی و تولیدات صنعتی باعث آلودگی فلزات سنگین در خاک شده است. برای حذف فلزات سنگین (hms) از خاک، زغال زیستی به‏دلیل مساحت سطح بالا، تخلخل زیاد، ph قلیایی و گروه‏های عاملی فراوان یک جاذب کارامد و کم هزینه برای تثبیت و محدود کردن زیست فراهمی hms در خاک است. همچنین، استفاده از نانوذرات در اصلاح زغال زیستی به دلیل توانایی بالا در جذب و تثبیت فلزات سنگین و افزایش کارایی حذف آلاینده‌ها، به‌ویژه در خاک‌های آلوده، ضروری است. در این پژوهش، سینتیک رهاسازی سرب، کادمیم، مس و نیکل از خاک آلوده شده در حضور زغال زیستی حاصل از تفاله پسته (bc) و زغال زیستی اصلاح‌شده با نانوذرات روی صفر ظرفیتی (bc-nzvz) مورد بررسی قرار گرفت.مواد و روش‏ها: زغال زیستی حاصل از بقایای تفاله پسته در دمای 500 درجه سلسیوس تهیه شد و با نانوذرات روی صفر ظرفیتی (nzvz) بارگذاری شد. برای بررسی بارگذاری موفق نانوذره روی صفر ظرفیتی (nzvz) بر روی زغال زیستی از آنالیز‏های sem-edx، ftir و xrd استفاده شد. برای بررسی تاثیر جاذب‌های تهیه‌شده ( bcو bc-nzvz) بر سینتیک رهاسازی فلزات سنگین، تیمارها در دو سطح 1 و 2 درصد وزنی به خاک آهکی آلوده شده به 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم از هر یک از فلزات سرب، کادمیم، نیکل و مس اضافه شدند. پس از گذشت 90 روز، سینتیک رهاسازی این فلزات با استفاده از edta به‌عنوان ماده استخراج‌کننده، در بازه‌های زمانی 15 تا 2880 دقیقه مورد بررسی قرار گرفت. داده‏های به دست آمده از رهاسازی سرب، کادمیم، مس و نیکل بوسیله معادلات سینتیکی غیرخطی شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، پخشیدگی سهموی، الوویچ ساده شده و تابع توانی بررسی گردید.یافته‏ها: نتایج نشان داد که مقدار کربن موجود در زغال زیستی 64 درصد بود. نتایج حاصل از آنالیزهای sem-edx، ftir و xrd نشان داد که نانوذرات روی صفر ظرفیتی با موفقیت بر روی زغال زیستی بارگذاری شدند. الگوی رهاسازی همه فلزات سنگین مورد مطالعه در خاک یکسان و به‏صورت دوفازی بود. در بین خاک‏های تیمار شده با جاذب‏های تهیه شده، خاک‏های تیمار شده با bc1% و 2% bc-nzvz به‏ترتیب کمترین و بیشترین تاثیر را در کاهش رهاسازی فلزات سنگین در مقایسه با تیمار شاهد داشتند. به‏طوری‏که مقدار رهاسازی سرب، مس، کادمیم و نیکل در خاک تیمار شده با bc1% (به‏ترتیب 68/21، 28/18، 2/15 و 7/12 درصد) و مقدار رهاسازی در خاک تیمار شده با2% bc-nzvz (به‏ترتیب 60، 7/54، 48 و 9/40 درصد) در مقایسه با تیمار شاهد کاهش یافت. نتایج نشان داد که علاوه بر نوع جاذب مقدار جاذب نیز بر مقدار سینتیک رهاسازی فلزات سنگین موثر است و با افزایش سطح جاذ‏‏‏ب‏ها از 1 درصد به 2 درصد مقدار رهاسازی فلزات سنگین به‏طور معنی‏داری کاهش یافت. نتایج حاصل از برازش داده‌ها نشان داد که نوع خاک و نوع عنصر نقش مهمی در تعیین مدل سینتیکی بهینه دارند، به‌طوری که معادلات شبه مرتبه دوم، شبه مرتبه اول و الوویچ ساده‌شده به‌عنوان مناسب‌ترین مدل‌ها برای توصیف سینتیک رهاسازی سرب، کادمیم، مس و نیکل شناسایی شدند.نتیجه‏گیری: بعد از افزودن زغال زیستی و زغال زیستی اصلاح شده با نانوذرات روی صفر ظرفیتی مقدار رهاسازی سرب، کادمیم، مس و نیکل در مقایسه با تیمار شاهد به‏طور معنی‏داری کاهش یافت. علاوه بر این، رهاسازی فلزات سنگین در خاک‏های تیمار شده با bc-nzvz در مقایسه با تیمار bc به‏طور معنی‏داری کمتر بود. بنابراین، نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده از زغال زیستی اصلاح شده با نانوذره روی صفر ظرفیتی علاوه بر مدیریت بقایای کشاورزی یک روش کارامد، مقرون به‏صرفه و سازگار با محیط زیست برای کاهش تحرک و کاهش رهاسازی فلزات سنگین در خاک است.

the effect of biochar modified with zero-valent zinc nanoparticles on the release of some heavy metals in a calcareous soil

background and objective: nowadays، human activities and industrial production have led to heavy metal (hms) contamination in soils. to remediate hms-contaminated soils، biochar is considered an efficient and cost-effective adsorbent due to its high surface area، extensive porosity، alkaline ph، and abundant functional groups، which contribute to the stabilization and reduction of hm bioavailability in soil. moreover، the modification of biochar with nanoparticles is essential، as it enhances the adsorption and immobilization capacity of heavy metals، thereby improving pollutant removal efficiency، particularly in contaminated soils. in this study، the release kinetics of lead (pb)، cadmium (cd)، copper (cu)، and nickel (ni) from contaminated soil in the presence of pistachio residue-derived biochar (bc) and biochar modified with zero-valent zinc nanoparticles (bc-nzvz) were investigated.materials and methods: biochar derived from pistachio residue was produced at 500°c and subsequently loaded with zero-valent zinc nanoparticles (nzvz). to confirm the successful loading of nzvz onto the biochar surface، sem-edx، ftir، and xrd analyses were performed. to evaluate the effect of the prepared adsorbents (bc and bc-nzvz) on the release kinetics of heavy metals، treatments were applied at two levels (1% and 2% by weight) to calcareous soil contaminated with 100 mg/kg of lead (pb)، cadmium (cd)، nickel (ni)، and copper (cu). after 90 days، the release kinetics of these metals were assessed using edta as an extracting agent over time intervals ranging from 15 to 2880 minutes. the obtained data for the release of pb، cd، cu، and ni were analyzed using nonlinear kinetic models، including the pseudo-first-order، pseudo-second-order، parabolic diffusion، simplified elovich، and power function equations.results: the findings revealed that the carbon content of the biochar was 64%. the results of sem-edx، ftir، and xrd analyses confirmed the successful loading of zero-valent zinc nanoparticles (nzvz) onto the biochar surface. the release pattern of all the studied heavy metals in the soil exhibited a biphasic behavior. among the soils treated with the prepared adsorbents، those treated with 1% bc and 2% bc-nzvz exhibited the least and greatest reductions in heavy metal release، respectively، compared to the control. specifically، the release of pb، cu، cd، and ni in soil treated with 1% bc decreased by 21.68%، 18.28%، 15.2%، and 12.7%، respectively، while in soil treated with 2% bc-nzvz، the reductions were 60%، 54.7%، 48%، and 40.9%، respectively، relative to the control. the results indicated that، in addition to the type of adsorbent، the adsorbent dosage also significantly influenced the release kinetics of heavy metals، with an increase in the adsorbent level from 1% to 2% leading to a significant reduction in metal release. the kinetic modeling results further demonstrated that both soil type and metal type played crucial roles in determining the optimal kinetic model. the pseudo-second-order، pseudo-first-order، and simplified elovich models were identified as the most appropriate models for describing the release kinetics of pb، cd، cu، and ni.conclusion: after the addition of biochar (bc) and biochar modified with zero-valent zinc nanoparticles (bc-nzvz)، the release of lead (pb)، cadmium (cd)، copper (cu)، and nickel (ni) was significantly reduced compared to the control treatment. furthermore، the release of heavy metals in soils treated with bc-nzvz was significantly lower than in those treated with bc alone. therefore، the findings of this study suggest that the application of bc-nzvz not only contributes to the sustainable management of agricultural residues but also serves as an efficient، cost-effective، and environmentally friendly approach for reducing the mobility and release of heavy metals in contaminated soils.