Giảm khả năng rửa trôi và tính sinh khả dụng của các kim loại nặng trong đất bằng cách sử dụng các nanoparticle Al2O3 và ZnO nguyên chất và đã được sửa đổi

Springer Science and Business Media LLC - Tập 73 - Trang 4347-4371 - 2014
Shahriar Mahdavi1, Abbas Afkhami2, Mohsen Jalali
1Department of Soil Science, College of Agriculture, Malayer University, Malayer, Iran
2Department of Analytical Chemistry, College of Chemistry, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran

Tóm tắt

Các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm bao gồm cả thí nghiệm theo lô và thí nghiệm cột đã được tiến hành để nghiên cứu khả năng sử dụng các nanoparticle Al2O3 (Al) và ZnO (Zn) nguyên chất và các nanoparticle Al2O3 đã được sửa đổi (Al–H) và ZnO (Zn-H) với axit humic (H) để thực hiện việc cố định in situ Cd2+, Cu2+ và Ni2+ trong các dung dịch đơn lẻ và nhiều (cạnh tranh) trong đất cát pha. Kết quả cho thấy, so với đất đối chứng (đất trắng), việc loại bỏ kim loại đã tăng lên với bốn loại vật liệu cải thiện (Al, Al–H, Zn và Zn-H). Trong các dung dịch đơn lẻ, thứ tự đạt được cho bốn loại vật liệu cải thiện là Ni2+ > Cd2+ > Cu2+, trong khi thứ tự trong các dung dịch cạnh tranh là Cu2+ > Cd2+ > Ni2+. Chúng tôi đã sử dụng các đồng thể hấp phụ, quy trình chiết xuất tuần tự, kiểm tra TCLP (khả năng hòa tan) và PBET (tính sinh khả dụng) cùng với các thử nghiệm cột rửa để đánh giá tính di động và khả năng sinh khả dụng của Cd2+, Cu2+ và Ni2+ trong bốn loại đất cải thiện. Các đồng thể hấp phụ có thể được mô tả bằng mô hình Freundlich trong hầu hết các trường hợp. Sau thời gian ủ 56 ngày, khả năng hòa tan và tính sinh khả dụng của các kim loại nặng đã được xác định. Thêm vào đó, so với các mẫu đất đối chứng, kết quả TCLP và PBET giảm trong hầu hết các mẫu đất được cải thiện. Hiện tượng lão hóa (ảnh hưởng của thời gian) đã giảm khả năng hòa tan và tính sinh khả dụng của hầu hết các loại điều trị. Trong một số trường hợp, các vật liệu cải thiện đã giảm các thành phần trao đổi và hữu cơ nhưng làm tăng các thành phần còn lại và oxit. Các yếu tố làm chậm (Rf) thu được trong các thí nghiệm cột rửa đã được sử dụng làm ước lượng cho sự di chuyển của chất tan trong các loại đất đã được cải thiện. Từ bốn loại vật liệu cải thiện, Zn và Zn-H đã được chọn cho các thí nghiệm rửa. Kết quả cho thấy rằng Zn-H kết hợp với Cd2+-đa (nhiều) có Rf thấp nhất và tính di động cao nhất liên quan đến khả năng hấp phụ thấp nhất. Hiện tượng này có thể liên quan đến cả sự gia tăng trong sự hấp phụ cụ thể và không cụ thể cũng như phản ứng kết tủa. Các vật liệu nano này có tiềm năng được sử dụng như các chất hấp phụ hiệu quả trong việc loại bỏ kim loại nặng từ các dung dịch nước và các nanoparticle ZnO và Zn-H được xác định là các vật liệu cải thiện hứa hẹn nhất nhờ vào khả năng hấp thụ kim loại cao của chúng.

Từ khóa

#Al2O3 #ZnO #nanoparticle #kim loại nặng #khả năng hòa tan #tính sinh khả dụng #đất cát pha #cải thiện đất

Tài liệu tham khảo

Afkhami A, Norooz-Asl R (2009) Removal, preconcentration and determination of Mo (VI) from water and wastewater samples using magnemite NPs. Colloids Surf A 346:52–57 Afkhami A, Saber-Tehrani M, Bagheri H (2010) Simultaneous removal of heavy metal ions in wastewater samples using nano-alumina modified with 2, 4-dinitrophenylhydrazine. J Hazard Mater 181:836–844 An B, Zhao D (2012) Immobilization of As (III) in soil and groundwater using a new class of polysaccharide stabilized Fe–Mn oxide nanoparticles. J Hazar Mater 211–212:332–341 Arwidsson Z, Elgh-Dalgren K, Kronhelm TV, Sjoberg R, Allard B, Hees PV (2010) Remediation of heavy metal contaminated soil washing residues with aminopolycarboxylic acids. J Hazard Mater 173:697–704 Basta NT, McGowen SL (2004) Evaluation of chemical immobilization treatments for reducing heavy metal transport in a smelter-contaminated soil. Environ Pollut 127:73–82 Bolan NS, Duraisamy VP (2003) Role of inorganic and organic soil amendments on immobilization and phytoavailability of heavy metals: a review involving specific case studies. Aust J Soil Res 41:533–555 Cao XD, Wahbi A, Ma LN, Li B, Yang YL (2009) Immobilization of Zn, Cu, and Pb in contaminated soils using phosphate rock and phosphoric acid. J Hazars Mater 164:555–564 Chappell MA (2009) Nanomaterials: risks and benefits, In: Linkov I, Steevens J (eds) 111 © Springer Science + Business Media B.V Chen Q, Yin D, Zhu S, Hu X (2012) Adsorption of Cadmium (II) on humic acid coated Titanium dioxide. J Colloid Interface Sci 367:241–248 Ciccu R, Ghiani M, Serci A, Fadda S, Peretti R, Zucca A (2003) Heavy metal immobilization in the mining-contaminated soils using various industrial wastes. Miner Eng 16:187–192 Debnath S, Ghosh UC (2011) Equilibrium modeling of single and binary adsorption of Cd (II) and Cu (II) on to agglomerated nano structured titanium (IV) oxide. Desalination 273:330–342 Dematos AT, Fontes MPF, DaCosta LM, Martinez MA (2001) Mobility of heavy metals as related to soil chemical and mineralogical characteristics of Brazilian soils. Environ Pollut 111:429–435 Environmental Protection Agency (1999) Office of air and radiation. understanding variation in partition coefficient, Kd, values: the Kd model, methods of measurements, and application of chemical reaction codes. EPA, Washington, v.1(402-R-99-004A) Essington ME (2004) Soil and water chemistry: an integrative approach. CRC Press, Boca Raton 534 Febriantoa J, Kosasiha AN, Sunarsob J, Jua YH, Indraswati N, Ismadjia S (2009) Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent: a summary of recent studies. J Hazard Mater 162:616–645 Garau G, Castaldi P, Santona L, Deiana P, Melis P (2007) Influence of red mud, zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophic microbial populations and enzyme activities in a contaminated soil. Geoderma 142:47–57 Garbisu C, Alkorta I (2001) Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment. Bioresour Technol 77:229–236 Ge F, Li MM, Ye H, Zha BX (2012) Effective removal of heavy metals ion Cd2+, Zn2+, Pb2+ and Cu2+ from aqueous solution by polymer-modified magnetic nanoparticles. J Hazard Mater 211–212:366–372 Gupta RK, Nayak A (2012) Cadmium Removal and recovery from aqueous solution by novel adsorbents prepared from orange peel and Fe2O3 nanoparticles. Chem Eng J 180:81–90 Hartley W, Edwards R, Lepp NW (2004) Arsenic and heavy metal mobility in iron oxide-amended contaminated soils as evaluated by short- and long-term leaching tests. Environ Pollut 131:495–504 Hooda P (2010) Trace elements in soils. Black well publishing Ltd. p 595 Houben D, Pircar J, Sonnet P (2012) Heavy metal immobilization by cost-effective amendments in a contaminated soil: effects on metal leaching and phytoavailability. J Geoch Explor 123:87–94 Inglezakis VJ, Loizidou MD, Grigoropoulou HP (2003) Ion exchange of Pb2+, Cu2+, Fe3+, and Cr3+ on natural Clinoptilolite: selectivity determination and influence of acidity. J Colloid Inter Sci 261:49–54 Jensen JK, Holm PE, Nejrup J, Larsen MB, Borggaard OK (2009) The potential of willow for remediation of heavy metal polluted calcareous urban soils. Environ Pollu 157:931–937 Jiang X, Tong M, Lu R, Kim H (2012) Transport and deposition of ZnO nanoparticles in saturated porous media. Colloid Surf A: Physicochem Eng Asp 401:29–37 Krishnamurti GSR (2008) Chemical methods for assessing contaminant bioavailability in soils. Develop Soil Sci 32:495–520 Liu R, Zhao D (2007a) Reducing Leachability and bioaccessibility of lead in soils using a new class of stabilized iron phosphate nanoparticles. Water Res 41:2491–2502 Liu R, Zhao D (2007b) In situ immobilization of Cu (II) in soils using a new class of Iron phosphate nanoparticles. Chemosphere 68:1867–1876 Liu CL, Chang TW, Wang MK, Huang CH (2006) Transport of cadmium, nickel, and zinc in Taoyuan red soil using one-dimensional convective–dispersive model. Geoderma 131:181–189 Liu CC, Li YS, Chen YM, Wang MK, Chiou CS, Yang CY, Lin YA (2011) Biosorption of chromium, copper and zinc on rice wine processing waste sludge in fixed bed. Desalination 267:20–24 Madrakian T, Afkhami A, Ahmadi M (2013) Adsorption and kinetic studies of seven different organic dyes onto magnetite nanoparticles loaded tea waste and removal of them from wastewater samples. Spectrochim Acta Part A Mol Biomol Spectrosc 90:102–109 Mahdavi S, Jalali M, Afkhami A (2012) Removal of heavy metals from aqueous solutions using Fe3O4, ZnO, and CuO nanoparticles. J Nanopart Res 14:846 Mahdavi S, Jalali M, Afkhami A (2013) Heavy Metals Removal from Aqueous Solutions Using TiO2, MgO, and Al2O3 nanoparticles. Chem Eng Comm 200:448–470 Mahdavi S, Jalali M, Afkhami A (2014) Heavy metals removal from aqueous solutions by Al2O3 nanoparticles modified with natural and chemical modifiers. Clean Techn Environ Policy doi:10.1007/s10098-014-0764-1 (in press) Malandrino M, Abollino O, Buoso S, Giacomino A, Gioia CL, Mentasti E (2011) Accumulation of heavy metals from contaminated soil to plants and evaluation of soil remediation by vermiculite. Chemosphere 82:169–178 Mallampati SR, Mitoma Y, Okuda T, Sakita S, Kakeda M (2012) Enhanced heavy metal immobilization in soil by grinding with addition of nanometallic Ca/CaO dispersion mixture. Chemosphere 89:717–723 McBride MB (1994) Environmental Chemistry of Soils. Oxford University Press, Newyork 406 Meyi HY, Man C, Bo HZ (2010) Effective removal of Cu (II) ions from aqueous solution by amino-functionalized magnetic nanoparticles. J Hazard Mater 184:392–399 Moshe TB, Dror I, Berkowitz B (2010) Transport of metal oxide nanoparticles in saturated porous media. Chemosphere 81:387–393 Nicholson F, Smith S, Alloway B, Carlton-Smith C, Chambers B (2003) An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales. Sci Total Environ 311:205–219 Ok YS, Yang JE, Zhang Y-S, Kim SJ, Chung DY (2007) Heavy metal adsorption by a formulated Zeolite-portland cements mixture. J Hazard Mater 147:91–96 Peng L, Qin P, Lei M, Zeng Q, Song H, Yang J, Shao J, Liao B, Gu J (2012) Modifying Fe3O4 nanoparticles with humic acid for removal of rhodamine B in water. J Hazard Mater 209–2010:193–198 Rahmani A, Zavvar Mosavi H, Fazli M (2010) Effect of nanostructure alumina on adsorption of heavy metals. Desalination 253:94–100 Rashidi F, Sadeghi Sarabi R, Ghasemi Z, Seif A (2010) Kinetic, equilibrium and thermodynamic studies for the removal of lead (II) and copper (II) ions from aqueous solutions by nanocrystalline TiO2. Super Lattices Micro Struct 48:577–591 Raychoudhury T, Naja G, Ghoshal S (2010) Assessment of transport of two polyelectrolyte-stabilized zero-valent iron nanoparticles in porous media. J Contamin Hydro 118:143–151 Recillas S, Garcı´a A, Gonza´lez E, Casals E, Puntes V, Sa´nchez A, Font X (2011) Use of CeO2, TiO2 and Fe3O4 nanoparticles for the removal of lead from water: Toxicity of nanoparticles and derived compounds. Desalination 277:213–220 Reddy KR, Xub CY, Chinthamreddy S (2001) Assessment of electrokinetic removal of heavy metals from soils by sequential extraction analysis. J Hazard Mater 84:27–296 Rowell DL (1994) Soil Science: Methods and Applications. Longman Group, Harlow, p 350 Sharma YC, Srivastava VU, Padhyay SN, Weng CH (2008) Alumina nanoparticles for the removal of Ni (II) from aqueous solution. Ind Eng Chem Res 47:8095–8100 Song J, Kong H, Jang J (2011) Adsorption of heavy metal ion from aqueous solution by polyrhodanine encapsulated magnetic nanoparticles. J Colloid Interfac Sci 359:505–511 Sonmez O, Pierzynski M (2005) Phosphorus and manganese oxides effects on soil lead bioaccessibility: PBET and TCLP. Water Air Soil Pollut 166:3–16 Sparks D (2003) Environmental soil chemistry. Elsevier Science p 352 Sposito G, Lun LJ, Chang AC (1981) Trace metal chemistry in arid zone field soils amended with sewage sludge: I. Fraction of Ni, Cu, Zn, Cd and Pb in solid phase. Soil Sci Soc Am J 46:260–264 Tan KH (1998) Principles of soil chemistry. Marcel Dekker Inc. p 521 Udeigwe TK, Eze PN, Teboh JM, Stietiya MH (2011) Application, chemistry, and environmental implications of contaminant-immobilization amendments on agricultural soil and water quality. Environ Int 37:258–267 VanGenuchten MT, Wierenga PJ (1986) Solute dispersion: coefficients and retardation factors. Methods of Soil Analysis. Part 1: Physical and Mineralogical Methods, ASA, SSSA Madison 1025–1031 Vidal M, Santos MJ, Abrao T, Rodriguez J, Rigol A (2009) Modeling competitive metal sorption in a mineral soil. Geoderma 149:189–198 Wang YJ, Chen JH, Cui YX, Wang SQ, Zhou DM (2009) Effects of low-molecular-weight organic acids on Cu(II) adsorption onto hydroxyapatite nanoparticles. J Hazard Mater 162:1135–1140 Wierenga PJ, Van Genuchten MT, Boyle FW (1975) Transfer of boron and tritiated water through sandstone. J Environ Qual 4:83–87 Xiong Z, Zhao D, Barnett M (2009) Immobilization of mercury in sediment using stabilized Iron sulfide nanoparticles. Water Res 43:5171–5179 Xu Y, Zhao D (2007) Reductive immobilization of chromate in water and soil using stabilized iron nanoparticles. Water Res 41:2101–2108 Zapusek U, Lestan D (2009) Fractionation, mobility and bio-accessibility of Cu, Zn, Cd, Pb and Ni in aged artificial soil mixtures. Geoderma 154:164–169 Zhang Y, Chen Y, Westerhoff P, Hristovski K, Crittenden JC (2008) Stability of commercial metal oxide nanoparticles in water. Water Res 42:2204–2212 Zhang L, Zhang H, Yu X (2011) Investigation of solution chemistry effects on sorption behavior of Cu (II) on ZSM-5 zeolite. Water Environ Res 83:2170–2177 Zhou YT, Nie HL, White CB, He ZY, Zhu LM (2009) Removal of Cu2 + from aqueous solution by chitosan-coated magnetic nanoparticles modified with α-ketoglutaric acid. J Colloid Interfac Sci 330:29–37 Zhu C, Anderson G (2003) Environmental applications of geochemical modeling. Cambridge University Press, p 284