Arsenic interaction with nano zerovalent iron (nZVI): Effect of ionic stength, pH and ion concentration

Behzad, Elham and Goli Kalanpa, Esmaiel and Hossein Davoudi, Mohammad (2016) Arsenic interaction with nano zerovalent iron (nZVI): Effect of ionic stength, pH and ion concentration. Masters thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text (برهمکنش آرسنیک با نانو¬ذرات آهن صفر ظرفیتی: اثر قدرت یونی، pH و غلظت یونی)
Elham Behzad.pdf

Download (354kB)
Official URL: http://www.uma.ac.ir

Abstract

Remediation of arsenic (As), especially its arsenate (AsO43-) species, from natural environments such as soil and water is very importance. Zero valent iron nanoparticles (nZVI) with high surface area has a great tendency to sorb arsenate and accordingly its remediation from natural environments. Remediation of arsenic polluted soils and water using nZVI may be influenced by environmental factors such as pH, ionic strength, initial concentration and presence of competing or cooperating ions. Therefore, this research was conducted to study, 1. arsenate adsorption isotherms on nZVI as a function of initial concentration, pH and ionic strength, 2. effect of P, Ca and Mg ions on remediation efficiency 3. modeling adsorption data. To achieve these aims, starch stabilized nZVI was synthesized using the Bottom-Up method via the reduction of ferric iron with sodium borohydride. AsO43- adsorption on nZVI was determined as a function of initial concentration (0-50 mg/l), ionic strength (0.01, 0.10 and 0.50 M NaCl) and pH (5-11). Also, competitive and synergistic effects of phosphorus at 3 levels 0, 10, 30 mg/l and calcium and magnesium (at 4 levels 0, 0.005, 0.01 and 0.02 M CaCl2 and MgCl2 ) were examined. Furthermore, arsenate adsorption on 3 clayey, loamy and sandy loam soil samples was studied in the presence and absence of nZVI at 0-50 mg/l initial arsenate concentration and 0.01 M NaCl. Results showed that arsenate adsorption on nZVI increases with increasing its initial concentrations but the slope of adsorption curve or remediation potential decreases. Remediation potential of nZVI was highly pH-dependent, reaching to 100 % at 5-7.8 pH ranges and decreased at higher pH values. The effect of ionic strength depends on pH and initial arsenate concentration. At pH<8 and arsenate concentrations lower than 30 mg/l adsorption was not influenced by ionic strength. However, at pH values>8 adsorption was influenced by ionic strength. Calcium and magnesium indicated a positive effect on arsenate adsorption at pH>8 and consequently its remediation. However, calcium had stronger effect Competitive sorption isotherms of arsenate in the presence of phosphate showed that phosphate is a strong competitor for arsenate adsorption on nZVI and decreased its remediation potential. Arsenate sorption percentage was higher in clayey soil than loam and sandy loam soils. Remediation potential of these soils increased highly in the presence of nZVI and reache approximately to 98 %. Modeling adsorption data using least squared method indicated that Langmuir and Freunlich models satisfactory described experimental data because of high R2 and low SSE. From this research it can be concluded that nZVI has very high remediation capacity and can be applied to remediate arsenate polluted water and soil at pH<8.

Item Type: Thesis (Masters)
Persian Title: برهمکنش آرسنیک با نانو¬ذرات آهن صفر ظرفیتی: اثر قدرت یونی، pH و غلظت یونی
Persian Abstract: حذف آرسنیک از محیط‌های طبیعی آلوده نظیر آب و خاک از اهميت فراوانی برخوردار است. نانوذرات آهن صفر ظرفیتی (nZVI) به دلیل سطح ویژه بسیار بالا، توانایی فوق‌العاده‌ای در جذب¬سطحی آرسنیک و در نتیجه کنترل آن می تواند داشته باشد. جذب آرسنیک توسط nZVI از عوامل محیطی نظیر pH، قدرت یونی، غلظت اولیه و همچنین حضور یون‌های رقابت¬کننده و یا همکاری¬کننده متأثر می‌شود. بنابراین، این پژوهش با هدف مطالعه 1- همدما¬های جذب سطحی آرسنات روی nZVI تابعی از غلظت‌ اولیه¬ی آرسنات، قدرت یونی و pH، 2- اثر فسفر، کلسیم و منیزیم بر راندمان جذب 3- مدل¬سازی داده‌های جذب سطحی انجام گرفت. بدین¬منظور، nZVI تثبیت شده با نشاسته به روش Bottom-Up از طریق احیای کلرید¬فریک توسط بورو¬هیدرات سدیم، سنتز و جذب¬سطحی آرسنات روی nZVI، در غلظت اولیه¬ی 50-0 میلی¬گرم در لیتر، قدرت¬یونی 01/0، 1/0 و 5/0 مولار NaCl و pH (11-5) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اثر رقابتی فسفر در سه سطح 0، 10و 30 میلی‌گرم در لیتر و اثر همکاری¬کننده کلسیم و منیزیم در چهار سطح 0، 005/0، 01/0 و 02/0 مولار بررسی و همچنین به منظور نشان دادن توانایی جذب آرسنات توسط nZVI، در سیستم خاک، آزمایش¬های جذب¬سطحی آرسنات روی سه نمونه خاک با بافت¬های رسی، لومی و لوم شنی در حضور و عدم حضور nZVI، انجام گرفت. نتایج نشان داد که جذب آرسنات روی nZVI با افزایش غلظت اولیه¬ی آن افزایش، ولی قدرت جذب آن کاهش می‌یابد. توان پالایندگی nZVI به شدت تابع pH محیط بوده و در دامنه¬ی pH بين ٥-8/7 توانايي جذب 100 % و با افزایش pH این قدرت با شیب تندی، کاهش می‌یابد. اثر قدرت¬یونی، تابعی از pH و غلظت اولیه آرسنات بوده و در pH¬های کمتر از 8 و غلظت اولیه کمتر از 30 میلی‌گرم در لیتر تأثیر چندانی نداشته ولی در pH¬های بالای 8، تأثیر مثبتی روی جذب داشت. کلسیم و منیزیم نیز در pH¬های بالای 8، تأثیر مثبتی در جذب¬سطحی آرسنات داشتند که اثر کلسیم قوی‌تر از منیزیم بود. همدما¬هاي جذب رقابتي فسفات با آرسنات نشان داد كه فسفات عامل رقابت کننده قوی در جذب آرسنات توسط nZVI بوده و در حضور آن جذب آرسنات به شدت كاهش می¬یابد. نتایج همدما¬های جذب سطحی آرسنات روی خاک نشان داد که در خاک رسی، درصد جذب آرسنات بیشتر از خاک لوم و لوم شنی است. بررسی ظرفیت¬جذب این سه نمونه خاک در حضور nZVI، نشان داد که nZVI بطور فزاینده¬ای جذب آرسنات در خاک را افزایش داده است. مدل¬سازی داده¬های جذب¬سطحی به روش حداقل مربعات نشان داد که مدل فروندلیچ و لانگ¬مویر بدلیل بالا بودن ضریب تبیین (R2) و پایین بودن اشتباه استاندارد برآورد (SSE) می¬توانند داده¬ها را به خوبی توصیف کند. نتایج این پژوهش نشان داد که نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی در pH¬های کمتر از 8، قدرت فوق‌العاده‌ای در جذب آرسنات از آب‌ها و خاک‌های آلوده دارد.
Supervisor:
SupervisorE-mail
Goli Kalanpa, EsmaielUNSPECIFIED
Advisor:
AdvisorE-mail
Hossein Davoudi, MohammadUNSPECIFIED
Subjects: Faculty of Agricultural Sciences & Natural Resources > Department of Soil Engineering
Divisions > Faculty of Agricultural Sciences & Natural Resources > Department of Soil Engineering
Divisions: Subjects > Faculty of Agricultural Sciences & Natural Resources > Department of Soil Engineering
Faculty of Agricultural Sciences & Natural Resources > Department of Soil Engineering
Date Deposited: 16 Nov 2018 13:34
Last Modified: 16 Nov 2018 13:34
URI: http://repository.uma.ac.ir/id/eprint/1942

Actions (login required)

View Item View Item