SUPERVISOR
محسن سلیمانی امین آبادی (استاد راهنما)
STUDENT
Majid Yazdani
مجید یزدانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده منابع طبیعی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Effect of Humic Substances on Remediation of Heavy Metal-Polluted Soils Using Electrokinetic and Phytoremediation
Increasing of industrial activities followed by the entry of various pollutants (e.g. heavy metals) into the environment is the cause of soil, water and air pollution in recent years. Soil is considered as one of the most important environmental component affecting human life and because of its value, management plans should be considered to retain and clean it up. There are various methods for cleaning metal contaminants in soil which have their own advantages and disadvantages. Electrokinetic (EK) is one of the fastest and most efficient approach for remediation of heavy metals contaminated soils. However, the use of chemical synthetic chelates such as EDTA is essential to enhance the method efficiency. Since chemical synthetic chelates have environmental side effects, researchers are looking for new chelates to overcome their environmental problems. Therefore, this study aimed to investigate the effect of humic acid and vinasse of alcohol industry on heavy metal removal efficiency of soils contaminated with lead (Pb), zinc (Zn) and cadmium (Cd) through the EK and phytoremediation approaches. Soil samples were obtained from the depth of 0-20 cm contaminated soils of Bama Mining Industrial Co. located in southwest of Isfahan. Firstly, the effect of chelate type (EDTA, humic acid, vinasse) in comparison to control (distilled water), concentration of chelates (50, 100 and 200 mM carbon), pH (6, 8 and 10), and the ratio of soil to chelate solution (l:20, 1:40 and 1:80) on metal release from soils were investigated in batch experiments using Taguchi method. Consequently, the most efficient chelate and concentration were considered in EK and phytoremediation experiments. In EK experiments, a glass chamber with the length of 50 cm, width of 10 cm and height of 20 cm was used and a chamber with the length of 10 cm in the both side of the main chamber were used to hold the graphite electrodes including anode (positive pole) and cathode (negative pole). Soil was placed into the main chamber with 30 cm length and was saturated with solution of the selected chelates. Direct electric current of 60 volt (2V per cm soil) was applied for 60 hours in the chamber and then the soil samples were taken from 3 parts including cathode, anode and middle parts. Phytoremediation experiments were carried out at the research greenhouse of Department of Natural Resources, Isfahan University of Technology, using Purslane ( Portulaca orelacea L.), for a 60-day period considering the results of Taguchi experiments. The concentrations of heavy metals were measured in soil and plant samples after extraction using flame atomic absorption spectrometry (Perkin Elmer AAnalyst 700). The results showed that the chelates EDTA, humic acid, vinasse and distilled water had the highest efficiency in release of metals from soil, respectively, but the efficiency of water and vinasse was negligible. The optimal conditions of metal release from soil were chelate concentration of carbon equal to 200 mM, pH 8, and the ratio of the soil to chelate solution of 1:80. The efficiency of EDTA in Zn, Cd and Pb removal from soil was, 67, 48 and 19 %, respectively where the amounts for humic acid were 22, 26 and 5%, respectively. In EK experiments, EDTA showed the highest Cd removal efficiency which was 35 %, whereas the efficiency of humic acid in this case was up to 9 %. The use of humic acid increased heavy metal accumulation in Purslane and enhanced phytoremediation efficiency, while the use of EDTA resulted in toxicity to the plant. Results showed that the amount of accumulated metals in Purslane was lower than the criteria of hyperaccumulators. Overall, considering the significant effect of humic acid on the soil remediation methods and its lower environmental problems in comparison to EDTA, it’s recommended to use it in such processes. However, it should be noted that the use of humic acid may not be useful to remove metals such as lead, which are strongly attached to the soil particles. Key worlds: Soil washing, Lead, Zinc, Cadmium, Electrokinetic, Phytoremediation
افزایش فعالیت های صنعتی طی سال های اخیر و به دنبال آن ورود انواع آلاینده ها به ویژه فلزات سنگین به محیط زیست، آلودگی خاک، آب و هوا را به دنبال داشته است. منابع خاک بخش حیاتی زندگی بشر هستند که ارزش بالای آن ایجاب می کند برنامه مدیریتی در راستای حفظ و پاکسازی این منابع در نظر گرفته شود. روش های مختلفی برای پاکسازی آلاینده های فلزی در خاک وجود دارد که هر یک دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. یکی از روش های پاکسازی فلزات سنگین در خاک، الکتروکینتیک است که قادر به پاکسازی محیط خاک در زمان کم و با کارایی زیاد است. با این وجود برای افزایش کارایی این روش، استفاده از کلات های سنتزی شیمایی مانند EDTA ضروری است. با توجه به مشکلات زیست محیطی این کلات ها، محققان به دنبال جایگزین مناسب برای آنها و کاهش مشکلات زیست محیطی روش های پاکسازی هستند. لذا این پژوهش به منظور به منظور بررسی استفاده از اسید هیومیک و ویناس حاصل از کارخانجات الکل سازی بر کارایی روش الکتروکینتیک و گیاه پالایی برای پاکسازی یک خاک آلوده به فلزات سنگین سرب، روی و کادمیوم انجام شد. نمونه برداری از خاک آلوده معدن سرب و روی باما در جنوب غرب اصفهان و از عمق 0 تا 20 سانتی متری صورت گرفت. در مرحله اول، تاثیر عوامل نوع ماده کلات کننده (EDTA، اسیدهیومیک، ویناس) و آب مقطر، غلظت کلات کننده (50، 100 و 200 میلی مولار کربن )، پ هاش محیط (6، 8 و 10) و نسبت خاک به محلول کلات کننده (1 به 20، 1به 40 و 1 به 80) در آزمایش های پیمانه ای و با استفاده از آزمون تاگوچی بررسی شد. سپس مناسب ترین کلات و غلظت در آزمایش های الکتروکینتیک و گیاه پالایی مورد استفاده قرار گرفت. در آزمایش های الکتروکینتیک از یک محفظه شیشه ای به طول 50، عرض 10 و ارتفاع 20 سانتی متر استفاده شد که در دو طرف محفظه ای به طول 10 سانتی متر برای قرار گیری الکترود های گرافیتی آند (قطب مثبت) و کاتد (قطب منفی) تعبیه شده بود. درون محفظه اصلی به طول 30 سانتی متر خاک آلوده ریخته شد و با محلول های کلات کننده اشباع گردید. جریان الکتریکی به صورت مستقیم به مقدار 60 ولت (2 ولت بر سانتی متر) به مدت 60 ساعت در محفظه ایجاد شد، سپس از 3 قسمت کاتد، میانی وآند نمونه برداری خاک انجام گرفت. آزمایش های گیاه پالایی نیز با استفاده از گیاه خرفه ( Portulaca orelacea ) و با مد نظر گرفتن شرایط بدست آمده از آزمون تاگوچی به مدت 60 روز در انجام شد. در پایان غلظت فلزات سنگین در نمونه خاک و گیاه پس از عصاره گیری با استفاده از دستگاه جذب اتمی شعله ای (پرکین المر AAnalyst 700) اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که به ترتیب کلات های EDTA، اسید هیومیک، ویناس و آب مقطر بیشترین کارایی را در جداسازی فلزات از خاک داشتند ولی کارایی ویناس و آب مقطر ناچیز بود. شرایط بهینه جداسازی فلزات شامل غلظت کلات کننده برابر با 200 میلی مولار کربن، پ هاش 8 و نسبت خاک به محلول کلات کننده 1 به 80 بود. کارایی کلات EDTA در جداسازی فلزات روی، کادمیوم و سرب از خاک به ترتیب 67، 48 و 19، برای اسید هیومیک به ترتیب 22، 26 و 5 درصد بود. در آزمایشات الکتروکینتیک، کلات EDTA برای پاکسازی خاک از کادمیوم، کارایی 35 درصد و بیشترین مقدار را نشان داد، در حالی که کارایی اسید هیومیک در این مورد حدود 9 درصد بود. استفاده از اسید هیومیک منجر به افزایش جذب فلزات به وسیله گیاه خرفه و افزایش کارایی گیاه پالایی گردید، در حالی که استفاده از EDTA منجر به ایجاد سمیت برای گیاه شد. با توجه به اینکه کارایی اسید هیومیک بر فرایند پاکسازی خاک مورد آزمون قابل توجه بود، استفاده از آن به علت عدم دارا بودن مشکلات زیست محیطی کلات EDTA توصیه می شود. بااین وجود باید توجه داشت که استفاده از اسیدهیومیک برای پاکسازی فلزاتی مانند سرب که با پیوند محکمی به ذرات خاک متصل شده اند ممکن است سودمند نباشد. کلمات کلیدی : شست و شوی خاک، سرب، روی، کادمیوم ، الکتروکینتیک، گیا پالایی