SUPERVISOR
Mehran Shirvani,Jahangir Abedi-Koupai
مهران شیروانی جوزدانی (استاد مشاور) جهانگیر عابدی کوپائی (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemeh Ghezelsofla
فاطمه قزل سفلی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Nitrate reduction in aqueous solutions using plant Vetiver biochar in two natural and modified conditions
Population growth, coupled with the expansion of agricultural and industrial activities, has led to increased demand for water and, as a result, peak utilization of high-quality water and excessive pressure on the country's water resources. Increasing contamination of surface and groundwater with nitrate ions also necessitates finding environmentally acceptable solutions to remove these substances from water sources. Surface adsorption is the most common method for adsorption of water pollutants using porous adsorbents such as biochar, activated carbon, silicon dioxide, activated aluminum and clay minerals. In this study, biochar adsorbents produced from waterborne and acid-modified biomass were used to adsorb compounds such as anions. Biochar due to its high surface area, porous structure, high cation exchange capacity and low cost, are good adsorbents for the removal of water pollutants. In this study, natural biochemical biochar from Vetiver plant (NVB) and hydrochloric acid-modified biochar (MVB) were used to remove nitrate ions from aqueous solutions. SEM, FTIR and BET methods and pH and CEC parameters were used to characterize biochemical adsorbents and their potential as adsorbents were evaluated by changes in initial nitrate concentration, adsorbent amount, contact time and pH of the nitrate solution. In the modular experiment, the pH of the nitrate solution was 7.5, the equilibrium time was 270 minutes, and the optimum adsorbent mass was 0.5 g. Increasing the initial nitrate concentration from 20 to 160 mg /l reduced the nitrate uptake efficiency from 87.6 to 58.5%. Langmuir adsorption isotherm models were fitted to the nitrate adsorption data. Among these models, the Langmuir model showed the best fit for the nitrate adsorption data and the maximum predicted adsorption from the Langmuir model was 10.31 mg/g. Pseudo-first-order, pseudo-second-order kinetics models, intraparticle diffusion, power function, and Elovich were used to describe the nitrate adsorption kinetics data. The Elovich model fitted best to the biochar modified nitrate adsorption data indicating that chemical adsorption is the rate-controlling mechanism. To complete the investigations on the introduced adsorbent, column experiments were carried out by the continuous introduction of nitrate solution into the adsorbent column until the adsorbent reached saturation. Column experiments with continuous inlet nitrate solution showed that the maximum adsorption capacity of the column for removal of nitrate ions was in the adsorbent column with 2 cm diameter, 5 cm natural and modified biochar, 4 cm sand above the biochar and 4 cm below the column. When input concentrations were 500 and 100 mg/l as constant discharge, in the natural biochar column, the output concentration did not change significantly, whereas in the modified biochar column, the output concentration was significantly reduced and it was obtained that it is optimally equal to 0.4 mg / l for the concentration of 50 mg / l and 0.16 mg / l for the concentration of 100 mg/l. The results of column experiments showed that the adsorption capacity increased with increasing concentration of nitrate solution but the adsorbent saturation time decreased. The results of this study showed that hydrochloric acid (HCl) modified biochar has a high potential for the removal of nitrate from aqueous solutions. Keywords : nitrate, biochar, modified biochar, hydrochloric acid, adsorption, modular test, column test
افزایش جمعیت همگام با گسترش فعالیتهای کشاورزی و صنعتی موجب شده است که تقاضا برای آب افزایش یافته و در نتیجه منابع آب با کیفیت مطلوب به اوج بهرهبرداری خود برسند و فشار بیش از اندازه به منابع آبی کشور وارد آید. همچنین افزایش آلودگی آبهای سطحی و زیرزمینی به نیترات، یافتن راه حلهای قابل قبول زیست محیطی را برای حذف این مواد از منابع آبی ضروری میسازد. روش جذب سطحی معمولترین روش برای جذب آلایندههای آب با استفاده از جاذبهای متخلخل مانند بیوچار، کربن فعال، سیلیسیم دی اکسید، آلومینیوم فعال و کانیهای رسی میباشد. در این تحقیق از جاذب بیوچار تولید شده از گیاه وتیور در حالت طبیعی و اصلاحی با اسید (که قادر به جذب ترکیباتی از جمله آنیونها نیز میباشد)، استفاده شد. بیوچارها به دلیل سطح ویژه زیاد، ساختار متخلخل، ظرفیت تبادل کاتیونی زیاد و از طرف دیگر هزینه کم، جاذبهای مناسبی برای حذف آلایندههای آب می باشند. در این پژوهش، بیوچار طبیعی وتیور (NVB) و بیوچار وتیور اصلاح شده با هیدروکلریک اسید (MVB)، برای حذف نیترات از محلولهای آبی مورد استفاده قرار گرفت. روشهای SEM، FTIR و BET و پارامترهای pH و CEC برای مشخصهیابی جاذب بیوچار مورد استفاده قرار گرفتند و قابلیت این ماده به عنوان جاذب با تغییرات غلظت اولیه نیترات، مقدار جاذب، زمان تماس و pH محلول نیترات مورد بررسی قرار گرفت. در آزمایش پیمانه ای، pH محلول برابر 5/7، زمان تعادل 270 دقیقه و جرم بهینه جاذب برابر 5/0 گرم بهدست آمد. با افزایش غلظت اولیه نیترات از 20 تا 16? میلیگرم در لیتر، بازدهی جذب نیترات از 6/87 به 5/58 درصد کاهش یافت. مدلهای همدمای جذب لانگمویر، فروندلیچ بر دادههای جذب نیترات برازش داده شد. از بین این مدلها، مدل لانگمویر بهترین برازش را بر دادههای جذب نیترات نشان داد و حداکثر جذب پیشبینی شده از مدل لانگمویر، 31/10 میلیگرم بر گرم بهدست آمد. مدلهای سینتیک شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، پخشیدگی درون ذره ای، تابع توانی و الوویچ برای توصیف دادههای سینتیک جذب نیترات مورد استفاده قرار گرفت. مدل الوویچ بهترین برازش را بر داده های جذب نیترات به وسیله بیوچار اصلاح شده داشت که نشان میدهد جذب شیمیایی مکانیسم کنترل کننده سرعت است. برای تکمیل بررسیها روی جاذب معرفی شده، آزمایشهای ستونی با ورود پیوسته محلول نیترات به ستون جاذب، تا زمان رسیدن جاذب به حد اشباع انجام شد. آزمایشهای ستونی با ورود پیوسته محلول نیترات، نشان دادند که حداکثر ظرفیت جذب ستون برای حذف نیترات، در ستون جاذب با قطر 2 سانتیمتر، 5 سانتیمتر بیوچار طبیعی و اصلاح شده، 4 سانتیمتر شن در بالای بیوچار و 4 سانتیمتر در پایین ستون قرار گرفت. غلظت ورودی ?0 و 100 میلیگرم در لیتر و دبی ثابت در نظر گرفته شد. در ستون حاوی بیوچار طبیعی، غلظت خروجی تغییر زیادی نداشت، درحالیکه در ستون حاوی بیوچار اصلاح شده غلظت خروجی کاهش چشمگیری داشته و در حالت بهینه برابر 4/0 میلیگرم در لیتر برای غلظت 50 میلیگرم در لیتر و 16/0 میلیگرم در لیتر برای غلظت 100 میلیگرم در لیتر بهدست آمد. نتایج آزمایشهای ستونی، نشان میدهد با افزایش غلظت محلول نیترات، ظرفیت جذب بیشتر شد ولی زمان اشباع شدن جاذب کاهش یافت. نتایج این تحقیق نشان داد که بیوچار اصلاح شده با هیدروکلریک اسید (HCl)، قابلیت زیادی در حذف نیترات از محلولهای آبی دارا میباشد. کلمات کلیدی: نیترات، بیوچار، بیوچار اصلاح شده، هیدروکلریک اسید، جذب، آزمایش پیمانهای، آزمایش ستون.