نحوه عملکرد میکرو ذرات کربن فعال و نانوذرات پراکسید کلسیم (CaO2) در پاک‌سازی هیدروکربن‌های حلقوی از آب زیرزمینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه منابع طبیعی و محیط زیست، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران.

2 مرکز تحقیقات امنیت غذایی، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران.

3 پژوهشگاه نفت پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده محیط زیست و بیوتکنولوژی، تهران، ایران.

چکیده

با ورود آلودگی هیدروکربنی به آب‌های زیرسطحی، بر اساس سرعت آب زیرزمینی، آلودگی این امکان را دارد که به نقاط پایین‌دست نفوذ کرده و مشکلاتی را برای مصرف‌کنندگان و نیز محیط‌زیست به وجود آورد. به‌این‌ترتیب، علاوه بر روش­های پاک‌سازی این آلاینده­ها، دستیابی به راهکاری جهت جلوگیری از گسترش آلودگی از اهمیت بالایی برخوردار است. در پژوهش حاضر، با سنتز نانوذرات پراکسید کلسیم و آماده‌سازی میکرو ذرات کربن فعال، آزمایش­های ناپیوسته (Batch) پاک‌سازی آلاینده‌های بنزن و تولوئن در ویال‌های100 ml  مورد بررسی عملکرد قرار گرفت. بررسی‌ها بامطالعه تغییرات اکسیژن محلول DO)) و pH، جمعیت میکروبی و غلظت آلاینده در طول 60 روز مطالعه صورت گرفت. در ادامه جهت مطالعه جمیت میکروبی تشکیل شده بر روی کربن فعال به عنوان بستر جاذب آلودگی از میکروسکوپ الکترونی (SEM) استفاده شد. نتایج حاصل از پژوهش نشان داد که با تلفیق دو روش تزریق ذرات کربن فعال جهت جذب و به دام انداختن آلودگی و افزودن نانوذرات پراکسید کلسیم به آب زیرزمینی می‌توان بازدهی حذف آلودگی از محیط را به میزان 20 درصد نسبت به به­کارگیری نانوذرات به تنهایی و نیز 50 درصد نسبت به افزودن جاذب به تنهایی به بستر آب زیرزمینی افزایش داد. این درحالی بود که تصویر میکروسکوپ الکترونی گرفته شده از سطح کربن فعال حاکی از افزایش فعالیت میکروارگانیسم‌ها و اتصال آن‌ها به سطح و تشکیل کلنی است که به بهبود شرایط پاک‌سازی کمک می‌کند. در مطالعات میکروبی به ازای هر میلی لیتر از محیط آبی، تعداد 1000 میکروارگانیسم بیشتر در بستر حاوی پراکسید کلسیم و نیز کربن فعال نسبت به نمونه شاهد رشد مشاهده شد. در نهایت مشخص شد که ترکیب روش تجزیه زیستی به کمک نانوذرات پراکسید کلسیم و جاذب کربن فعال موجب بهبود عملکرد نانوذرات CaO2 شده و با تثبیت آلاینده در نهایت منجر به پاک‌سازی حداکثری آلودگی از آب زیرزمینی آلوده می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The mechanism of action of activated carbon and calcium peroxide (CaO2) nanoparticles in the remediation of aromatic hydrocarbons from groundwater

نویسندگان [English]

  • Keyvan Samimi 1
  • Abbas Ahmadi 2
  • Hamid Torangzar 2
  • Mahmoud Shavandi 3
1 Department of Natural Resources and Environment, Islamic Azad University, Arak Branch, Arak, Iran.
2 Food Security Research Centre, Arak Branch, Islamic Azad University, Arak, Iran.
3 Research institute of Petroleum industry, Environment and biotechnology research division, Tehran, Iran.
چکیده [English]

As hydrocarbon contamination enters subsurface waters, the contamination has the potential to penetrate downstream and cause problems for consumers and the environment, it is of great importance to find a solution to prevent the spread of contamination. So, the effects of carbon adsorbents on the removal of benzene and toluene pollutants were also examined. For this purpose, nine 100 ml vials containing 50 grams of sand were prepared, to which 70 ml of groundwater was added along with specified amounts of micro-sized activated carbon, calcium peroxide nanoparticles, and a combination of both. Tests included measuring pH, dissolved oxygen concentration, microbial populations, and pollutant concentrations. The results indicated that calcium peroxide nanoparticles significantly increased the dissolved oxygen concentration and pH, while micro-sized activated carbon particles had little effect on these properties. Combining two adsorbents led to a slight increase in oxygen concentration and a tenfold increase in microbial count, enhancing the ability of activated carbon to adsorb pollutants and provide a favorable environment for the growth of microorganisms. The significant impact of calcium peroxide nanoparticles and micro-sized activated carbon in the pollutant removal process from groundwater was also investigated. Results showed that calcium peroxide nanoparticles were capable of removing 80% of pollutants, including toluene, due to its better degradability. The simultaneous use of carbon adsorbents and calcium peroxide nanoparticles increased efficiency and reduced cleanup time, allowing for the complete removal of pollutants within 60 days. Moreover, combining these two adsorbents resulted in 20% improvement in remediation efficiency compared to the use of calcium peroxide nanoparticles alone. Microscopic findings demonstrated that microorganisms attached well to the activated carbon surface and played a crucial role in the degradation of pollutants by forming colonies. Ultimately, improved efficiency in removing hydrocarbon pollution from groundwater was observed by integrating calcium peroxide nanoparticles and activated carbon adsorbents.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Activated carbon
  • Bioremediation
  • Calcium peroxide nanoparticles
  • Groundwater pollution
  • pollutant adsorption

مراجع

Ali, M., Farooq, U., Lyu, S., Sun, Y., Li, M., Ahmad, A., Abbas, Z., 2020. Synthesis of controlled release calcium peroxide nanoparticles (CR-nCPs): Characterizations, H2O2 liberate performances and pollutant degradation efficiency. Separation and Purification Technology, 241: 116729.
Ali, M., Shan, A., Sun, Y., Gu, X., Lyu, S., Zhou, Y.,  2021. Trichloroethylene degradation by PVA-coated calcium peroxide nanoparticles in Fe (II)-based catalytic systems: enhanced performance by citric acid and nanoscale iron sulfide. Environmental Science and Pollution Research, 28: 3121-3135.
Bulatović, S., Marić, N., Šolević Knudsen, T., Avdalović, J., Ilić, M., Jovančićević, B., Vrvić, M. , 2020. Bioremediation of groundwater contaminated with petroleum hydrocarbons applied at a site in Belgrade (Serbia). Journal of the Serbian Chemical Society, 85(8):1067-1081.
Chevalier, L., McCann, C. D., 2008. Feasibility of calcium peroxide as an oxygen releasing compound in treatment walls. International Journal of Environment and Waste Management, 2(3): 245-256.
Dinh, M., Hakimabadi, S. G., Pham, A. L. T.,  2020. Treatment of sulfolane in groundwater: A critical review. Journal of Environmental Management, 263, 110385.
Fagerlund, F., Niarchos, G., Ahrens, L., Kleja, D. B., Bergman, J., Larsson, A., Gottby, L. 2020. Pilot-scale injection of colloidal activated carbon for PFAS immobilization at a contaminated field site. In EGU General Assembly Conference Abstracts (Vol. 17615).
Firmino, P. I. M., Farias, R. S., Barros, A. N., Buarque, P. M., Rodríguez, E., Lopes, A. C., dos Santos, A. B. (2015). Understanding the anaerobic BTEX removal in continuous-flow bioreactors for ex situ bioremediation purposes. Chemical Engineering Journal, 281: 272-280.
Gieg, L. M., Kolhatkar, R. V., McInerney, M. J., Tanner, R. S., Harris, S. H., Sublette, K. L., Suflita, J. M. (1999). Intrinsic bioremediation of petroleum hydrocarbons in a gas condensate-contaminated aquifer. Environmental Science & Technology, 33(15): 2550-2560.
Haris, S., Qiu, X., Klammler, H., Mohamed, M. M. (2020). The use of micro-nano bubbles in groundwater remediation: A comprehensive review. Groundwater for Sustainable Development, 11, 100463.
Heidarzadeh, M., Abdi, N., Varvani Farahani, J., Ahmadi, A., Toranjzar, H. (2020). The effect of Typha Latifolia L. on heavy metals phytoremediation at the urban and industrial wastewater entrance to the Meighan wetland, Iran.  Journal of Applied Research in Water and Wastewater 7 (2), 167-171.
Li, H., Hu, L., Song, D., Lin, F. (2014). Characteristics of micro‐nano bubbles and potential application in groundwater bioremediation. Water Environment Research, 86(9): 844-851.
Li, P., Karunanidhi, D., Subramani, T., Srinivasamoorthy, K., 2021. Sources and consequences of groundwater contamination. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 80: 1-10.
Majone, M., Verdini, R., Aulenta, F., Rossetti, S., Tandoi, V., Kalogerakis, N., Fava, F., 2015. In situ groundwater and sediment bioremediation: barriers and perspectives at European contaminated sites. New Biotechnology, 32(1): 133-146.
Maldaner, C. H., Munn, J. D., Green, B. A., Warner, S. L., Chapman, S. W., Ashton, A., Parker, B. L. (2021). Quantifying groundwater flow variability in a poorly cemented fractured sandstone aquifer to inform in situ remediation. Journal of Contaminant Hydrology, 241, 103838.
McGregor, R., Zhao, Y., (2021). The in-situ treatment of TCE and PFAS in groundwater within a silty sand aquifer. Remediation Journal, 31(2): 7-17.‏
Mosmeri, H., Alaie, E., Shavandi, M., Dastgheib, S. M. M., Tasharrofi, S., 2017. Bioremediation of benzene from groundwater by calcium peroxide (CaO₂) nanoparticles encapsulated in sodium alginate. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 78, 299-306.
Mosmeri, H., Alaie, E., Shavandi, M., Dastgheib, S. M. M., Tasharrofi, S., 2017. Bioremediation of benzene from groundwater by calcium peroxide (CaO2) nanoparticles encapsulated in sodium alginate. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 78, 299-306.‏
Mosmeri, H., Alaie, E., Shavandi, M., Dastgheib, S. M. M., Tasharrofi, S., 2017. Benzene-contaminated groundwater remediation using calcium peroxide nanoparticles: synthesis and process optimization. Environmental Monitoring and Assessment, 189, 1-14.
Mosmeri, H., Gholami, F., Shavandi, M., Dastgheib, S. M. M., Alaie, E., 2019. Bioremediation of benzene-contaminated groundwater by calcium peroxide (CaO2) nanoparticles: continuous-flow and biodiversity studies. Journal of Hazardous Materials, 371, 183-190.
Perini, B. L. B., Daronch, N. A., Bitencourt, R. L., dos Santos Schneider, A. L., de Andrade, C. J., de Oliveira, D., 2021. Application of immobilized laccase on polyurethane foam for ex-situ polycyclic aromatic hydrocarbons bioremediation. Journal of Polymers and the Environment, 29, 2200-2213.
Qiao, X., Zheng, B., Li, X., Zhao, X., Dionysiou, D. D., Liu, Y., 2021. Influencing factors and health risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in groundwater in China. Journal of Hazardous Materials, 402, 123419.
Shao, S., Guo, X., Gao, C., Liu, H., 2021. Quantitative relationship between the resistivity distribution of the by-product plume and the hydrocarbon degradation in an aged hydrocarbon contaminated site. Journal of Hydrology, 596, 126122.
Sorengard, M., Kleja, D. B., Ahrens, L., 2019. Stabilization of per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) with colloidal activated carbon (PlumeStop®) as a function of soil clay and organic matter content. Journal of Environmental Management, 249, 109345.
Sun, X., Gu, X., Lyu, S., 2021. The performance of chlorobenzene degradation in groundwater: comparison of hydrogen peroxide, nanoscale calcium peroxide and sodium percarbonate activated with ferrous iron. Water Science and Technology, 83(2): 344-357.
Wang, J., Zhang, X., Zhou, X., Waigi, M. G., Gudda, F. O., Zhang, C., Ling, W., 2021. Promoted oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils by dual persulfate/calcium peroxide system. Science of The Total Environment, 758, 143680.
Yang, R., Zeng, G., Xu, Z., Zhou, Z., Huang, J., Fu, R., Lyu, S., 2021. Comparison of naphthalene removal performance using H2O2, sodium percarbonate and calcium peroxide oxidants activated by ferrous ions and degradation mechanism. Chemosphere, 283, 131209.
Yao, M., Bai, J., Chang, Y., Yang, X., Li, F., Zhao, Y.,  2020. Mechanism study of the air migration and flowrate distribution in an aquifer with lenses of different permeabilities during air sparging remediation. Science of The Total Environment, 722, 137844.
هیدروژئولوژی
دوره 9، شماره 1
ناشر
شهریور 1403
صفحه 137-145

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار