حذف سدیم از زه‌آب کشاورزی با استفاده از زغال‌زیستی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران

3 دانشیار ، گروه مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی آب، دانشکدة کشاورزی، دانشگاه لرستان، خرم آباد، ایران

چکیده

زه‌آب مزراع نیشکر در منطقة جنوب غربی ایران، دارای مقادیر بالایی سدیم بوده و به‌عنوان عاملی محدودکننده در استفادة مجدد از این زه‌آب‌ها شناخته می‌شود. در این مطالعه توانایی جاذب‌های تولید شده از باگاس نیشکر در حذف سدیم موجود در زه‌آب این مزارع بررسی شده است. فرآیند تولید زغال‌زیستی در کورة الکتریکی و فعال‌سازی آن با استفاده از هیدرو اکسید پتاسیم و حرارت‌دهی در مایکروویو انجام شده است. از کلرید آهن شش آبه و سولفات آهن هفت آبه با نسبت (2:1) جهت مغناطیسی کردن زغال‌زیستی استفاده شده است. جاذب‌ها به ازای سه نسبت فعال‌‌ساز به زغال‌زیستی (دو، سه و چهار)، سه توان مایکروویو (200، 400 و 700 وات) و سه زمان فعال‌سازی (پنج، 10 و 15 دقیقه) تولید شده‌اند. مقدار سدیم نمونه‌های زه‌آب با استفاده از نیترات سدیم به میزان دو، چهار و هشت گرم بر لیتر تنظیم شده است. طبق نتایج در تمامی تیمارها با افزایش غلظت اولیة سدیم، مقدار حذف افزایش یافته است. حذف سدیم توسط نانو زغال‌زیستی فعال به‌طور میانگین 6/1 برابر زغال‌زیستی غیرنانو فعال بوده است. فرآیند مغناطیسی کردن جاذب‌ها به‌طور میانگین موجب کاهش 20 درصدی حذف سدیم شده است. بیش‌ترین میزان حذف سدیم با استفاده از نانو زغال‌زیستی فعال و نانو زغال‌زیستی فعال مغناطیسی به‌ترتیب 4/61 و 3/58 درصد اندازه‌گیری شده است. این مقادیر بیشینه به ازای تیمار با نسبت زغال‌زیستی به زغال‌زیستی برابر سه، توان مایکروویو برابر 400 وات و مدت زمان فعال‌سازی برابر 10 دقیقه اندازه‌گیری شده‌اند. با توجه به مقادیر ضریب همبستگی و مجموع مربعات خطا، مدل سینتیکی شبه مرتبة اول و مدل نفوذ درون ذره‌ای بیش‌ترین تطابق را با داده‌های اندازه‌گیری شده داشتند. هم‌چنین، مدل هم‌دمای لانگمویر در مقایسه با مدل فروندلیچ تطابق بهتری با داده‌های اندازه‌گیری شده دارد. طبق نتایج، نانو زغال‌زیستی فعال مغناطیسی باگاس نیشکر می‌تواند به‌عنوان جاذبی با راندمان بالا و ارزان قیمت جهت حذف سدیم از محیط‌های آبی استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


References
Abrol, I.P., Yadav, J.S.P., & Massoud, F.I. (1988). Salt-affected soils and their management (Vol. 39). Food & Agriculture Org. https://www.fao.org/4/x5871e/x5871e00.htm
Ahmadpari, H., Noghany, M.E., Ladez, B.R., Mehrparvar, B., & Momeni, S. (2019). Kinetics modeling and isotherms for adsorption of nitrate from aqueous solution by wheat straw. Tecnologia e Ambiente, 25, 203-214. doi:10.18616/ta.v25i0.5301
Ayers, R.S., & Westcot, D.W. (1985). Water quality for agriculture (Vol. 29, p. 174). Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations. https://www.academia.edu/download/94774091/book_rs_ayers_and_wetscot.pdf
Azmi, N.B., Bashir, M.J., Sethupathi, S., Aun, N.C., & Lam, G.C. (2016). Optimization of preparation conditions of sugarcane bagasse activated carbon via microwave-induced KOH activation for stabilized landfill leachate remediation. Environmental Earth Sciences, 75, 1-11. doi:10.1007/s12665-016-5698-y
Breck, D.W., & Breck, D.W. (1973). Zeolite molecular sieves: structure, chemistry, and use. John Wiley & Sons.
Beard, L. R. (1962). Statistical methods in hydrology. Army Engineer District, Sacramento., Book, 378 pages. https://www.google.com/books?hl=en&lr
=&id=dSpkftHynF4C&oi=fnd&pg=PP10&dq=Statistical+Methods+in+Hydrology&ots=By7Po97UsB&sig=NudiyaazMCox4yeTUVK5UYcRrhw
Chowdhury, T., Miah, J., & Banik, B.K. (2022). Low-Cost salinity treatment for drinking purpose using indigenous materials. In advances in civil engineering: select proceedings of ICACE 2020 (pp. 37-44). Springer Singapore. doi:10.1007/978-981-16-5547-0_4
Duan, J., Wilson, F., Graham, N., & Tay, J.H. (2003). Adsorption of humic acid by powdered activated carbon in saline water conditions. Desalination, 151(1), 53-66. doi:10.1016/S0011-9164(02)00972-4
Dudley, L., Ben-Gal, A., & Shani, U. (2006). Influence of plant, soil and water properties on the leaching fraction. In Agronomy Abstracts P (Vol. 25711). https://scisoc.confex.com/crops/
2006am/techprogram/P25711.HTM
Foo, K.Y., & Hameed, B.H. (2010). Insights into the modeling of adsorption isotherm systems. Chemical Engineering Journal, 156(1), 2-10. doi:10.1016/j.cej.2009.09.013
Gasco, G., Mendez, A., & Gasco, J.M. (2005). Preparation of carbon- based adsorbents from sewage sludge pyrolysis to remove metals from water. Desalination, 180, 245-251. doi:10.1016/j.desal.2005.01.006
Ghanbari Adivi, E., Mehrabinia, P., & Kermannezhad, J. (2020). Investigation of Nitrate absorption methods from contaminated waters using biochar. Journal of Water and Sustainable Development, 7(1), 79-90. doi: 10.22067/jwsd.v7i1.81367. [In Persian]
Gupta, B.S., Curran, M., Hasan, S., & Ghosh, T.K. (2009). Adsorption characteristics of Cu and Ni on Irish peat moss. Journal of Environmental Management, 90(2), 954-960. doi:10.1016/j.jenvman.2008.02.012
Hettiarachchi, E., Perera, R., Chandani Perera, A.D. L., & Kottegoda, N. (2016). Activated coconut coir for removal of sodium and magnesium ions from saline water. Desalination and Water Treatment, 57(47), 22341-22352. doi:10.1080/19443994.2015.1129649
Jamil, T.S., Ibrahim, H.S., Abd El-Maksoud, I.H., & El-Wakeel, S.T. (2010). Application of zeolite prepared from Egyptian kaolin for removal of heavy metals: I. Optimum conditions. Desalination, 258(1-3), 34-40. doi:10.1016/j.desal.2010.03.05
Karunanayake, A.G., Todd, O.A., Crowley, M., Ricchetti, L., Pittman Jr, C.U., Anderson, R., Mohan, D., & Mlsna, T. (2018). Lead and cadmium remediation using magnetized and nonmagnetized biochar from Douglas fir. Chemical Engineering Journal331, 480-491. doi:10.1016/j.cej.2017.08.124
Kathiresan, M., & Sivaraj, P. (2016). Preparation and characterization of biodegradable sugarcane bagasse nano reinforcement for polymer composites using ball milling operation. International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 21(5), 428-435. doi:10.1080/1023666X.2016.1168061
Kermannezhad, J., Torabipoodeh, H., Ghanbariadivi, E., & Shahinejad, B. (2024). Chlorine removal from agricultural wastewater using sugarcane bagasse magnetic nano biochar. Water and Soil Management and Modelling4(2), 189-210. doi: 10.22098/mmws.2023.12425.1240. [In Persian]
Kietlinska, A., & Renman, G. (2005). An evaluation of reactive filter media for treating landfill leachate. ChemospHere61(7), 933-940. doi:10.1016/j.chemosphere.2005.03.036
Mehrabinia, P., & Ghanbari-Adivi, E. (2022). Examining nitrate surface absorption method from polluted water using activated carbon of agricultural wastes. Modeling Earth Systems and Environment8(2), 1553-1561.  doi:10.1007/s40808-021-01221-5
Mehrabinia, P., Ghanbari-Adivi, E., Fattahi, R., Samimi, H. A., & Kermanezhad, J. (2021). Nitrate removal from agricultural effluent using sugarcane bagasse active nanosorbent. Journal of Applied Water Engineering and Research10(3), 238-249. doi:10.1080/23249676.2021.1982030
Mehrabinia, P., Ghanbari-Adivi, E., Samimi, H. A., & Fattahi, R. (2022). Phosphate removal from agricultural drainage using biochar. Water Conservation Science and Engineering7(4), 405-417. doi:10.1007/s41101-022-00150-3
Mohammadi Vala, D., Moradi, N., & Moezzi, A. (2023). Effect of nanobiochar on the kinetics and isotherm of cadmium adsorption in calcareous soil. Water and Soil Management and Modelling. doi: 10.22098/mmws.2023.13348.1328
Mousavi, A., Asadi, H., Esfandbod, M. (2010). Ion Exchange efficiency of nitrate removal from water 1- equilibrium sorption isotherms for nitrate on resin purolite a-400. Water and Soil Science, 20(4), 185. https://water-soil.tabrizu.ac.ir/article_1387.html. [in Persian]
Mubarak, N.M., Kundu, A., Sahu, J.N., Abdullah, E.C., & Jayakumar, N.S. (2014). Synthesis of palm oil empty fruit bunch magnetic pyrolytic char impregnating with FeCl3 by microwave heating technique. Biomass and Bioenergy, 61, 265-275. doi:10.1016/j.biombioe.2013.12.021
Nasri, N.S., Zain, H.M., Sidik, H.U., Abdulrahman, A., & Rashid, N.M. (2017). Adsorption Isotherm breakthrough time of acidic and alkaline gases on treated porous synthesized KOH-FeCl 3. 6H 2 O sustainable agro-based material. Chemical Engineering Transactions, 61, 1243-1248. doi:10.3303/CET1761205
Oliveira, E.A., Montanher, S.F., Andrade, A.D., Nobrega, J.A., & Rollemberg, M.C. (2005). Equilibrium studies for the sorption of chromium and nickel from aqueous solutions using raw rice bran. Process Biochemistry, 40(11), 3485-3490. doi:10.1016/j.procbio.2005.02.026
Phuong, D.T.M., & Loc, N.X. (2022). Rice straw biochar and magnetic rice straw biochar for safranin O adsorption from aqueous solution. Water, 14(2), 186. doi:10.3390/w14020186
Ramachandran, P., Vairamuthu, R., & Ponnusamy, S. (2011). Adsorption isotherms, kinetics, thermodynamics and desorption studies of reactive Orange 16 on activated carbon derived from Ananas comosus (L.) carbon. Journal of Engineering and Applied Sciences, 6(11), 15-26. https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=f3a8a37aa3420c6718cc0e9bd649620df11cde95
Rostamian, R., Heidarpour, M., Mousavi, S., & Afyuni, M. (2015). Application of rice husk biochar to desalinate irrigation water. Journal of Water and Soil Science, 19(71), 21-30. https://www.sid.ir/paper/14587/en [In Persian]
Shang, H., Ouyang, T., Yang, F., & Kou, Y. (2003). A biomass-supported Na2CO3 sorbent for flue gas desulfurization. Environmental Science & Technology, 37(11), 2596-2599. doi:10.1021/
es021026o
Singh, P., Garg, S., Satpute, S., & Singh, A. (2017). Use of rice husk ash to lower the sodium adsorption ratio of saline water. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 6(6), 448-458. doi:10.20546/ijcmas.2017.606.052
Tomin, O., & Yazdani, M.R. (2022). Production and characterization of porous magnetic biochar: before and after phosphate adsorption insights. Journal of Porous Materials, 29(3), 849-859. doi:10.1007/s10934-022-01217-1
Wasay, S.A., Barrington, S., & Tokunaga, S. (1999). Efficiency of GAC for treatment of leachate from soil washing process. Water, Air, and Soil Pollution, 116, 449-460. doi:10.1023/A:1005115820429
Wu, J., Huang, D., Liu, X., Meng, J., Tang, C., & Xu, J. (2018). Remediation of As (III) and Cd (II) co-contamination and its mechanism in aqueous systems by a novel calcium-based magnetic biochar. Journal of Hazardous Materials, 348, 10-19. doi:10.1016/j.jhazmat.
2018.01.011
Yang, F., Zhang, S., Sun, Y., Cheng, K., Li, J., & Tsang, D.C. (2018). Fabrication and characterization of hydropHilic corn stalk biochar-supported nanoscale zero-valent iron composites for efficient metal removal. Bioresource Technology, 265, 490-497. doi:10.1016/j.biortech.2018.06.029
Zhan, T., Zhang, Y., Yang, Q., Deng, H., Xu, J., & Hou, W. (2016). Ultrathin layered double hydroxide nanosheets prepared from a water-in-ionic liquid surfactant-free microemulsion for pHospHate removal from aquatic systems. Chemical Engineering Journal, 302, 459-465. doi:10.1016/j.cej.2016.05.073
Zhang, S., Ji, Y., Dang, J., Zhao, J., & Chen, S. (2019). Magnetic apple pomace biochar: Simple preparation, characterization, and application for enriching Ag (I) in effluents. Science of the Total Environment, 668, 115-123. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.02.318