چکیده:
یکی از مشکلات زیستمحیطی دفن زبالهها، غلبه بر حجم بالای شیرابهای است که همزمان و پس از دفن زباله در نتیجه رطوبت اولیه زباله و همچنین نفوذ بارندگی در محل دفن بوجود میآید. از آلایندههای مهم موجود در شیرابه، فلزات سنگین محلول در آن میباشند. کادمیم از جمله این فلزات است که در نتیجهی آزاد شدن یون کادمیم از زبالههای کادمیمدار وارد شیرابه میشود. آبهای اسیدی حاصل از نزولات جوی، میتوانند عناصر موجود در زباله را حل کرده و با نفوذ به سفرههای آبزیرزمینی، سبب آلودگی آنها گردند. آبهای زیرزمینی آلوده به فلزات سنگین نیز، دارای پتانسیل ایجاد خطر برای سلامتی انسان هستند. جهت تثبیت و نگهداری کادمیم در پی لاینرهای رسی لندفیل، معمولاً از خاکهای رسی که دارای مکانهای جذبی فراوان بوده و باعث کاهش نفوذ آن به لایههای پایین و آبهای زیرزمینی میشوند، استفاده میشود. در این تحقیق خاکهای مورد مطالعه از سه منطقه فاقد آلودگی تهیه و آنالیزهای فیزیکو شیمیایی و مکانیکی خاکها برای آنها انجام شد. بمنظور ارزیابی پتانسیل جذبی خاکها، مطالعات جذب و واجذب کادمیم، براساس تکنیکهای بچ (Batch) بررسی شده و سپس نمونه خاک 1 به عنوان نمونه مناسب شناخته شده و آزمونهای جذب و انتشار مولکولی برای تعیین ضرایب انتشار و تأخیری بر روی این خاک انجام شد. همدماهای جذبی کادمیم در خاک منطقه، مورد مطالعه قرار گرفته و با دو معادله پرکاربرد فروندلیچ و لانگمویر برازش داده شدند. بر اساس ضرایب رگرسیون (R2) دادههای آزمایشگاهی برازش داده شده با معادلات، هر دو مدل تطابق خوبی با معادلات نشان دادند. بر طبق پارامترهای جذبی معادلات، خاک منطقه دارای بیشترین ظرفیت جذب برای یون کادمیم بود اما در تیمارهای لئوناردیت، کاهش شیب همدماهای جذبی و همچنین ظرفیت جذب مشاهده شد. این حالت به دلیل کاهش مقدار کانیهای رسی و آهک و همچنین کاهش pH به دلیل افزودن درصدهای مختلف لئوناردیتی با pHی اسیدی، در تیمارها حاصل شده است. نتایج آزمایش انتشار نشان داد، غلظت کادمیم در محلول منبع بالای ستون انتشار، با گذشت زمان کاهش یافت. این کاهش در خاک منطقه که فاقد لئوناردیت بود، بسیار سریعتر اتفاق افتاد. این امر به دلیل قدرت بالای خاک منطقه در مقایسه با تیمار با سطوح مختلف لئوناردیت، در جذب کادمیم در روزهای ابتدایی آزمایش و تأثیر آهسته لئوناردیت در روند جذب در طول دوره آزمایش می تواند باشد. نتایج نشان داد خاک مورد مطالعه دارای ضریب انتشار ظاهری cm2/s 8-10×74/1 برای خاک منطقه و محدوده 8-10×87/1 تا cm2/s 8-10×3/2 برای تیمارهای مختلف با لئوناردیت است. خاک منطقه به دلیل مقادیر بالای رس، چسبندگی بهتری در حالت متراکم ایجاد کرده و در نتیجه آن تخلخل کاهش یافته و چگالی ظاهری افزایش یافت. این فاکتورها باعث شد تا محلول منبع در طول 72 روز آزمایش، در مورد ستون خاک منطقه مورد مطالعه، نتواند بیشتر از cm6 نفوذ داشته باشد و در نتیجه ضریب انتشار ظاهری در کمترین مقدار در مقایسه با تیمار با لئوناردیت، نمایان شود. مدلسازی با این ضرایب، تأکیدی بر این نتایج بود و نشان داد در طی دورههای زمانی 1 تا 1000 سال، خاک منطقه مورد مطالعه، کمترین یون کادمیم را به آبخوان انتقال داده است.
فهرست مطالب
فصل اول : مقدمه و کلیات
1-1- مقدمه. 1
1-2- طرح مسئله. 2
1-3- هدف و راهکارها 3
1-4- موقعیت منطقه مورد مطالعه. 3
1-5- ساختار پایان نامه. 5
فصل دوم : مفاهیم و بررسی منابع
2-1- مقدمه. 6
2-2- ساختار لندفیل. 6
2-2-1- لایههای مانع انتقال آلودگی 10
2-2-1-1- سیستمهای تک لاینری (SLS) 11
2-2-1-2- سیستم لاینرهای کامپوزیت (CLS) 11
2-2-1-3- سیستمهای لاینری دوتایی(DLS) 11
2-2-2- مواد درزگیر. 12
2-2-2-1- لاینرهای رسی متراکم (CCL) 12
2-2-2-2- لاینرهای معدنی متناوب (AML) 13
2-2-2-3- لاینرهای رسی-مصنوعی (GCL) 13
2-2-2-4- لاینرهای آسفالتی (AL) 13
2-3- شیرابه. 13
2-4- کانیهای رسی. 17
2-1-1- کانیشناسی از طریق روش XRD 18
2-4-1-1- کائولینیت 20
2-4-1-2- اسمکتیت 21
2-4-1-3- ایلیت 22
2-4-1-4- کلریت 22
2-4-2- توانایی جایگزینی یونی. 23
2-4-3- ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) 23
2-4-4- مکانیسم فعل و انفعالات 24
2-5- پدیده جذب در خاک 26
2-5-1- همدمای جذب سطحی. 28
2-5-2- مدلهای جذب سطحی مبتنی بر تعادل. 30
2-5-2-1- معادله فروندلیچ. 30
2-5-2-2- معادله لانگمویر. 31
2-5-3- واجذب 32
2-5-4- مواد آلی. 32
2-5-4-1- کانی لئوناردیت 35
2-5-4-2- کاربردهای زیستمحیطی لئوناردیت 36
2-6- رفتار فلزات در خاک 36
2-7- شیمی محلول خاک 37
2-8- خواص خاک مؤثر در جذب فلزات 40
2-8-1- اثر کاتیونهای رقیب 41
2-8-2- اثر تشکیل کمپلکس. 41
2-8-3- اثر pH 43
2-8-4- اثر پتانسیل ردوکس (اکسایش-کاهش) 44
2-9- اثرات زیستمحیطی آلودگی کادمیم بر موجودات زنده 45
2-9-1- مکانیسمهای اثر. 46
2-9-1-1- مکانیسم اثر در گیاهان. 46
2-9-1-2- مکانیسم اثر در جانوران. 47
2-9-1-3- مکانیسم اثر در انسان. 48
2-10- رفتار کادمیم در خاک 49
2-11- مکانیسمهای انتقال مایعات 49
2-11-1- جریان فرارفت 50
2-11-2- جریان انتشار 51
فصل سوم : مواد و روشها
3-1- مقدمه. 56
3-2- آزمایشهای شیمی خاک 56
3-2-1- ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC)(روش استات سدیم) 56
3-2-2- اندازه گیری pH خاک (روش CaCl2) 57
3-2-3- مواد آلی (کربن آلی) 57
3-2-4- کربنات کلسیم معادل (آهک) (CCE) 57
3-3- آزمایشات مکانیک خاک 58
3-3-1- آزمایش دانهبندی 58
3-3-1-1- دانهبندی با الک ( برای ذراتی با قطر بزرگتر از mm075/0) 58
3-3-1-2- هیدرومتری به روش بایوکاس (برای ذراتی با قطرکمتر از mm075/0) 59
3-3-1-3- هیدرومتری به روش ASTM 59
3-3-2- آزمایش حدود اتربرگ 60
3-3-3- آزمایش چگالی ویژه 63
3-3-4- آزمایش تراکم. 63
3-4- آزمایش کانیشناسی (XRD) 64
3-4-1- تیمارهای مقدماتی. 64
3-4-1-1- حذف کربنات کلسیم (CaCO3) 64
3-4-1-2- حذف مواد آلی. 65
3-4-1-3- حذف اکسیدهای آهن آزاد. 65
3-4-2- جداسازی بخش رس 65
3-4-3- اشباع کمپلکس تبادلی. 66
3-4-3-1- اشباع با منیزیم. 66
3-4-3-2- تیمار با گلیسرول. 66
3-4-3-3- اشباع با پتاسیم. 66
3-4-4- تهیه اسلایدها 67
3-5- مشخصات لئوناردیت مصرفی. 67
3-6- آزمایشات جذب 68
3-6-1-1- تهیه محلول کادمیم برای آزمایش جذب انتخاب نمونه مناسب 68
3-6-1-2- تهیه محلول کادمیم برای آزمایش جذب تیمارهای مختلف لئوناردیت 68
3-7- آزمایش انتشار مولکولی. 69
3-7-1- تهیه ستونهای انتشار (مدل لاینری) 69
3-7-1-1- تهیه محلول کادمیم. 69
3-7-1-2- آماده سازی خاک مورد استفاده در ستون انتشار 70
3-7-1-3- اضافه کردن محلول آلاینده به ستونها 70
3-7-2- نحوه نمونهبرداری از محلول آلاینده 70
3-7-3- نحوه خارج کردن ستونها از قالب و قطعهبندی 71
3-7-4- دستگاه بادی استحصال آب منفذی از خاک 71
3-7-5- معرفی نرمافزار POLLUTE.V7. 75
3-7-6- معرفی نرمافزار Sigma Plot.V12. 76
3-1- مدلسازی انتقال کادمیم از طریق لندفیل به آبخوان زیرین. 77
فصل چهارم : نتایج و بحث
4-1- مقدمه. 78
4-2- انتخاب نمونه مناسب 78
4-2-1- خصوصیات خاک 78
4-2-2- ویژگیهای جذبی کادمیم 81
4-3- کانیشناسی. 85
4-4- طبقه بندی خاک مورد مطالعه در سیستم یونیفاید. 86
4-5- خصوصیات مکانیکی خاک مختلط با سطوح مختلف لئوناردیت 87
4-6- برآورد ضرایب جذبی خاک در مقایسه با تیمارهای مختلف لئوناردیت 90
4-6-1- محاسبه ضریب تفکیکپذیری در شرایط غیر تراکمی. 96
4-7- انتشار مولکولی. 97
4-7-1- محاسبه ضریب تأخیری ® 104
4-7-2- محاسبه ضریب تفکیکپذیری در حالت متراکم. 104
4-8- مدلسازی تحرک کادمیم در لاینر. 105
فصل پنجم : نتیجهگیری و پیشنهادات
5-1- نتیجهگیری 109
5-2- پیشنهادات 111
منابع . 112
فهرست جداول
جدول 1‑1: منابع زبالههای کادمیمدار 1
جدول 2‑1: فهرست مواد خطرناک در آزمایش TCLP. 14
جدول 2‑2: گونههای شیمیایی موجود در شیرابه طبق تحقیقات مختلف 16
جدول 2‑3: خصوصیات برخی از کانیهای رسی. 24
جدول 2‑4: آفینیته نسبی فلزات در خاک و اجزای سازنده آن. 39
جدول 3‑1: مختصات جغرافیایی محل نمونهبرداری 56
جدول 3‑2: مشخصات آزمایش پراکتور استاندارد. 64
جدول 3‑3: مشخصات لئوناردیت مورد استفاده 67
جدول 4‑1: خصوصیات فیزیکوشیمیایی نمونه خاکهای مورد مطالعه. 78
جدول 4‑2: خصوصیات مکانیکی نمونههای خاک 79
جدول 4‑3: پارامترهای جذبی فروندلیچ و لانگمویر. 84
جدول 4‑4: خصوصیات مکانیکی نمونههای خاک 88
جدول 4‑5: غلظت تعادلی و مقدار ماده جذب شونده خاک و تیمارهای مختلف لئوناردیت 90
جدول 4‑6: پارامترهای جذبی فروندلیچ و لانگمویر. 96
جدول 4‑7: ضریب تفکیکپذیری نمونههای مورد مطالعه و فاکتورهای وابسته به آن در محاسبات 97
جدول 4‑8: فاکتور تأخیری و پارامترهای مؤثر در محاسبه آن. 104
جدول 4‑9: ضریب تفکیکپذیری کادمیم در ستونهای انتشار 105
جدول 4‑10: پارامترهای ورودی به نرمافزار Pollute. 106
جدول 4‑11: غلظت کادمیم موجود در آبخوان با لاینری متشکل از خاک نمونههای مورد مطالعه. 107