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