استفاده از سیمان و زئولیت در افزایش ظرفیت بافرینگ موانع نفوذپذیر و واکنش­زا

نوع: Type: پایان نامه

مقطع: Segment: کارشناسی ارشد

عنوان: Title: استفاده از سیمان و زئولیت در افزایش ظرفیت بافرینگ موانع نفوذپذیر و واکنش­زا

ارائه دهنده: Provider: الهام دارائی

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر وحیدرضا اوحدی

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر محمد ملکی دکتر عباس قدیمی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 26 اسفند ساعت 30/11

مکان ارائه: Place of presentation:

چکیده: Abstract: آب زیرزمینی مهم‌ترین منبع تأمین آب شرب جوامع بشری است. عدم کنترل و مدیریت صحیح شیرابه و همچنین آلاینده‌های صنعتی، شهری، و کشاورزی سبب آلودگی محیط‌زیست و آب‌های زیرزمینی به آلاینده‌های آلی، معدنی، فلزات سنگین و آلاینده‌های شیمیایی خطرناک می‌شوند. تصفیه درجا آب‌های زیرزمینی یکی از اقتصادی‌ترین روش‌ها برای حذف آلاینده‌ها از آب زیرزمینی است. موانع نفوذپذیر واکنش‌زا (Permeable Reactive Barrier- PRB) اصلی‌ترین روش تصفیه درجای آب‌های زیرزمینی هستند که با استفاده از مواد واکنش‌زا و یا جاذب مختلف پر می‌شوند و در زیر سطح زمین در مسیر آب زیرزمینی قرار می‌گیرند. زئولیت¬های طبیعی یکی از مواد کم هزینه¬ای هستند که اغلب به عنوان مواد PRB برای از بین بردن آلاینده¬ها از آب¬های زیرزمینی استفاده می¬شوند. زئولیت¬ها به دلیل طبیعت متخلخل و مؤثر بودن در جذب انواع آلاینده¬ها از قبیل فلزات سنگین مورد توجه قرار گرفته¬‌اند که اغلب باعث آزاد شدن کاتیون-های قابل تعویض غیرسمی (Mg2+، Ca2+، Na+ و K+) به محیط ‌زیست می¬شوند. همچنین استفاده از فرآیند تثبیت و جامدسازی در موانع نفوذپذیر واکنش‌زا موجب پایدارسازی فیزیکی و شیمیایی مواد آلی در طولانی مدت و تبدیل آن‌ها به یک ماده مهندسی مناسب شده و امکان استفاده مجدد از آب زیرزمینی را فراهم می‌کند. در میان مواد تثبیت کننده، سیمان پرتلند معمولی به‌علت در دسترس بودن، قیمت مناسب و سازگاری با بسیاری از آلاینده‌ها پرمصرف‌ترین و رایج‌ترین ماده تثبیت‌کننده در پروژه‌های جامدسازی/تثبیت بوده است. با وجود تحقیقات وسیعی که در زمینه تثبیت و جامدسازی پایه سیمانی و نیز رفتار ژئوتکنیک زیست محیطی PRB ها صورت گرفته است در خصوص استفاده از سیمان در افزایش قابلیت بازدهی موانع نفوذپذیر واکنش‌زا تحقیقات بسیار محدودی انجام شده است. بر این اساس هدف اصلی این پژوهش ارزیابی مکانیزم استفاده از سیمان و زئولیت در افزایش ظرفیت بافرینگ موانع نفوذپذیر واکنش‌زا (PRB) است. برای این منظور ظرفیت بافرینگ، نگهداشت آلاینده فلز سنگین، گیرش در شرایط اشباع برای نمونه‌های زئولیت حاوی غلظت‌های مختلف آلاینده فلز سنگین و درصدهای مختلف سیمان مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفت. در این تحقیق بر اساس مرور مقالات علمی، یک سلول آزمایش PRB طراحی و ساخته شد که در انجام آزمایش ستون از آن استفاده شده است. همچنین با انجام یکسری آزمایشات اشعه ایکس مکانیزم‌های غالب در فرایند اندرکنش زئولیت-آلاینده فلز سنگین-سیمان از منظر ریزساختاری مورد ارزیابی و بحث و بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق برای ظرفیت بافرینگ و میزان نگهداری فلز سنگین به‌وسیله زئولیت اصلاح شده با درصدهای مختلف سیمان و همچنین تغییرات pH محیط با حضور آلاینده فلز سنگین نشان می‌دهد که ظرفیت تبادل کاتیونی، کربنات و واکنش‌های پوزولانی سیمان و زئولیت تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت بافرینگ و میزان نگهداری فلز سنگین دارند. براین اساس با افزایش درصد سیمان، pH محیط و میزان جذب و نگهداری آلاینده فلز سنگین به دلیل تشکیل ترکیبات هیدراته سیمان (CSH و CAH) و تشکیل آهک هیدراته )(Ca(OH2) افزایش‌ می‌یابد. بر اساس نتایج تحقیق حاضر به نظر می‌رسد که علت تغییرات گیرش نمونه در کوتاه مدت را می¬توان به واکنش‌های پوزولانی سیمان و تشکیل CSHهای چسباننده ناشی از هیدراسیون سیمان و در بلند مدت به علت غنی بودن زئولیت از آلومینوسیلیکات و اثر غالب آن بر نقش سیمان نسبت داد. بطوری‌که در بلند مدت به علت غالب شدن نقش زئولیت، تأخیر و یا عدم گیرش نمونه‌‌ها مشاهده شده است. بنابراین، با توجه به تأثیر رسوب فلز سنگین در تأخیر هیدراسیون سیمان، افزایش زمان ‌¬استقرار زئولیت آلوده را می-توان انتظار داشت. نتایج اخذ شده از آزمایش ستون موانع نفوذپذیر نشان می‌دهد که میزان جذب آلاینده در آن بیشتر از آزمایش‌های تعادل سوسپانسیون (Bach)‌ است. دلیل این موضوع را می‌توان به امکان گسترش واکنش‌های پوزولانی در نمونه‌های واقع در سلول آزمایش نسبت داد. در واقع در آزمایش تعادل سوسپانسیون از آنجا که نسبت آب به خاک زیاد است فرآیند جامدسازی انجام نمی¬شود. در حالی¬که در موانع نفوذپذیر واکنش‌زا علاوه بر افزایش pH و انجام واکنش‌های پوزولانی فرآیند تثبیت و جامدسازی باعث افزایش جذب می¬شود. براین اساس برای ارزیابی عملکرد موانع نفوذپذیر واکنش¬زا، انجام آزمایش¬های تعادل سوسپانسیون (Bach) معیاری مناسب برای تعیین میزان جذب آلاینده نمی‌باشد. بر اساس نتایج آزمایشات پراش پرتو ایکس الگوی نگهداری آلاینده در نمونه‌های زئولیت حاوی 2، 4، و 6 درصد سیمان متفاوت است. بطوری‌که در نمونه‌های زئولیت آلوده شده و اصلاح شده با 2 درصد سیمان، حل شدگی قله اصلی نظیر کانی کلینوپتیلولیت فرایند غالب اندرکنش است. در حالی‌که با افزایش درصد سیمان، مکانیزم رسوب به عنوان مکانیزم اصلی نگهداری آلاینده عمل کرده‌است. با افزایش سیمان به 6 درصد بر اساس نتایج این تحقیق مکانیزم غالب نگهداری آلاینده به صورت جامدسازی بوده است. به‌طور کلی، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از سیمان و زئولیت در موانع نفوذپذیر واکنش‌زا، سبب افزایش ظرفیت بافرینگ و افزایش جذب و نگهداری آلاینده فلز سنگین سرب می‌شود. بر اساس آزمایش‌های صورت گرفته در این تحقیق در شرایط آزمایشگاهی ستون موانع نفوذپذیر واکنش‎‌زا ، درصد بهینه سیمان 6% است؛ که در این درصد سیمان، همه‌ مکانیزم‌های نگهداری بدون گیرش در آن صورت می‌گیرد. واژه¬های کلیدی: زئولیت، سیمان، موانع نفوذپذیر واکنش‌زا، PRB، هیدراسیون، جذب، جامدسازی، pH