امیررضا گودرزی
-
نشریه تحقیقات منابع طبیعی تجدید شونده، سال پانزدهم شماره 1 (پیاپی 41، بهار و تابستان 1403)، صص 91 -103
تخصیص منابع آب سطحی به عنوان یک راه حل برای مقابله با تنش آبی به ویژه در نواحی کم بارش تلقی می شود، اما وجود عدم قطعیت بالا و همچنین کمبود آب، این تخصیص را همواره دچار مشکل ساخته و این موضوع به یکی از مشکلات اصلی حکمرانی در نواحی کم بارش جهان تبدیل شده است. از این رو، در این پژوهش یک مدل برنامه ریزی احتمالی فازی بازه ای برای تخصیص منابع آب سطحی با در نظر گرفتن عوامل بوم شناختی و کمبود آب طراحی شد. بدین منظور، پس از تجزیه و تحلیل و اعتبارسنجی مدل، تحلیل حساسیت پارامتری بر عوامل بوم شناختی و اقتصادی در سیمینه رود که از رودخانه های مهم حوضه آبریز دریاچه ارومیه است، انجام شد. نتایج نشان داد افزایش 10 تا 50 درصدی کمبود آب به افت مقادیر توابع هدف منجر شد. همچنین، افزایش 50 درصدی ضریب تولید آلایندگی منجر به کاهش همه اهداف اقتصادی و بوم شناختی از 5/2 تا 5/3 درصد و افزایش 50 درصدی حذف آلاینده ها نیز به بهبود دو تا سه درصدی اهداف اقتصادی منجر شد. به طور کلی، می توان اذعان داشت کمبود آب از پیامدهای آلودگی این منبع حیاتی محسوب شده و بدین سبب بخش قابل توجهی از منابع آبی از چرخه تخصیص کنار گذاشته می شوند، این در حالی است که با افزایش 100 درصدی عدم قطعیت، هدف بوم شناختی تا 7/2 درصد دچار افت و سایر اهداف نیز در بازه 5/1 تا 0/2 درصد دچار تغییر شدند. نظر به اینکه در نظر گرفتن متغیرهای کمبود آب کارکردی و آلودگی آب نیز می تواند در خروجی مدل تاثیرگذار بوده و پاسخ های قابل اطمینان تری را ارایه دهد، بنابراین نسبت به لحاظ کردن این دو عامل در پژوهش های آتی توصیه می شود.
کلید واژگان: هینه سازی پویای بازه ای فازی, تخصیص منابع آب, فرآیندهای بوم شناختی, کمبود آبAllocation of surface water resources is considered as a solution to deal with water stress, especially in low rainfall areas, but the existence of high uncertainty as well as the lack of water. This allocation has always caused problems and this issue has become one of the main problems of governance in low rainfall areas of the world. Hence, in this research, a fuzzy interval probabilistic planning model was designed for the allocation of surface water resources by considering ecological factors and water scarcity. In so doing, after analyzing and validating the model, parametric sensitivity analysis was performed on the ecological and economic factors in the Simineh River, which is one of the important rivers of the Urmia Lake catchment. The results showed that an increase of 10 to 50 percent of water shortage led to a drop in the values of the objective functions. Also, a 50% increase in the pollution production rate has led to a decrease in all economic and ecological goals from 2.5 to 3.5%, and a 50% increase in the removal of pollutants has also led to a 2-3% improvement in economic goals. In conclusion, it can be argued that the water scarcity is one of the consequences of the pollution of this crucial resource, and for this reason, a significant part of water resources are left out of the allocation cycle. With a 100% increase in uncertainty, the ecological goal has dropped by 2.7% and other goals have changed in the range of 1.5% to 2.0%. Considering the variables of water scarcity and water pollution can also affect the output of the developed model and provide more reliable answers, therefore, it is recommended to consider these two factors in future studies.
Keywords: Ecological Processes, Fuzzy Interval Dynamic Optimization, Water Resources Allocation, Water Scarcity -
در تحقیق حاضر بازده نوعی ژئوپلیمر بر پایه سرباره فولادسازی (SGP) و ترکیب آن با میکرو ذرات زئولیت (SGPZ)، نسبت به سیمان (به عنوان افزودنی سنتی) در افزایش تاب آوری فرآیند تثبیت و جامدسازی (S/S) خاک آلوده به فلز سنگین بررسی شد. بدین منظور درصدهای متفاوت SGP، SGPZ، و سیمان جداگانه به نمونه های حاوی غلظت مختلف سرب (Pb) اضافه و پس از عمل آوری، با شبیه سازی آزمایشگاهی پاسخ محصولات S/S طی 25، 50، 75 و 100 سال مجاورت در برابر باران اسیدی همزمان با چرخه تر و خشک مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخص شد در حالیکه افزودن مقادیر اندک سیمان به خاک می تواند دسترسی زیستی آلودگی را به شدت کاهش دهد؛ اما تماس نمونه با محیط مهاجم به ویژه در حضور مقادیر زیاد Pb، سبب زوال ساز و کارهای S/S و در نتیجه امکان باز انتشار گسترده و مهاجرت یون های سمی به اطراف خواهد شد. در این حالت، تامین آستانه مجاز میزان آبشویی آلودگی (mg/L 5 ≥) نیازمند مصرف زیاد سیمان است. در مقابل، استفاده از هم بندکننده های غیرسیمانی مورد مطالعه (به ویژه SGPZ)، تاثیر منفی تغییرات محیطی بر تحرک مجدد آلاینده را بطور قابل ملاحظه ای محدود می نماید. بنحویکه در شرایط مشابه، مشخصات مکانیکی این سری از نمونه ها بعضا تا 5/3 برابر بیشتر از خاک اصلاح شده با سیمان بدست آمد. علت این تفاوت رفتارها با استناد به آنالیزهای ریزساختاری، کاهش اندرکنش نامطلوب آلاینده-افزودنی، شدت بخشی سطح واکنش های هیدراسیون، تشکیل فازهای ثانویه هیدراته مرکب و ایجاد شبکه سه بعدی از محصورشدگی در سیستم حاوی ژئوپلیمر ارزیابی شد. در مجموع بر اساس نتایج حاصل، استفاده از ژئوپلیمر (خصوصا حاوی زئولیت)، به عنوان یک گزینه موثر و دوستدار محیط زیست برای بهسازی پایدار خاک حتی با مقادیر بسیار زیاد آلاینده پیشنهاد می شود. با رعایت استانداردهای USEPA و UKAE برای نیل به پالایش ایمن، میزان بهینه ژئوپلیمر تقریبا mg/g.soil 6 به ازای یک گرم بر کیلوگرم فلز سنگین در نمونه تعیین گردید.
کلید واژگان: خاک آلوده, فرآیند S, S, محیط مهاجم, هم بندکننده ژئوپلیمری, بهبود ریزساختار, افزایش پایاییThe cement-based stabilization/solidification (S/S) method is widely used in modifying soils polluted by heavy metals (HMs), although it may face technical, economic, and environmental limitations. Therefore, the present work was designed to investigate the effectiveness of a type of geopolymer based on the steel slag (SGP) and its combination with microparticles of zeolite (SGPZ), compared to cement (as a traditional additive), in enhancing the stability of S/S products. In so doing, different percentages (0 to 250 mg/g-soil) of SGP, SGPZ, and sole cement were separately added to the S/S samples containing different concentrations of lead (including 5000, 10000, 20000 and 40000 mg/kg-soil). After adequate curing (up to 28 days), a set of macro and micro scale experiments were performed to assess the long-term performance of the amended soil samples using a laboratory accelerated aging procedure that simulated 25, 50, 75 and 100 years of exposure to the acid rain and wet and dry (W-D) cycles in the field. It was found that, while low amounts of cement (PC) would greatly reduce the initial bioavailability of pollution in the pore fluid of soil, increasing the contact time of the PC-treated specimens upon harsh conditions, especially in the presence of high level of Pb, would dramatically diminish the efficiency of the precipitation mechanism as well as the degree of encapsulation process which play a significant role in increasing the ability of S/S sample to release the toxic ions stabilized/solidified previously. At simulated 100 years, the toxicity characteristic leaching procedure leached Pb from the PC-treated sample with 250 mg/g-soil binder would exceed the permitted threshold of pollution leaching (≥ 5 mg/L) by 508%, indicating that meeting the S/S regulation limits requires a large consumption of cement. The study showed that, unlike treatment conditions with the same level of PC, the use of novel cement-free S/S binders (especially SGPZ) would significantly limit the negative influences of the environmental changes on HM remobilization risks. In addition, the mechanical characteristics of those series of samples were sometimes up to 1.4 times higher than that of the soil modified with cement alone. Based on the X-ray diffraction (XRD) patterns and scanning electron microscope (SEM) images, this enhancement can be mainly due to i) reduction in the adverse HM-binder interactions, ii) intensification in the level of hydration reactions, iii) formation of secondary complex hydrated phases (e.g., Hydrotalcite: Mg6Al2CO3(OH)16.4H2O), and iv) creation of a three-dimensional network of solidification in the system containing geopolymer, wrapping the matrix of S/S products against the structure disintegration upon contact to the aggressive environments. Therefore, under the destroying impacts of acid attack and W-D scenario, adding 25% SGPZ composite could pass the S/S regulation limits. In general, based on the obtained results, the use of geopolymer (especially containing zeolite) is suggested as an effective and environmentally friendly alternative for sustainable soil improvement, even with the high contents of HM ions. Following the USEPA and UKAE standards to achieve the safe S/S performance, the optimal dosage of GP binder was determined to be approximately 6 mg/g-soil per 1 g/kg of lead in the sample.
Keywords: Contaminated soil, S, S process, harsh condition, geopolymer, enhanced durability -
بازیابی عمق نوری ریزگردها با استفاده از تصاویر ماهواره لندست 8 - مطالعه موردی: شهر تامنراست، الجزایر
محصولات عمق نوری ریزگرد اتمسفری (AOD) مبتنی بر ماهواره های در حال گردش مانند MODIS، VIIRS و NOAA می توانند توزیع روزانه AOD جهانی و منطقه ای را ارائه دهند. کاربرد آنها برای نظارت بر کیفیت هوا در مقیاس های محلی مانند محیط های شهری به دلیل قدرت تفکیک مکانی پایین آنها محدود است. اخیرا، علاقه فزاینده ای به بازیابی محصولات AOD بر اساس تصاویر نوری با قدرت تفکیک بالا شکل گرفته است. هدف اصلی این پژوهش، ارزیابی بازیابی AOD در مناطق شهری با استفاده از تصاویر ماهواره ای با قدرت تفکیک مکانی بالا است. با فرض سطح لامبرتی، اصل بازیابی AOD توسعه یافته بر اساس تئوری انتقال تابشی با استفاده از معادله Tanré می باشد. برای حل معادله انتقال تابشی، مطالعه حاضر مدل انتقال تابشی شبیه سازی دوم سیگنال ماهواره ای در طیف خورشیدی (6S) را اتخاذ و یک جدول جستجو را با فرض یک مدل ریزگرد قاره ای ساخت. بازتاب سطح زمین در کل دوره مطالعه با استفاده از Landsat 8 OLI برای دوره 2016-2015 تنوع بسیار کمی به صورت ماهانه نشان داد. بازیابی AOD با مقایسه بازتاب TOA اندازه گیری شده و شبیه سازی شده انجام گرفت. اعتبارسنجی با استفاده از یک سایت زمینی مستقر در پشت بام مرکز منطقه ای هواشناسی با نام Tamanrasset_INM واقع در منطقه تامنراست، الجزایر انجام شد. اعتبارسنجی نشان می دهد که روش بازیابی AOD منجر به خطای استاندارد 0.1068 می شود و با برابر با 70.9% همبستگی خوبی نشان می دهد.
کلید واژگان: عمق نوری ریزگرد, مناطق شهری, مناطق خشک و نیمه خشک, شهر تامنراست الجزایر, Landsat-8IntroductionAtmospheric aerosols are a colloid of solid particles or liquid droplets suspended in the atmosphere. Their diameter is between 10-2 to 10-3 micrometers. They directly and indirectly affect the global climate by absorbing and scattering solar radiation, and they also have a serious impact on human health by emitting harmful substances. In addition, high concentrations of aerosols on a local scale due to natural or human activities have adverse effects on human health, including cancers, pulmonary inflammation, and cardiopulmonary mortality. Monitoring the temporal and spatial variability of high concentrations of aerosols requires regular measurement of their optical properties such as aerosol optical depth (AOD).
Materials & MethodsAlgeria is a large country with little knowledge of the spatial and temporal diversity of AOD, and the low spatial resolution of existing products makes it very difficult to predict aerosols (airborne particles) at the local scale, especially in arid southern regions. As a result, AOD recovery with data with higher spatial resolution is crucial for determining air pollution and air quality information. Several AERONET stations have been installed in Algeria. The Tamanrasset_INM station has been selected based on its location and the availability of historical AOD data for the period (2015-2016).
In this study, Landsat-8 / OLI image from tile 192/44 was used for satellite images. To this end, 23 TOA-corrected L1G-level Landsat-8 / OLI cloudless scenes were downloaded from January 2015 to December 2016 in the study area. DN values are converted to TOA reflections using the scaling factor coefficients in the OLI Landsat-8 metadata file. In this study, the minimum monthly reflectance technique was used to recover AOD in this area. As a result, LSR images were used in the recovery process in different months of 2015 and 2016. The process of selecting reference LSRs was initially based on the selection of clear, foggy / cloudless sky images. The selected images were then used to construct artificial images in which each pixel corresponds to the second lowest surface reflection of all selected monthly images to be the LSR pixel for the respective month. The AOD retrieval method developed in this study is based on a LUT, using the 6S radiative transfer model. The advantage of using the 6S model is its ability to estimate direct components and scattering using a limited number of inputs for each spectral band in the entire solar domain. The effect of the viewing angle is limited because Landsat data are usually obtained with a fixed viewing angle. Surface reflectance can be estimated from a pre-calculated LSR database. The accuracy of AOD recovery depends on the use of the appropriate aerosol model. A continental model was selected from the available aerosol models. Other atmospheric parameters such as ozone, carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor are considered by default. The AOD values used to make LUT are set as follows: 0.0, 0.05, 0.1, 1.5, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2 and 1.5. The zenith angles of the sun and the sensor range from 0 to 70 degrees with a step of 5 degrees and the range of azimuth angles from 0 to 180 degrees with a step of 12 degrees. Using these parameters, the radiative transfer equation was run in forward to obtain the TOA reflection. Different combinations of input and TOA output parameters are stored in LUT. AOD retrieval is based on a comparison between the TOAs estimated with the model and the observed items using the best fit approach. Using such an approach, the estimated AODs are simulated in accordance with those used in the production of TOAs, using a competency function that minimizes the distance.Results & DiscussionIn this study, the AODs recovered at 550 nm in a 5-by-5-pixel window around the AERONET site were averaged. The considered AERONET values are the average of all measurements taken within ± 30 minutes of image acquisition time. Observation regression results (AOD from Landsat 8 images and AERONET stations) showed that the correlation coefficient is about 84%. This study shows a good fit of the model on the research data and shows the high capability of the model. This study showed a strong recovery of AOD against AERONET data of more than 70% at . The differences can be attributed to a limited number of points or hypotheses related to the aerosol model used in this study. The assumption of using a pre-calculated LSR does not limit the accuracy of this method because we have shown that in arid regions where the change in land cover in different months of the year is small, a pre-calculated LSR image can be representation used the share of surface reflection in the radiative transfer model throughout the month.
ConclusionIn this study, an AOD derived from a high-resolution satellite at an urban scale was produced in the city of Tamanrasset, Algeria. The developed method assumes that the change in land cover is minimal and the temporal change in LSR is not significant. A pre-calculated LSR image is created to show the surface reflection in the retrieval process. Based on the 6S radiative transfer model, an LUT was constructed to simulate the TOA reflection of the built-in LSRs and a set of geometric and atmospheric parameters. The retrieved AODs were compared with the AERONET ground data. The results show that this approach can achieve reasonable accuracy in AOD recovery, which reaches about 70.9% at . In addition, this approach is suitable for estimating AOD in urban areas compared to existing AOD products with low spatial resolution. The results of this study show a 4% improvement compared to the results of Omari et al. (2019). The results of this study showed that ignoring the monthly changes in LSR values leads to good results in AOD recovery.
Keywords: Aerosol Optical Depth, Urban Areas, Arid, Semi-Arid Regions, Algeria's Tamanrasset City, Landsat-8 -
در مطالعه حاضر کارآیی ترکیبی جدید از ضایعات صنعتی شامل پسماند کاربید کلسیم (CCR) و سیلیکافوم (SF) در کنار الیاف پلی پروپیلن در مقایسه با سیمان برای اصلاح رس های نرم و افزایش دوام آنها بررسی شد. نتایج آزمایشگاهی نشان داد در شرایط متداول عمل آوری (دما ºC20 و نگهداری تا 28 روز) استفاده از CCR تنها، اثر محدودی در بهبود رفتار خاک دارد. از طرفی، با وجود عملکرد مطلوب اولیه فرآیند تثبیت با سیمان، ولی چرخه تر و خشک (W-D) با شکست نانوساختارهای سیمانی، می تواند سبب اختلال و حتی از دست رفتن کامل ظرفیت باربری خاک شود. در مقابل، ترکیب CCR با SF نقش برجسته ای بر فرآیند بهسازی (خصوصا با افزایش دما) داشته و پتانسیل زوال به مراتب کمتری در حضور نسبت بهینه CCR-SF مشاهده گردید. بنابر آنالیزهای SEM-EDX و XRD، گسترش جامدشدگی ساختار و کاهش سهم حفرات، جزء عوامل اصلی پاسخ مناسب تر سیستم اخیر ارزیابی شد. از سوی دیگر، افزودن فیبر به این سری از نمونه ها، تاثیر بسزایی در رشد تاب کششی، جذب بهتر انرژی، کاهش قابلیت ترک خوردگی و در نتیجه بهبود پایایی ماتریکس خاک دارد. متعاقب این وضعیت، مقاومت نمونه مسلح شده و حاوی 15% افزودنی، حدود 1/8 برابر آستانه مجاز برای موفقیت تثبیت بدست آمد. علت این رفتار، هم افزایی CCR-SF و الیاف در ارتقاء پیوستگی بین ذرات و کاهش فضای دسترسی برای اندرکنش خاک-آب تعیین شد. با استناد به مجموع نتایج حاصل، استفاده از ترکیب بهینه CCR-SF همراه فیبر به عنوان گزینه ای ارزان، دوست دار محیط زیست و کارآمد در اصلاح خاک های مسئله دار و کاهش پتانسیل پس گسیختگی آنها توصیه می شود.
کلید واژگان: تثبیت پایه سیمانی, چرخه W-D, زوال پارامترهای مهندسی, CCR-SF, الیاف, افزایش دوامIn the present study, the effectiveness of a new combination of industrial wastes including calcium carbide residue (CCR) and silica-fume (SF) along with polypropylene fiber was investigated in comparison with cement for improving soft clays and increasing their durability. The results showed that in normal curing conditions, the use of CCR alone has little effect on the soil geo-mechanical performance. On the other hand, despite the initial favorable performance of cement, the W-D cycle with the failure of cement nanostructures can lead to the disturbance and even complete loss of the soil-bearing capacity. In contrast, the combination of CCR with SF had a prominent role in the stabilization process and a much lower deterioration potential was observed in the presence of the optimal ratio of CCR-SF. According to SEM-EDX and XRD analysis, expansion of solidification and reduction of voids were evaluated as the main factors of the more appropriate response of the recent system. Adding fiber to this series of samples had a significant effect on the growth of tensile strength, better absorption of energy, reduction of cracking ability, and as a result, improving the stability of the soil matrix. Following such a condition, the strength of the reinforced sample containing a 15% additive was found to be about 1.8 times the threshold allowed for successful stabilization. This can be attributed to the synergism of CCR-SF and fibers in improving the particle conjunction and reducing the access of voids for soil-water interaction. Based on the obtained results, the use of an optimal combination of CCR-SF with fiber can be recommended as a low-cost, environmentally friendly, and efficient option in improving the behavior of problematic soils and reducing their post-failure potential.
Keywords: Cement stabilization, W-D cycles, deterioration of soil properties, CCR-SF-Fibers, enhanced durability -
با توسعه صنعت در سراسر دنیا و افزایش جمعیت، آلودگی محیط زیست روز به روز توسعه یافت. روی کره زمین محیط های آبی و خاکی، از اصلی ترین اجزاء تشکیل دهنده محیط زیست می باشند. از سوی دیگر، مهمترین آلاینده های منابع آب و خاک، فلزات سنگین هستند که در بین فلزات سنگین، سرب و روی از جمله فراوان ترین عناصر موجود در خاک می باشند. وجود بیش از حد فلزات سنگین در خاک، موجب آلودگی آب های زیرزمینی و نهایتا بروز بیماری های خطرناک فراوانی مانند؛ سرطان، اختلالات گوارشی، بیماری های کلیوی، عقب ماندگی ذهنی و بیماری های خونی و مغزی می گردد. هدف از این پژوهش، ارزیابی چگونگی جذب انتخابی خاک کائولینیت در سیستم های منفرد و ترکیب آلودگی های سرب و روی و بررسی سینتیک و ایزوترم جذب فلزات سنگین سرب و روی در غلظت های متوسط آلودگی است. بدین منظور، در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی، در آغاز خاک کائولینیت با محلول حاوی غلظت 20 سانتی مول بر کیلوگرم خاک با سه تکرار و به صورت مصنوعی، آلوده به سرب و روی در سیستم های ترکیب دوتایی و منفرد با نسبت 1 به 20 شد. در ادامه با انجام مراحل تکمیلی طبق روش EPA (1983) و EPA (2010) نمونه ها، آماده و سپس میزان جذب آلودگی ها توسط دستگاه جذب، اندازه گیری شد. یافته ها نشانگرآن بود که با کاهش pH تا میزان 2، در هر دو شرایط سیستم ترکیب آلودگی ها با غلظت تهیه شده، درصد جذب کاهش چشمگیری داشت. ولی در شرایط اسیدی و بازی مایع منفذی در هر دو سیستم ترکیب دوتایی و منفرد، جذب فلز سرب بیشتر از روی بود، جذبPb2+ در هر دو سیستم تغییری نداشت ولی برعکس، جذبZn2+ در سیستم دو تایی کاهش چشمگیری نسبت به سیستم منفرد آلودگی داشت. به طوری که مقدار درصد جذبZn2+ در شرایط بازی (pH=12) و اسیدی (pH=2) در سیستم ترکیب دوتایی در مقایسه با سیستم منفرد به ترتیب حدود 50% و 20% تقلیل داشت. همچنین ایزوترم لانگمویر بیشترین مطابقت جذب در شرایط سیستم منفرد و ترکیب دوتایی را برای آلودگی های سرب و روی در غلظت آزمایش، داشتند. نتایج جذب در دو سیستم منفرد و ترکیب آلودگی های سرب و روی، بیانگر آن بود که میزان جذبPb2+ در سیستم ترکیب دوتایی نسبت به سیستم منفرد برای غلظت 20 سانتی مول بر کیلوگرم آلودگی تهیه شده با محلول آب مقطر، به میزان 0/15 % کاهش داشت. در حالی که جذبZn2+ در سیستم دوتایی نسبت به منفرد به میزان حدود 87/5 % در غلظت آزمایش بود. از سوی دیگر، سینتیک جذب فلز سرب در غلظت آزمایش برای رس کائولینیت در هر دو سیستم، دارای ثابت یکسانی با معادلات شبه درجه اول و دوم پزدو بود، زیرا در هر دو سیستم، میزان جذب سرب تغییری نداشت. درعوض سرعت جذب فلز روی تغییر چشمگیری در سیستم دوتایی نسبت به حالت منفرد داشت که مقادیرحاصله با ثابت معادله شبه درجه دوم پزدو سازگاری بیشتری داشت. به طور کلی ترتیب جذب یون دو فلز، تحت کلیه شرایط محیطی مایع منفذی به صورتPb2+ > Zn2+ در هر دو سیستم بود.
کلید واژگان: خاک کائولینیت, جذب, آلودگی, ایزوترم جذب, سینتیک جذب, سرب, رویNowadays, the environmental pollutions caused by the increase in population and the development of industries threaten the health of the inhabitants of the planet. The most important pollutants of water and soil resources are heavy metals that lead and zinc are the most abundant elements among them. The presence of large amounts of heavy metals in the soil causes groundwater pollution and eventually the occurrence of many dangerous diseases including cancer, digestive disorders, kidney diseases, mental retardation and blood and brain diseases. The movement of water in the surface and underground streams is one of the main causes of the release of heavy metals in the soil which causes transfer of pollutions from the contaminated soil to the surroundings and entrance of these harmful metals into the human diet. The main purpose of this study was to evaluate the selective absorption of lead and zinc by Kaolinite clay in single and binary-component systems. For this purpose, the Kaolinite clay was firstly mixed with the lead and zinc in distilled water at ratio of 1:20 to prepare model contaminated suspensions. Three specimens were prepared for each sample according to the EPA (1983) and EPA (2010) methods. The effect of different pH (i.e. 2 to 12) and pollutants concentrations (i.e. at concentration of 20 Cmol kg-1) on the adsorption capacity of Kaolinite was measured using spectrophotometer. It was found that by decreasing in pH to 2 in both single and binary component pollutant systems (at concentration of 20 Cmol kg-1), the adsorption percent decreased significantly. However, the adsorption of lead in pore fluid was higher than zinc in alkaline and acidic conditions for both binary and single-component systems. The adsorption percent of Pb2+ was not changed in both systems, however, adsorption of Zn2+ was significantly reduced in the binary system-component compared to the single system-component. In addition, the adsorption percent of Zn2+ in alkaline (pH=12) and acidic (pH=2) conditions decreased by about 50 and 20% in the binary system-component compared to the single system-component, respectively. Furthermore, the findings indicated that Langmuir isotherm had the highest consistency in the single and binary-component systems for lead and zinc contaminations at the studied concentration. The results of absorption kinetics in both systems illustrated that the lead absorption rate was decreased 0.15% in binary-component system compared to the single-component system at concentration of 20 Cmol kg-1. In contrary, the zinc absorption rate in the combination system was reduced 87.5% at this concentration. On the other hand, the adsorption kinetics of lead metal at the test concentration for kaolinite clay in both systems had the same constant as the pseudo-first and second order equations because in both systems the amount of lead adsorption did not change. Instead, the rate of adsorption on zinc had a significant change in the binary system compared to the single state. the resulting values were more consistent with the pseudo- second order equation. In general, the ion adsorption of Pb2+under all environmental conditions in the pore fluid was more than Zn2+ in both systems due to the lower value of the first hydrolysis constant (pk1) of lead compared to zinc (i.e. Pb(7.8) > Zn(9.0)). By comparing the values of k1 and k2 in the concentration of pollution in the experiment, it was found that k1 of lead and zinc metals for a concentration of 20 Cmol kg-1 was higher than k2 and this represented the higher reaction rate to the Kaolinite clay for lead compared to zinc.
Keywords: Kaolinite clay, Adsorption Isotherm, Absorption Kinetics, Lead, Zinc -
اصلاح الکتروکینتیک گزینه ای موثر برای آلودگی زدایی از خاک ها می باشد؛ اگرچه راندمان کار تابع عوامل متعددی است. در پژوهش حاضر، توانایی کی لیت کننده EDTA و جریان پالس در بهبود این روش، برای پاکسازی خاک های ریزدانه حاوی ترکیب فلزات سنگین بررسی شد. بدین منظور، ابتدا نمونه مورد مطالعه با غلظت 5000 (میلیگرم/کیلوگرم) روی و سرب آلوده و سپس با گرادیان ولتاژ 2 ولت بر سانتیمتر (به صورت جریان پیوسته و پالس) در بازه های 7، 14 و 28 روز، تحت آزمایش الکتروکینتیک قرار گرفت. در این فرآیند، غلظت های مختلف EDTA به مخازن آند و کاتد (بطور مجزا و همزمان) نیز اضافه شد. نتایج بدست آمده نشان داد در شرایط جریان پیوسته و فاقد کی لیت ساز (روش متداول الکتروکینتیک)، میزان رفع آلودگی به ویژه سرب اندک بوده که علت آن با توجه به روند تغییرات ریزساختار نمونه و هدایت الکتریکی آن در حد فاصل آند تا کاتد، کاهش دانسیته جریان ناشی از رسوب آلاینده در ماتریکس خاک ارزیابی گردید. در این حالت، افزایش زمان آزمایش (علی رغم مصرف بیشتر انرژی) عمدتا سبب تغییر موقعیت آلودگی در محیط پیرامون آند شده و تاثیر محدودی (حدود 20%) بر راندمان کل نشان داد. مشخص شد افزدون EDTA صرفا به صورت محلول کاتولیت حتی با غلظت معادل آلودگی خاک، نیز تاثیری اندکی بر بهبود پاسخ الکتروکینتیک دارد. از طرفی، حضور کی لیت کننده در هر دو مخزن دستگاه خصوصا با اعمال جریان پالسی، باعث تسریع فرآیند پاکسازی می شود. با استناد به مجموع نتایج آزمایش های درشت ساختاری، تصاویر SEM و آنالیزهای XRD، علت این ارتقاء رفتار به دو تغییر عمده در اندرکنش خاک-آلاینده نسبت داده شد. نخست آنکه، روش اخیر با توسعه نفوذ جبهه اسیدی به سمت کاتد و محدود کردن قابلیت پلاریزاسیون ذرات رس، سبب آرایش فولکوله و کاهش قابلیت نگهداشت آلودکی در خاک می شود. همچنین این سیستم از طریق فرآیندهای بازانحلال، تشکیل کمپلکس های پایدار و اختلال در ایجاد اولیه رسوب، سهم فازهای نامحلول را به شدت کم می نماید. هم افزایی این تغییرات نقش موثری در شتاب دهی ساز و کارهای الکتروکینتیک داشته؛ بنحویکه در مقایسه با مدل متداول، ضمن کاهش 25 درصدی مصرف انرژی می تواند تا 2/6 برابر راندمان استخراج آلودگی را افزایش دهد.
کلید واژگان: الکتروکینتیک, خاک آلوده, سرب و روی, جریان پالس, EDTA, شدت بخشی راندمان استخراجElectrokinetic (EK) remediation is a very effective option for the soil decontamination; however, its efficiency depends on several factors. In the present study, the ability of Ethylene-diaminete-traacetic-acid (EDTA) and pulse current to improve this method for treating fine-grained soils containing heavy metals (HMs) was investigated. In so doing, first, the studied sample (mainly kaolinite) was mixed with a concentration of 5000 mg/kg zinc (Zn) and lead (Pb) and then subjected to an electrokinetic test with voltage gradient of 2 V(DC)/cm2 (in the form of continuous current and pulse) under 7, 14 and 28 days. The pulse current used was ON for 30 minutes and OFF for 10 minutes. In this process, different concentrations of EDTA (including a concentration of 0.1 M and 0.2 M) were also added to the anode and cathode reservoirs, separately and simultaneously. The obtained results showed that in the conditions of continuous current and without EDTA addtion (the common EK method), the EK removal efficiency, especially for lead, was not noticeable. According to the changes in the microstructure of soil sample and its electrical conductivity (EC) between the anode and the cathode electrodes, the reason can be ascribed to the decrease in current density due to precipitation of pollutants in the soil matrix and decresing the HMs transportation in the cathode side, as clearly confirmed by the XRD patterns and EC tests. In this case, increasing the test time from 7 to 28 days (despite more energy consumption) mainly caused the change of the pollution position in the around of anode side and the HMs removal in the cathode side is not enhanced, indicating that there is a limited effect (about 20%) on the total efficiency of the EK tests. It was found that the addition of EDTA only in the form of catholyte solution, even with the equivalent concentration of soil pollution, has a low effect on improving the electrokinetic response. On the other hand, the presence of the chelating agent in both reservoirs of the EK device, especially by applying the pulse current (with a frequency equal to 36 cycles/day) accelerates the treating process of EK remediation. In fact, as the results of macro-structural tests, scanning electron microscope (SEM) images and X-ray diffraction (XRD) analyses indicated, such improvement can be attributed to two major changes in soil-pollutant interaction. First of all, the presented EK method, by developing the penetration of the acid front towards the cathode side and limiting the polarization ability of clay particles, causes the formation of flocculation and reduces the soil ability to keep pollutants. Also, this system greatly reduces the contribution of insoluble phases through the processes of redissolution and formation of the stable complexes as well as generates a disturbance in the initial formation of metal precipitation due to the reduction in the hydrolysis reaction of the cathode part. Synergy of these changes has an prominent role in accelerating the EK mechanisms; so that compared to the conventional EK model, while reducing energy consumption by 25%, it can also increase the removal efficiency by nearly 2.6 times.
Keywords: EK, HM-contaminated soil, EDTA, pulse current, Enhanced removal efficiency -
زمینه و هدف
آموکسی سیلین یک آنتی بیوتیک تجاری رایج است که به دلیل مقاومت بالا در برابر باکتری ها و طیف گسترده ای از میکروارگانیسم ها استفاده می شود و حضور باقیمانده آن در فاضلاب صنایع دارویی و پساب بیمارستانی با ایجاد بوی نامطبوع، اختلالات پوستی و مقاومت میکروبی در موجودات بیماری زا، می تواند منجر به مرگ میکروارگانیسم های موثر در تصفیه فاضلاب شود. از این رو، این مطالعه با هدف بررسی کارایی حذف فوتوکاتالیستی آموکسی سیلین توسط نانوکامپوزیت گرافن اکساید مغناطیسی عامل دار شده با دی اکسید سریم از محلول آبی انجام شد.
روش بررسیدر این پژوهش توصیفی، نانوکامپوزیت گرافن اکساید مغناطیسی عامل دار شده با دی اکسید سریم سنتز و به عنوان فوتوکاتالیست برای حذف آموکسی سیلین استفاده شد. خصوصیات ظاهری نانوکامپوزیت با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)، آنالیز طیف سنجی تفکیک انرژی (EDX)، طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR) و آنالیز خاصیت مغناطیسی (VSM) بررسی شد. همچنین، اثر متغیرهای pH (3-11)، دوز فوتوکاتالیست (g0/04-0/006)، زمان تماس (min0-150) و دما (°C 25-55) بر کارایی حذف آموکسی سیلین بررسی شد.
یافته هانتایج نشان داد که بیشینه کارایی حذف آموکسی سیلین در pH برابر با 10، دوز فوتوکاتالیست برابر با g 0/02، زمان تماس برابر با min 90 و دمای واکنش برابر با °C 25 حاصل شد.
نتیجه گیرینانوکامپوزیت گرافن اکساید مغناطیسی عامل دار شده با دی اکسید سریم می تواند به عنوان یک فوتوکاتالیست موثر و در دسترس برای حذف آموکسی سیلین از پساب های صنعتی تحت نور UV مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: آلودگی محیط, آموکسی سیلین, دی اکسید سریم, فوتوکاتالیست, گرافن اکسایدBackground and ObjectiveAmoxicillin (AMX) is one of the commonly used commercial antibiotics due to its high resistance to bacteria and its large spectrum against a wide variety of microorganisms, which it´s existence in the wastewater from pharmaceutical industries and hospital effluents causes unpleasant odor, skin disorder, and microbial resistance among pathogen organisms, and it can lead to the death of microorganisms which are effective in wastewater treatment. Therefore, this study was conducted to investigate of removal efficacy of AMX from aqueous solutions using GO@Fe3O4@CeO2.
Materials and MethodsIn this descriptive study, GO@Fe3O4@CeO2 was synthesized and then used as a photocatalyst for the removal of AMX from aqueous solution. GO@Fe3O4@CeO2 was characterized using X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electronic Microscopy (SEM), SEM-EDX elemental analysis, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and vibrating sample magnetometry (VSM) methods. Additionally, the influence of variables including pH (3-11), amount of photocatalyst (0.006-0.04 g), contact time (0-150 min), and temperature (25-55 °C) was assessed on the efficacy of AMX removal.
ResultsThe results indicated that removal efficiency increased up to 90 min contact time, 0.02 g of photocatalyst, and at the temperature of 25 °C. The optimum pH for AMX removal was 10.
ConclusionGO@Fe3O4@CeO2 could be an effective and available photocatalyst for the removal of AMX from industrial wastewater under UV light.
Keywords: Environmental pollution, Amoxicillin, Cerium dioxide, Photocatalyst, Graphene oxide -
در پژوهش حاضر تاثیر استفاده زیولیت همراه الیاف پلی پروپیلن در پایایی مشخصات مهندسی خاک های نرم تثبیت شده با سیمان تحت چرخه های یخ و ذوب (F-T) بررسی شد. بدین منظور مقادیر صفر تا 30% وزنی، سیمان و مخلوط سیمان-زیولیت (با نسبت های متفاوت)، بطور جداگانه به خاک مورد مطالعه اضافه، سپس با افزودن الیاف و عمل آوری تا 90 روز، مجموعه ای از آزمایش های ژیوتکنیکی در کنار آنالیزهای ریزساختاری صورت گرفت. نتایج بدست آمده موید آن است استفاده از مقادیر اندک سیمان می تواند سبب بهبود اولیه پارامترهای ژیومکانیکی خاک شود؛ اما با افزایش چرخه های F-T مقاومت نمونه ها بعضا تا 60% کاهش می یابد. تامین شرایط مطلوب، نیازمند مصرف زیاد سیمان و نگهداری طولانی بوده که علاوه بر افزایش هزینه تثبیت، رفتار مصالح را به شدت تردشکن می کند. از طرفی، با افزودن زیولیت (حداکثر تا یک چهارم سهم سیمان) علی رغم امکان رشد ظرفیت باربری (تا 3/1 برابر)؛ اما همچنان مقاومت مصالح تحت چرخه های F-T افت زیادی نشان می دهد. مشاهده شد حضور الیاف در این سری از نمونه ها، تاثیر قابل ملاحظه ای بر افزایش پایایی رفتار خاک به ویژه در زمان های محدود نگهداری (کمتر از 7 روز) و مقادیر کم افزودنی داشته و شاخص خرابی ناشی از فرآیند یخ و ذوب حدود 50% کاهش می یابد. علاوه بر این، مقاومت کششی سیستم اخیر نسبت به سیمان تنها، بیش از 5/1 برابر بهبود و مقاومت پس ماند آن تا 200% بیشتر است. علت این تغییرات با استناد به طیف های اشعه ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی، تشکیل ماتریس پیوسته تر خاک ناشی از گسترش نانو ساختارهای سیمانی و پیوند مستحکم الیاف با ذرات ارزیابی شد. در مجموع بر اساس نتایج حاصل، استفاده از ترکیب CZF، به دلیل امکان مصرف کمتر سیمان (حدود 30%) و همچنین کاهش زمان مورد نیاز عمل آوری (تا 3 برابر)، به عنوان یک گزینه موثر برای بهسازی خاک های نرم تحت چرخه های یخ و ذوب، پیشنهاد می شود.
کلید واژگان: خاک نرم, سیمان, چرخه یخ و ذوب, زئولیت, الیاف, بهبود مشخصات ژئومکانیکیAlthough cement stabilization is used extensively to modify the soft clays, it may show limited success in some applications. Hence, this paper presents a multiscale investigation on the viability of employing zeolite and fiber to enhance the durability of cement treated soil against the freezing-thawing (F-T) cycles. In so doing, a wide range (0 to 30%) of additives including sole cement and cement-zeolite mixture (CZ) with different cement replacement were separately added to a soft soil sample and then mixed with the optimal fiber content of 0.75% (by weight), which was determined by the indirect tensile strength test. A set of experiments at various curing days (up to 90 days) were performed to study the mechanical and microstructural changes of the stabilized soils. The results indicated that while a low level of cement can modify the geo-mechanical parameters of soil sample, the compressive strength of cemented soil could decay up to 60% when the specimens exposure to the successive F-T cycles. Such changes may be ascribe to the F-T-induced particles rearrangement and degradation of the cementation structure-bonding, forming many new voids and cracks subsequently decreasing the interlocking of matrix. As a result, to get the strength guidelines threshold and make the composite water proofing a high dosage of sole cement and a long time of curing (at least 28-day) are needed, which may be uneconomical and lade to the brittle behavior. Adding zeolite (≤ 25% proportion) to supplant part of cement could effectively enhance the engineering properties of cement-mixed soil, due to an increase in the cementitious products [e.g. Calcium-aluminate-hydrate (CAH) and Calcium-silicate-hydrate (CSH)] induced by the pozzolanic activity, subsequent reduction of the inter pore-spaces and eventually a more compacted microstructure, as confirmed by the X-ray diffraction (XRD) patterns and scanning electron microscope (SEM) images. It should be emphasized that the zeolite/cement ratio is a very influential factor on the behavior of cement-zeolite mixture. Therefore, the cemented soil mixes with Zopt showed a further (up to 1.3 folds) resistance relative to the mere cemented soil as well as a greater tensile strength; however, the binary system was still vulnerable under the F-T action. In this case, the insertion of fiber could significantly enhance the soil durability (decrease the degree of damage by an average value of 50%), which was more evident at the small binder dosage and early stage of curing time. Incorporating fiber into the system also led to a higher tensile strength (nearly 1.5 times) than those deduced from the stabilization alone. Moreover, this strategy was effective to overcome the brittle nature of stabilized mixes, resulting an increase the post-strength up to 270%. These observations can be justified by the extended cementing gels formation and the enhanced interlocking of matrix through the CZ-fiber application. Overall, the combination of CZ blend and fiber can be considered as an effective technique for the soft soil modification with the fact that triggered a prominent reduction (~ 30%) in the needed amount of cement an time of curing (up to 3 folds) for the successful treatment against the F-T cycles.
Keywords: Soft soil, freeze, thaw cycles, zeolite, fiber, modified geo-mechanical properties -
زمینه و هدف
با وجود کاربرد گسترده مواد یخ زدا در معابر، پسآب حاصل از آن می تواند به اکوسیستم آسیب وارد نماید. لذا هدف از پژوهش حاضر، ارزیابی تاثیر نمک پاشی در عملیات زمستانی محدوده شهری همدان بر کیفیت آب های زیرزمینی منطقه است. همدان از مراکز مهم گردشگری و جزء قطب های کشاورزی ایران بوده و آلودگی منابع آب آن سلامت کل کشور را به خطر می اندازد.
روش بررسیمدل سازی جریان های زیرسطحی محدوده مورد مطالعه نشان می دهد حرکت پسآب های حاصل از بارش در سطح شهر عمدتا به سمت آبخوان دشت همدان-بهار (به عنوان یکی از منابع اصلی تامین آب شرب و کشاورزی منطقه) است. لذا با انتخاب 24 ایستگاه در نواحی مختلف این آبخوان و انجام نمونه گیری طی ده سال گذشته (1386، 1395)، مشخصات هیدورشیمیایی آنها اندازه گیری و روند تغییرات تجزیه و تحلیل شد.
یافته هانتایج بیانگر افزایش تدریجی املاح و مواد جامد محلول در آب زیرزمینی دشت بوده که با توجه به همبستگی معنادار (89/0R2 ≥) بین شوری و غلظت سدیم و کلر، علت آن ناشی از مجاورت با مواد یخ زدا ارزیابی شد. میزان مواد آلاینده در تعدادی از چاه ها فراتر از حد مجاز استاندارد ملی و رهنمودهای بین المللی بوده و بعضا تا 10 برابر مقدار مطلوب برای شرب است. بر پایه معیار ویلکوکس، آب اغلب ایستگاه ها در محدوده C3S1 (باعث کاهش توان حاصل خیزی خاک و اختلال اکوفیزیولوژیکی در محصولات زراعی) و حتی برخی از موارد در رده C4S1 (کاملا مضر برای آبیاری) می باشد. همچنین توزیع مشابهی از پراکندگی ترکیبات یخ زدا و میزان آرسنیک در جریان های زیرسطحی دشت مشاهده شد.
بحث و نتیجه گیریروند انباشت آلودگی و افت شاخص های هیدروشیمیایی در آبخوان مورد مطالعه بر اثر تماس با مواد یخ زدا، علاوه بر آثار مستقیم مخرب بر سلامتی افراد و زمین های کشاورزی، تهدیدی خطرناک برای افزایش تحرک فلزات سنگین در پیکره های خاکی-آبی منطقه به شمار می رود. لذا بایستی با اتخاد شیوه های نوین، مانند: برنامه پیشگیرانه مقابله با یخ زدگی، مواد یخ زدای دوست دار طبیعت، آسفالت حاوی ترکیبات ضدیخ و روسازی با سیستم گرمایشی، عملیات زمستانی شهر همدان با حداقل تاثیرات منفی زیست محیطی صورت پذیرد.
کلید واژگان: عملیات زمستانی, مواد یخ زدا, همدان, آلودگی منابع آب زیرزمینی, مخاطرات اکولوژیکیBackground and ObjectiveDespite the wide application of de-icing substances to the roadways, the sewage produced can have negative impacts on local ecosystems. Hence, the present study was conducted for assessing the effects of road salt use throughout the winter in Hamedan on the hydro-chemical quality of Hamedan-Bahar basin. Hamedan is one of the major tourist destinations and one of the main agricultural poles in Iran, and thus, its water resources contamination may pose serious risk to the health of the whole country.
MethodThe modeling of under-ground water flow paths in the study area revealed that the flow of rain and snow water in the city is mainly towards Hamedan-Bahar basin (as one of the main drinking water and agricultural water supplies in the region). Therefore, the 24 wells in the study area were sampled and the hydro-chemical characteristics of the obtained water samples as well as their changing trends over the past 10 years were determined and analyzed.
FindingsThe results indicated a gradual increase in the minerals and solid materials in the water of the basin. This, considering the meaningful correlation values obtained (R2≥0.89) between the salt contents and Cl- and Na+ concentrations, could be attributed to the use of de-icing materials. The rate of pollutants in some of the samples was found to be 10 times as much as the permissible national standard and international values. Moreover, based on the Wilcox diagram, the water in most stations could be classified as C3S1 (decreasing the soil fertility and resulting in ecophysiological abnormalities in crops) and even as C4S1 (completely harmful for irrigation). A similar distribution of de-icing compounds and arsenic were observed in the under-ground water of the basin.
Discussion and ConclusionThe increase in the pollution and the decline in hydro-chemical properties of the basin due to the accumulation of de-icing materials, not only pose direct hazardous effects to human health and agricultural lands but can also intensify the mobility of the heavy metals in soil-water profiles of the region. Therefore, it is suggested that winter operations in the city be planned and carried out using modern methods and facilities (such as anti-icing program, eco-friendly deicers, asphalt mixture with anti-icing additives, hydronic heating pavement), so that the negative environmental impacts can be controlled as much as possible.
Keywords: Winter operation, de-icing substances, Groundwater pollution, ecological risks -
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، سال چهل و نهم شماره 1 (پیاپی 94، بهار 1398)، صص 97 -108در پژوهش حاضر تاثیر استفاده توام از ترکیب پسماندهای صنعت فولادسازی (شامل سرباره GGBS و BOFS) و آهک در شدت بخشی فرآیند بهبود خصوصیات مهندسی مصالح رسی بررسی شد. بدین منظور مقادیر صفر تا 30 درصد وزنی آهک، سرباره و مخلوط آهک- سرباره، هریک به طور جداگانه به یک نمونه خاک نرم (عمدتا کائولینیت) اضافه و پس از عمل آوری، مجموعه ای از آزمایش های مختلف بزرگ ساختاری و ریزساختاری صورت گرفت. نتایج به دست آمده موید آن است که در مقایسه با آهک، حضور سرباره به ویژه GGBS تاثیر اندکی بر مشخصات ژئومکانیکی خاک دارد. از طرفی، مشخص شد ترکیب آهک و سرباره (LAS) موجب کاهش شدید پتانسیل نگهداشت آب و کنترل نشست خاک شده و ظرفیت باربری را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. به نحوی که مقاومت فشاری این سری از نمونه ها بیش از 15 برابر رشد داشته و رفتار آنها به ویژه در زمان های محدود نگهداری (کمتر از 7 روز) حتی نسبت به تثبیت با آهک تنها، تا 150% بهبود می یابد. با استناد به طیف های اشعه ایکس و آنالیزهای SEM-EDX، علت عملکرد مطلوب LAS به دلیل مصرف بهینه آهک برای رشد نانو ساختارهای سیمانی در سیستم خاک- افزودنی ارزیابی شد. در مجموع نتایج این مطالعه نشان می دهد استفاده از ترکیب آهک و سرباره (به خصوص BOFS) گزینه مناسبی برای بهسازی رفتار رس ها بوده که علاوه بر کاهش 75 درصدی مصرف آهک، زمان عمل آوری را بیش از سه برابر کم کرده و کمک موثری به پسمانداری زائدات صنعتی در راستای حفظ محیط زیست می نماید.کلید واژگان: رس نرم, آهک, پسماند فولادسازی, خصوصیات هیدرومکانیکی, ریزساختارJournal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz, Volume:49 Issue: 1, 2019, PP 97 -108In this study, the effects of two types of by-product materials resulting from the manufacture of iron including GGBS and BOFS on the hydro-mechanical performance of a lime-stabilized clayey soil were investigated. The results indicate that the addition of slag particularly of GGBS has a less impact on the soil engineering properties as compared to lime treatment. It was found that the lime-slag (LAS) combination decreases the water retention potential, controls the soil settlement and causes a considerable increase in the mechanical capacity. The composite clay sample containing LAS exhibits a better performance than that of lime-treated soil particularly at short time of curing.Keywords: Clayey soil, lime, slag, hydro-mechanical properties, micro-structure
-
در پژوهش حاضر قابلیت ترکیب نانو رس و سیمان با هدف افزایش بازده فرآیند تثبیت و جامدسازی (S/S) خاک آلوده به فلز سنگین ارزیابی شد. بدین منظور دو نوع نانو رس فعال (شامل سدیم-مونتموریلونیت و نانو سدیم-کلوزایت) ، سیمان و ترکیب سیمان-رس (CNC) بطور جداگانه به یک نمونه خاک آلوده شده به درصدهای مختلف فلز روی اضافه و تغییر رفتار مصالح تحت زمانهای مختلف عمل آوری با انجام مجموعه ای گسترده از آزمایشهای بزرگساختاری و ریزساختاری بررسی گردید. نتایج بدست آمده نشان میدهد پس از افزودن کانی های رسی به خاک، علیرغم کاهش اولیه دسترسی زیستی آلودگی اما حمله اسیدی سبب واجذب بخشی از فلز سنگین خواهد شد. بر اساس طیفهای اشعه ایکس، در نمونه های اصلاح شده با سیمان تنها نیز مشاهده شد حضور آلاینده سبب تخریب مواد سیمانی و در نتیجه تاثیر منفی (تا 8 برابر) بر مقاومت مصالح میشود. لذا برای تامین حداقل ضوابط S/S، مقادیر زیادی سیمان (تقریبا 20% به ازای یک درصد آلاینده) و حدود 28 روز نگهداری لازم است. از طرفی، استفاده از CNC با افزایش پتانسیل نگهداشت سیستم و محدودیت در تاثیر نامطلوب فلز سنگین بر واکنشهای هیدراتاسیون، سیمان مورد نیاز برای کنترل تراوش آلاینده را بیش از 40% کاهش و زمان عمل آوری را به یک چهارم میرساند. این ترکیب، مقاومت خاک آلوده را نیز تا 5/1 برابر نسبت به سیمان تنها افزایش داده و لذا به عنوان یک گزینه موثر برای S/S پیشنهاد میشود.کلید واژگان: خاک آلوده, فلز سنگین, سیمان, نانو رس, تثبیت و جامدسازیStabilization/solidification (S/S) has emerged as a cost-effective method for treating a variety of wastes, particularly heavy metal (HM) contaminated soils. Among the many available fixing agents, Portland cement (PC) has been used extensively for the remediation of contaminated sites. However, there are significant environmental and technical impacts associated with PC application. Thus, the present research was conducted to address the efficacy of cement and nano-clay mixture in enhancing the S/S process. In so doing, artificially contaminated soils were first prepared by mixing kaolinite with zinc (Zn) at levels of 0 to 2%. Afterward, tow type of nano-clay (Na-Montmorillonite and Na-Cloisite), cement and cement/nano-clay (CNC) were separately added to the sample, and then, a set of macro and micro level experiments including batch equilibrium, pH, toxicity characteristic leaching procedure (TCLP), unconfined compression strength (UCS), X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray (EDX) analyses were carried out at various curing periods (1, 7 and 28 days) to assess the effectiveness of the additives. The results obtained show that the addition of nano-clay can increase the HM retention capability of soil; however, this may be partly lost when the treated soil are subjected to acidic TCLP solution. In addition, with increasing the HM content, due to the decrease in buffering capacity of system and the restructuring of the clay particles, the soil remediation potential at presence of nano-clay is decreased considerably. It was found that the application of sole cement may significantly enhance the HM retention capacity of soil. But in this case, the physicochemical reactions of Zn ions with cement could hinder and/or reduce the generation of hydration products phases such as calcium silicate hydrate (CSH) and calcium aluminate hydrate (CAH), resulting in the degradation of cementation structure-bonding of S/S matrix, as clearly confirmed by the formation of calcium zincate and the diminution in the cementitios compounds peak intensity in the XRD patterns of cement-treated soils. Therefore, the leaching characteristics and the mechanical properties of the S/S material with sole cement are adversely affected by increasing the amount of HM ions. As a result, a large quantity of cement (20 wt% per one percent of HM) and a long time of curing (≈ 28 days) should be employed to meet the full needs of HM immobilization in contaminated soil and give the EPA-acceptable UCS value (≥ 0.35 MPa). The TCLP and XRD test results indicate that the cement/nano-clay combination can expedite the S/S process and alleviate the deleterious influences of metal ions and acidic attack on the stabilized sample. The EDX analyses also support the increase in the development of hydration reactions and the formation of cementing materials in the presence of CNC, providing the enhancement of binding capacity that will lead to the greater strength (up to 50%) in comparison to cement application. Hence, the CNC binary system is more efficient in modifying the contaminated soil with a lower amount of binder (to about 40%) and shorter curing ages (by nearly 4 times) than that of the sole cement. Overall, it is concluded that the cement/nano-clay mixture can be utilized as an effective S/S amendment and CNC content of 15 wt% per 1% of HM can successfully remediate the contaminated soil after 7 days of curing.Keywords: Contaminated soil, heavy metal, cement, nano-clay, stabilization, solidification
-
هدف از این مطالعه بررسی توانایی ترکیب سیمان- نانو سیلیکا (CNS) در افزایش بهره وری فرآیند تثبیت و جامدسازی (S/S) خاک های آلوده به فلزات سنگین است. به این منظور، ابتدا رس کائولینیت در شرایط آزمایشگاه به فلزنیکل آلوده و سپس با انجام مجموعه ای از آزمایش های مختلف، تاثیر استفاده از ترکیب CNS در پاکسازی خاک ارزیابی شد. نتایج بدست آمده موید آن است که در مصالح رسی حاوی فلز سنگین با شرایط کانی ساخت مشابه کائولینیت، امکان تراوش آلودگی حتی در غلظت های کم آلاینده (cmol/kg.soil 10< وجود دارد و نیازمند تدابیر لازم برای پاکسازی است. افزودن سیمان به کائولینیت، قابلیت نگهداشت فلز سنگین را به شدت افزایش دادهف اگر چه آزمایش TCLP نشان داد آبشویی این نمونه ها نیز سبب بازگشت مجدد تا 30% آلاینده جذب شده به سیال منفذی می گردد. هم چنین مشخص شد اندرکنش سیمان با فلز نیکل، فرآیند جامدشدگی ذرات را مختل کرده که در نتیجه ی آن، بهبود مشخصات ژئومکانیکی خاک تا 4 برابر کاهش می یابد. مشاهده شد CNS در مقایسه با سیمان، حدود 60% از توانایی بیشتری در غیرمتحرک سازی آلاینده برخوردار است و ضمن افزایش 40 درصدی مقاومت فشاری، تا دو برابر قابلیت فشردگی مصالح را کمتر می کند. براساس نتایج حاصل از آزمایش های فیزیکی-مکانیکی، طیف های XRD و تصاویر SEM، علت عملکرد بهتر ترکیب CNS ناشی از رشد بیشتر (به طور متوسط حدود 42 درصد) و سریعتر مواد سیمانی (خصوصاآ ژل CSH)، کاهش اثر مخرب تشکیل رسوب فلز سنگین بر واکنش های هیدراتاسیون و افزایش تراکم ساختار ارزیابی شد. در مجموع یافته های پژوهش حاضر نشان می دهد با مدنظر قراردادن ضوابط EPA، حدود 0/5 درصد سیمان به ازای هر سانتی مول بر کیلوگرم غلظت نیکل و حدود یک ماه نگهداری، برای پاکسازی ایمن خاک لازم است که در حضور نانو ذرات سیلیکا، مصرف سیمان (تا 35%) و زمان عمل آوری ( تا سه برابر) کاهش خواهد یافت.کلید واژگان: فلز سنگین نیکل, پاکسازی خاک آلوده, سیمان, نانوذرات سیلیکا, بهبود ریزساختار, ارتقاء فرآیند S, SThis study investigates the capability of cement-SiO2 nanoparticles (CNS) mixture to the promotion of stabilization/solidification (S/S) process of heavy metal (HM) contaminated soils. For this purpose, artificially contaminated soil samples were first prepared by mixing kaolinite with nickel (Ni) and then a set of tests were performed to assess the effectiveness of the CNS treatment. The results indicate that the addition of cement markedly increases the HM retention of soil; however, the TCLP tests show that leaching of cement treated samples leads to return a part of pollutants to soil pore fluid. The cement and Ni interaction has a destructive impact on particles solidification which adversely affects the strength development and compressibility of the cement-stabilized specimens. At same condition, the CNS blend is more efficient in immobilizing Ni and modifying the soil engineering properties as compared to sole cement. Based on the physicochemical, XRD and SEM tests, the better performance of CNS agent is mainly associated with the more and faster growth of cement compounds, reducing the adverse effect of heavy metal precipitation on the hydration reactions and increasing the particle density. The study concluded that with the consideration of EPA criteria, an optimum cement content of 0.5 wt% per one cmol/kg.soil of HM within 28 days of curing can successfully remediate the Ni contaminated soils. The incorporation of SiO2 nanoparticles into the binder system improves the microstructure and geomechanical performance of stabilized materials and causes a significant reduction in the cement consumption (up to 35%) and time of curing (up to 3 times)Keywords: Remediation of Heavy Metal Contaminated Soil, Cement, SiO2 Nanoparticles, Improvement of Microstructure, Promotion of S, S process
-
در پژوهش حاضر بطور همزمان تاثیر دمای عمل آوری و افزودن نانوذرات سیلیکا (NS) بر عملکرد آهک در اصلاح خصوصیات مهندسی خاک تورمی از طریق انجام آزمایشهای مختلف بزرگ ساختاری و ریزساختاری تجزیه و تحلیل شد. نتایج بدست آمده نشان میدهد با کاهش دما (به ویژه دمای زیر C° 20 و در زمانهای نگهداری کمتر از 28 روز)، فعالیت پوزولانی و رشد ترکیبات سیمانی (مانند نانوساختارهای CSH و CAH) دچار اختلال شده و فرآیند اصلاح خاک بعد از افزودن آهک عمدتا ناشی از واکنشهای کوتاه مدت (تبادل کاتیونی و افزایش فشار اسمز) رخ میدهد. در این شرایط علاوه بر افزایش مقدار افزودنی لازم برای کنترل تورم، مشخص شد بهبود سایر پارامترهای ژئومکانیکی خاک (ازجمله ظرفیت باربری و پتانسیل نشست پذیری) بسیار اندک میباشد. از طرفی، نتایج بیانگر آنست که در حضور ترکیب آهک-نانوذرات سیلیکا (LNS) اثر نامطلوب افت دما بر مشخصات مهندسی نمونه ها کاهش یافته و بر خلاف محدودیت عملکرد آهک، مقاومت فشاری نمونه های اصلاح شده با LNS متناسب با افزایش ماده افزودنی روند کاملا صعودی دارد. بر اساس طیفهای پراش اشعه ایکس و تصاویر SEM، علت حساسیت کمتر نمونه های حاوی LNS به دما و زمان نگهداری و رفتار بهتر در مقایسه با آهک تنها، به دلیل انجام سریعتر و بیشتر واکنشهای پوزولانی و افزایش تراکم ساختار ارزیابی شد. بر پایه نتایج این مطالعه، استفاده از LNS (به خصوص در هوای سرد و زمانهای محدود عمل آوری) ضمن شدت بخشی تاثیر آهک، مصرف افزودنی را تا 50 درصد کاهش خواهد داد.کلید واژگان: رس متورم شونده, آهک, نانوذرات سیلیکا, دما, فعالیت پوزولانی, خصوصیات مهندسیExpansive clayey soils can undergo periodic volumetric changes in the form of ground heave and settlement when subjected to moisture fluctuations. Such changes may lead to exert stress and serious problems to geotechnical structures if not adequately taken care of. Lime continues to be commonly used for treatment of these type soils; however, some restrictions are associated with its application. Therefore, in the present study a series of macro and micro level tests including swelling potential, unconfined compression strength (UCS), consolidation, pH and electrical conductivity (EC), adsorption, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analyses were carried out at various curing periods (1, 7, 28 and 90 days) and different temperatures (10, 20, and 40 °C) to assess the effects of environmental condition and SiO2-nanoparticles (NS) on the performance of lime treatment. To achieve the stated objective, lime and lime/NS (LNS) mixture were separately added to highly expandable clay at wide ranges from 0% to 30% by mass, respectively. The results obtained show that the environmental temperature, especially in the initial time of curing, has a prominent role on the geo-mechanical properties of lime treated soil samples. It was also found that the reduction in the temperature particularly at inadequate curing (lower than 28 days) provides a deleterious impact on the pozzolanic activity and decrease the formation of cementing compounds such as Calcium-Silicate-Hydrate (CSH) and Calcium-Aluminate-Hydrate (CAH) gels. In this case, the process of soil modification is mainly due to the short-term reactions (i.e. cation exchange and increase in osmotic pressure), increasing the amount of additives (up to two times) to control the swelling power. On the other hand, the incorporation of SiO2-nanoparticles into the binder system causes a reduction in the detrimental effects of low temperature on the engineering parameters of lime-treated products and decreases their sensitivity to the time of curing. The samples amended with the LNS blend exhibit a continuous development of soil mechanical capacity as the additive content increased. They are less deformable and show a decrease in their compression index by nearly 40% as compared with sole lime. Based on the XRD and SEM experiments, the superior influences of LNS are mainly ascribed to the higher and faster formation of cementitious compounds. In fact, at the presence of LNS, due to direct interaction of lime and silica from NS, the silicate gel can be immediately formed to coat and bind the clay particles together; whereas, with the addition of lime alone, the gel produces only by the removal of silica from the clay minerals that needs further time to complete its formation and hence the lower modification was occurred, especially at curing time shorter than 28 days. Moreover, NS reduces the pores sizes and serves to distribute the new crystalline phase (e.g. CSH gel) in a more homogenous fashion in the available space. This micro-structural reorganization upon the LNS treatment could rapidly block off the soil voids and greatly interlock the clay particles together that provide higher environmentally-stable materials with lower cost and energy as compared to standalone lime. It is finally concluded that the utilization of LNS mixture gives a promising way for increasing the efficiency of lime stabilization and decreasing the additive consumption.Keywords: Expansive clays, Lime-SiO2-nanoparticles, Temperature, Pozzolanic activity, Engineering properties
-
زمینه و هدفانباشتگی تدریجی مواد سمی در خاک می تواند مخاطرات بهداشتی گسترده ای را ایجاد نماید. لذا، هدف از مطالعه حاضر ارزیابی توانایی سیمان در رفع آلودگی فلزات سنگین از خاک و مقایسه نتایج آن با روش جذب فیزیکی است.روش بررسیدر شرایط کنترل شده آزمایشگاهی، ابتدا خاک کائولینیت با محلول های حاوی غلظت صفر تا 1 مولار نیترات سرب در نسبت 1به 10، آلوده شد. در ادامه با اضافه کردن درصدهای مختلف سیمان و اسمکتیت به هر نمونه و با انجام مجموعه ای از آزمایش های مختلف، تاثیر نوع ماده جاذب در فرآیند حذف و یا کاهش دسترسی زیستی فلزات سنگین از خاک، تحلیل گردید.یافته هادر غلظت های کم آلودگی، تاثیر سیمان و اسمکتیتدر فرآیند پالایش خاک تقریبا یکسان می باشد. با افزایش غلظت آلاینده، قابلیت نگه داشت آلودگی در حضور جاذب فیزیکی مختل می شود. برخلاف محدودیت کاربرد اسمکتیت، مشخص شد سیمان از توانایی زیادی در جذب سرب برخوردار است؛ به طوری که در مقادیر یکسان ماده جاذب و با افزایش غلظت آلاینده، میزان کاهش دسترسی زیستی آلودگی در حضور سیمان به طور متوسط تا 15 برابر اسمکتیت افزایش می یابد. همچنین جامدشدگی و اتصال ذرات در نمونه های حاوی سیمان، ضمن بهبود خصوصیات مهندسی مصالح باعث کاهش شدید قابلیت آب شویی نسبت به روش جذب فیزیکی می گردد.نتیجه گیریاستفاده از روش جذب فیزیکی برای پالایش خاک (خصوصا در غلظت های زیاد آلاینده) به هیچ وجه توصیه نمی شود. در مقایسه با عملکرد ضعیف جاذب فیزیکی اسمکتیت، استفاده از سیمان به دلیل ترکیب توام سازوکار تثبیت و جامدسازی روشی بسیار موثر برای رفع آلودگی از خاک است؛ به گونه ای که در شرایط نگه داری مناسب و با رعایت حداقل ضوابط EPA، افزودن حدود 1/0 درصد سیمان به ازای هر سانتی مول بر کیلوگرم غلظت آلودگی، سبب پاک سازی امن خاک خواهد شد.کلید واژگان: فلز سنگین سرب, رفع آلودگی از خاک, اسمکتیت, سیمان, بهبود خصوصیات مهندسیBackground And ObjectiveThe continuous accumulation of toxic materials such as heavy metals in soil due to interaction with industrial and domestic wastes has contributed to an extensive health hazards. Therefore, the aims of this study are to evaluate the ability of cement (as a chemical adsorbent) in remediation of contaminated soil and to compre the obtained results by the physical adsorption method through the addition of active smectite clay mineral.MethodTo achieve the mentioned objectives, kaolinite soil in the laboratory conditions was contaminated with solutions containing 0 to 1 M concentration of Pb (NO3)2 in 1:10 ratio. Adding different percentages of cement and smectite to each sample, and after equilibrating, changes in pH and concentrations were determined. Tests of hydraulic conductivity (permeability), unconfined compression strength (UCS), toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) and SEM were also performed to evaluate the impact of adsorbent type on reduction of the of pollution transportation potential.
Findings: The results indicate that at low concentrations of contaminants (up to 50 cmol/kg.soil), the type of absorbent does not have much influence on the heavy metals removal from contaminated soils. It was found that with the increase of the pollutant concentration and due to the buffering capacity reduction and the restructed clay mineral, the possibility of soil remediation through the physical absorption method is greatly decreased. Unlike the smectite limitation encountering with contaminated soil containing the heavy metals, the cement has a high adsorption capacity to adsorbe heavy metals. In the same content of adsorbent and with the increase of the Pb concentration, the amount of its reduction in the presence of cement is 15 times more than what observed in the presence of smectite. In addition, it can be seen that the particles solidification in the samples containing cement improves the engineering properties of materials, causes to trap the pollutants within the soil mass and consequently reduces the leaching and emission capability of pollutants as compared to the physical attraction method.ConclusionAccording to the results, using the physical adsorption to remove the heavy metals from contaminated soils (particularly at high concentrations of contaminant) is not recommended. Unlike the smectite limitation encountering with contaminated soil, application of cement is very effective to remove contaminants from the soil due to the combination of two mechanisms of stabilization and solidification. In appropriate remediation condition and with respect to EPA criteria, application of 0.1% of cement per 1 cmol/kg.soil contamination leads to safe remediation of the heavy metals from in contaminated soils.Keywords: Lead, Remediation of Contaminated Soil, Smectite, Cement, Engineering Parameters -
در پژوهش حاضر تاثیر مشخصات مایع منفذی و اثر زمان بر بازده روش الکتروکینتیک، ارزیابی شد. به این منظور، ابتدا رس کائولینیت با محلولهای حاوی نیترات روی و سرب بطور مجزا آلوده و با گرادیان ولتاژ V/cm 2 در زمانهای 3 الی 48 روز، در مقیاس آزمایشگاهی مورد آزمایش الکتروکینتیک قرار گرفت. از اسید نیتریک نیز به عنوان محلول کاتولیت، با هدف امکان شدتبخشی فرآیند پالایش خاک استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان میدهد پاسخ خاک به اصلاح الکتروکینتیک تابعی از مشخصات ماده آلاینده، pH سیستم خاک-الکترولیت و زمان انجام آزمایش است. بر این اساس در شرایط یکسان بخصوص در زمانهای کم، بازده استخراج آلودگی از نمونه حاوی سرب به دلیل تمایل بیشتر این فلز به جذب سطحی و همچنین تشکیل رسوب، تقریبا 70 درصد نمونه آلوده به روی اندازه گیری شد. با توجه به طیفهای اشعه ایکس و تصاویر SEM، تقویت جبهه اسیدی محیط پیرامون کاتد با افزایش غلظت یون H+ درون توده خاک، سبب تغییر ساختار، افزایش تحرکپذیری فلز سنگین و در نهایت تشدید قابلیت رفع آلودگی از خاک میشود. مشخص شد میزان اصلاح خاک به ویژه در قطعات نزدیک به آند ابتدا با گذشت زمان، به شدت بهبود یافته اگرچه افزایش بیشتر زمان خصوصا در نمونه های با غلظت زیاد فلز روی، تاثیر محدودی بر نتایج دارد. این یافته بیانگر وجود یک زمان بهینه متناسب با نوع و غلظت آلاینده در فرآیند پاکسازی فلزات سنگین از خاک به روش الکتروکینتیک بوده بنحویکه کاهش pH محیط تاثیر بسزایی در کاهش این زمان و افزایش راندمان استخراج دارد.کلید واژگان: الکتروکینتیک, فلزات سنگین, مشخصات مایع منفذی, زمان, ریزساختارThe electrokinetic (EK) approach is one of the popular choices for the extraction of inorganic contaminants (e.g. heavy metals) from a soil matrix. On the other hand, many factors can affect the performance of EK contaminant remediation. Therefore, in the present study a series of macro and micro level tests including electrokinetic experiments, pH and electrical conductivity (EC), adsorption and desorption, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) analyses were performed to investigate the effects of time and pore fluid characteristics on the efficiency of EK remediation. For this purpose, the kaolinite clay was separately infected with different solutions containing zinc nitrate and lead nitrate in concentrations of 20 and 40 cmol/kg and then electrokinetic experiments on a laboratory scale were conducted at 2 V/cm voltage gradient in time periods of 3, 6, 12, 24 and 48 days. Nitric acid was also used as a catholyte solution to enhance the soil remediation process. The results obtained show that the soil response to the EK remediation is a function of the contaminant characteristics, the pH of soil-electrolyte system and the time of testing. In EK contaminant remediation from a soil matrix, it is significant to pay particular attention to the effect of the concentration and type of contaminant on the applicability and efficiency of this method. The results reveal that under the same conditions, especially in the low times, extraction efficiency from samples containing lead was measured approximately 70 percent of the samples containing zinc. This is because the lead tends to more adsorbe on the clay surface and has a greater tendency to form precipitate. In addition to the type of contaminants, it was found that the increase in concentration of contaminants in the soil through a series of physical-chemical reactions accelerates clean up capabilities, particularly in the initial time period of the EK experiments. Catholyte conditioning with acidic solution enhanced the removal of heavy metals, which is mainly due to microstructural changes and an increase in the mobility of pollutants. In fact, based on the X-ray diffraction and scanning electron microscope analyses, the microstructural characteristics and the arrangement of the clay particles have an important role in the process of electrokinetic soil remediation. The formation of flocculated structure decreases the retention capacity of the clay particles and also increases the flow path, which enhance the efficiency of pollutant extraction. It was found that the soil remediation, especially in the parts close to the anode, greatly enhanced with increase the time of EK test; however, the further increase in time had a limited impact on results, especially in the samples containing high concentrations of zinc. This indicates that there is an optimum time in the process of cleaning up heavy metals from the soil by EK method, which depends on the type and concentration of contaminant. Moreover, it was seen that the extent of contaminant removal from anode side towards the cathode side is considerable when catholyte conditioning with acidic solution is used. In other words, reducing the pH of soil-electrolyte system has a significant impact in increasing the efficiency of pollutant extraction.Keywords: Electrokinetic, Heavy metals, Pore fluid characteristics, time, Microstructure
-
تغییرشکل های ناشی از احداث تونل نقش موثری در بروز خسارت و ناپایداری سازه های سطحی دارد. براین اساس در پژوهش حاضر با استفاده از آنالیز اجزاء محدود، اثر الگوهای مختلف حفاری تونل های دوقلو کم عمق (مانند خطوط مترو) به روش جدید اتریشی (NATM)، با هدف امکان کاهش میزان نشست سطحی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. بدین منظور نرم افزار آباکوس برای مدل سازی سه الگوی متداول حفاری مورد استفاده در NATM شامل(Top heading (TH)، Central diaphragm wall (CDW و (Side wall drift (SWD استفاده گردید. تاثیر شرایط مختلف بارگذاری، هندسه استقرار و اختلاف فاز در حفاری تونل ها، بر پایداری پوشش آنها و میزان نشست نیز بررسی شد. مقایسه نتایج بین سه الگوی مورد مطالعه نشان می دهد در شرایط یکسان بارگذاری و استفاده از الگوی حفاری SWD، میزان تغییرشکل ها کاهش و آستانه تحمل بار سطحی تا دو برابر افزایش می یابد. از سوی دیگر، نتایج تحقیق حاضر بیانگر آنست که وضعیت و مقدار سربار، بطور قابل توجهی پاسخ سیستم زمین-تونل را تغییر داده بنحویکه عدم تقارن بارگذاری، سبب افزایش اندرکنش بین تونل ها خصوصا در الگوی TH می شود. صرفه نظر از شرایط بارگذاری، کاهش فاصله افقی بین تونل ها نیز به دلیل افزایش اثر متقابل آنها بر یکدیگر، میزان جابجایی قائم را تشدید می کند. همچنین مشخص شد اختلاف فاز در عملیات حفاری، پایداری محیط پیرامون تونل ها را کاهش می-دهد. بر اساس مجموع نتایج تحلیل های انجام شده در این مطالعه، استفاده از الگوی Side wall drift با حفاری هم فاز و استقرار تونل ها در فاصله سه برابری قطر آنها، تا حد زیادی اثرات نامطلوب ناشی از احداث تونل های دوقلو ی کم-عمق در زمین های نرم را مرتفع خواهد کرد. به طوری که دقت در پیش بینی رفتار این قبیل تونل ها به شدت تابعی از صحت مدل سازی شرایط بارگذاری سطحی است.
کلید واژگان: تونل دو قلو, روش اجزاء محدود, NATM, الگوی حفاری, نشست سطحیRealizing influencing factors in reducing tunneling-induced settlement, especially in urban and industrial environment, is important to underground construction because excessive ground displacements could trigger potential damage to existing structures. In this research, the impacts of different NATM patterns on the magnitude of induced surface settlements due to excavation of shallow twin-tunnel (such as urban metro tunnels) are investigated. To this aim, finite element method using ABAQUS commercial application was implemented to simulate NATM excavation famous patterns including top heading (TH), central diaphragm wall (CDW) and side wall drift (SWD). The effects of further parameters like excavation lagging, pillar width (horizontal distance between the tunnels) and various loading patterns on the lining stability and surface settlements were also investigated. Comparison of the results show that in the same conditions of loading and using SWD pattern, the deformations is decreased and the threshold of load-bearing can be increased up to two times. On the other hand, the response of ground-tunnel system and the interaction between tunnels are significantly affected by the status and amount of surcharge. In addition, the finite element analysis confirmed that the reduction of the pillar width tends to increase the ground settlements and cause more subsurface deformations due to increasing the tunnels interaction, regardless of surcharge condition. It is demonstrated that although the increase of excavation lagging does not have considerable influence on the surface settlements, it decreases the lining stability. Generally, it can be concluded that by using SWD pattern with zero step lag of excavation and when the pillar width is higher than three times the radii of the tunnel, the unfavorable impacts resulting from the construction of shallow twin tunnel in soft ground would be limited. Accuracy in the prediction of such tunnels behavior is strictly a function of the proper modeling of surface loading conditions.Keywords: Twin Tunnel, Finite Element Method, NATM, Excavation Pattern, Surface Settlement -
هدف از پژوهش حاضر بررسی قابلیت کاربرد ترکیبات زائد صنعت فولادسازی ازجمله سرباره کوره بلند و فولادسازی، در اصلاح رفتار خاکهای متورم شونده است. بدین منظور در شرایط آزمایشگاهی مقادیر صفر تا 30 درصد وزنی، GBFS و BOS به اسمکتیت اضافه و پس از عمل آوری در چندین بازه زمانی مختلف، مجموعه ای از آزمایشهای بزرگساختاری و ریزساختاری انجام شد. آهک نیز به عنوان یک ماده افزودنی متداول و با هدف ارزیابی عملکرد GBFS و BOS، مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان میدهد در زمانهای کم عمل آوری و با افزودن حدود %20 سرباره، ناشی از تبادل کاتیونی و افزایش فشار اسمز، تورم خاک کنترل میشود. از طرفی بر اساس طیف های اشعه ایکس مشخص شد با عمل آوری مناسب و به دلیل رشد ترکیبات سیمانی خصوصا در نمونه های حاوی BOS، مصرف سرباره لازم برای کنترل تورم تا 4 برابر کاهش خواهد یافت. اضافه کردن سرباره و افزایش زمان نگهداری، همانند حضور آهک باعث بهبود خصوصیات مقاومتی خاک نیز میگردد. بنحویکه UCS نمونه اسمکتیت همراه %30 کنورتور پس از 90 روز نگهداری، تقریبا 12 برابر نسبت به نمونه اولیه افزایش می یابد. در مجموع نتایج بدست آمده از این مطالعه بیانگر آنست که استفاده از زباله های صنعت فولادسازی به ویژه BOS، جایگزین مناسبی برای آهک در تثبیت خاکهای رسی مسئله دار بوده که علاوه بر کاهش هزینه های اجرایی، کمک موثری در مدیریت پسمانداری این ترکیبات و حفظ محیط زیست خواهد کرد.
کلید واژگان: اسمکتیت, GBFS, BOS, تثبیت, پتانسیل تورمExpansive clayey soils، which are predominantly distributed throughout the world، have complicated behavior. Heaving and settling in these soils may pose considerable problems and severe damage to structures that come into their contact or constructed out of them and consequent distress to people if not adequately taken care of. Granulated blast furnace slag (GBFS) and basic oxygen furnace slag (BOS) are two types of by-product materials resulting from the manufacture of iron that are produced in large amount throughout the world. The proper disposal of such byproducts is one of the major issues for environmentalists since leaving them to the environment directly may cause health problems. Hence، the aim of this study is to investigate the potential use and effectiveness of expansive soils treatment using GBFS and BOS. To achieve the objectives، the admixtures were added to the clay smectite samples in proportion of 0 to 30% by weight and tests of the pH value، electrical conductivity (EC) measurement، Atterberg limits، swelling، unconfined compression strength (UCS) and X-ray diffraction analysis were performed on those samples at different curing period (i. e. 1، 3، 7، 14، 28، 45 and 90 days). Lime as a conventional additive was also used to evaluate the performance of GBFS and BOS. The results reveal that in the limited curing condition (i. e. less than 3 days) and with the addition of 20% slag، the swelling could be eliminated mainly due to the short term reactions (i. e. cation exchange and osmotic pressure increasing). On the other hand، based on the X-ray graphs it was found that with appropriate curing (more than 7 days) and due to the growth of the cementation compounds such as calcium silicate hydrates (CSH) and calcium aluminate hydrates (CAH)، especially in samples containing BOS، the needed slag to control heave potential will be declined up to 4 times. The presented results indicate that highly expansive clayey soils can be stabilized satisfactorily by lime and following adequate curing due to development of the pozzolanic reaction. Beside، with a further increase in the lime content، the pozzolanic activity can not continuously take place and the excessive addition of lime caused a reduction in the mechanical capacity. On the other hand، the samples containing slag show a progressive increase in the strength with increasing the additive content and could overcome the difficulties associated with the use of lime. For example، the USC of smectite sample with 30% BOS and after 90 days of curing was almost 12 times higher than the untreated sample. However، in the presences of GBFS due to lower solubility and limitation of pozolanic activity the lower change was observed. The The macro and micro level experiments results of this study indicate that the utilization of iron and steel slags especially basic oxygen furnace slag (BOF) is a good alternative for lime stabilization which reduces the cost of soil treatment project and help the management of these byproducts.Keywords: Smectite, GBFS, BOS, Stabilization, Swelling potential -
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، سال چهل و چهارم شماره 3 (پیاپی 76، پاییز 1393)، صص 17 -25اسمکتیت به واسطه داشتن یک سری خصوصیات مهندسی ویژه، در بسیاری از پروژه های عمرانی و زیست محیطی همچون دفن مهندسی زباله های اتمی، مراکز دفن زباله صنعتی و شهری، و دیواره های آب بند، مورد استفاده قرار می گیرد. علی رغم تحقیقات وسیعی که در زمینه رفتار مهندسی رس اسمکتیت انجام شده است، به موضوع تاثیر تغییر خصوصیات مایع منفذی و افزایش حرارت بر پارامترهای ژئوتکنیکی و ژئوتکنیک زیست محیطی اسمکتیت در تحقیقات قبلی، توجه کمتری معطوف شده است. در تحقیق حاضر، تاثیر تغییر مایع منفذی و گرادیان حرارتی بر رفتار فیزیکی- مکانیکی اسمکتیت مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفته است. این مطالعات در مقیاس درشت ساختاری و ریزساختاری انجام شده است. برای تغییر مشخصات محیطی مجاور خاک از الکترولیت های حاوی کاتیون سدیم و کلسیم و تغییر شرایط گرمایی تا محدوده °C200 استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که بر اثر مجاورت خاک با رژیم آبی حاوی املاح و همچنین تغییرات دمایی، قابلیت جذب و نگهداری آب توسط اسمکتیت و رفتار مکانیکی آن تغییر می کند. دامنه این تغییرات در برخی از موارد مورد مطالعه بیش از 50% بوده است. با توجه به نتایج آزمایش های ریزساختاری، علت تغییر در رفتار اسمکتیت بعد از اندرکنش با الکترولیت های مختلف و افزایش درجه حرارت، ناشی از تغییر مورفولوژی، تغییر در نیروهای بین پولک ها و ایجاد آرایش جدید پولک های رسی بوده که سبب تغییر در رفتار بزرگ ساختاری خاک می شود.
کلید واژگان: اسمکتیت, مایع منفذی, حرارت, تغییر ریزساختار, تغییر خصوصیات مهندسیJournal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz, Volume:44 Issue: 3, 2015, PP 17 -25IntroductionResearchers use smectite in different geotechnical and geo-environmental projects, such as industrial/municipal waste disposal sites and cut-off walls due to its specific properties. On the other hand, previous researches show that the load conditions, and pore fluid properties may significantly affect the behaviour of clayey soils. In spite of several researches that have been conducted on the engineering behaviour of smectite clays, there has been little attention to the influence of pore fluid changes and temperature increase on the geotechnical and geo-environmental properties of smectite. In this research, the influence of pore fluid properties changes and temperature on thephysico-mechanical behaviour of smectite has been Experimentally investigated. This study has been performed from micro-and macro-structural points of view.MethodologyDue to the vast applications of smectite in geotechnical and geo-environmental engineering projects, this study focuses on a smectitic soil sample behaviour. The geotechnical properties of soil were determined based on the ASTM Standard [1]. The geo-environmental engineering properties of soil were measured by the method presented by Yong et al. [2]. The pore fluid analysis was performed by GBC 932 Plus atomic absorption spectrophotometer. Tables 1 and 2 show the geotechnical and geo-environmental engineering parameters of smectite sample. To investigate the possibility of changes of smectite behaviour due to the changes of pore fluid properties, the influence of calcium and sodium ions upon smectite behaviour was studied. These two cations are the most common cations that might be found in different sites. For this purpose, calcium sulfate and sodium sulfate in concentration of 0 to 1 normal was used. In addition, due to the importance of swelling and water retention properties of smectitein its application as barrier in geotechnical and geo-environmental projects, a part of experiments has focused upon swelling properties change of smectite sample. Finally, by performing a series of experiments related to the interaction process of soil-water including suction and swelling, the change in smectite behaviour due to thetemperature effect was investigated. For this purpose, saturated smectite samples were kept in four different.Results And DiscussionThe achieved results indicate that due to the interaction of smectite with different electrolytes and with increasing the electrolyte concentration, the density of samples increase while the external load kept constant. This increase in density is attributed to the smectite-electrolyte interaction. A reduction in repulsive forces among clay particles was responsible for such a decrease in soil void ratio at constant external loading. Furthermore, the achieved XRD results indicate that after the interaction of clay particles with electrolyte, with increasing the electrolyte concentration, the position of basal spacing of smectite remains constant while theintensity of major smectite's peak decreases. This is attributed to the flocculated fabric due to the change in electrostatic forces among clay particles [3]. On the other hand, since hydraulic conductivity in clayey soils is a function of such a force among particles, the permeability of different smectite sample at different electrolyte concentration was evaluated. According to the results of Figure 1, the permeability may increase as much as 100 times after exposure of sample to different electrolyte concentration. In the last section of this research, the free swelling of smectite samples was measured after different levels of heat treatment from 25 to 200 oC. The results show a 16% reduction in swelling percentage of smectite after heat treatment.ConclusionsThe achieved results of this study show that due to the interaction of different electrolytes and due to the temperature change, the water retention of smectite and its mechanical behaviour will be changed. This change in some cases was more than 50%. The results of micro-structural experiments show that the main reason for these changes in smectite behaviour after the interaction with electrolyte and temperature rise, was due to the change in morphology and new soil structure of smectite particles. In fact, the micro-structural change has affected the macrobehaviour of smectite.Keywords: Smectite, Pore fluid, Temperature, Microstructure change, Engineering properties change -
شناخت عوامل عدم موفقیت در پروژه های راهسازی، تجربه ارزشمندی برای جلوگیری از تکرار این موارد در آینده خواهد بود. بر این اساس، در تحقیق حاضر علت ایجاد گسیختگی در یکی از راه های دسترسی استان همدان بررسی شد. همچنین با استفاده از آزمایش های بزرگ ساختاری و ریزساختاری، تاثیر کمیت و کیفیت کانی رسی بر بازده تثبیت شیمیایی مصالح متورم شونده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. مشخص شد ناهمسانی در ترکیب کانی ساخت بستر و حضور مونت-موریلونیت، عامل تخریب روسازی پروژه مورد نظر می باشد. به دلیل تنوع کانی های رسی در نمونه های اخذ شده از محل، قابلیت تورم آنها بیش از 80 درصد با یکدیگر تفاوت دارد. این وضعیت باعث تغییرشکل های نامتقارن، ایجاد تنش کششی و در نهایت گسیختگی رویه آسفالتی شده است. از طرفی، با توجه به تفاوت کانی ساخت مصالح رسی مورد مطالعه و با هدف ارزیابی اثر آن بر فرآیند تثبیت خاک، در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی تاثیر آهک بر رفتار نمونه های حاوی مقادیر مختلف مونت-موریلونیت و کائولینیت بررسی شد. نتایج پژوهش حاضر نشان می دهد اندرکنش رس با آهک از طریق واکنش های کوتاه مدت و بلندمدت سبب کاهش پتانسیل تورم و افزایش مقاومت می شود. مشاهده شد نرخ تاثیر این واکنش ها بر رفتار کائولینیت و مونت موریلونیت متفاوت بوده و تابعی از نوع و مقدار کانی رسی، درصد آهک و مدت زمان عمل آوری می باشد. به نحوی که با افزایش مقدار مونت موریلونیت، آستانه آهک لازم برای اصلاح خاک و شروع واکنش های بلندمدت (واکنش پوزولانی) افزایش می یابد. نتایج آزمایش های حدود اتربرگ، تورم و مقاومت فشاری موید آن است که میزان تغییر خصوصیات مهندسی خاک پس از اندرکش با ماده افزودنی یکسان نیست. افزودن 8 درصد آهک و گذشت 24 ساعت برای کنترل تورم مونت-موریلونیت از طریق واکنش های کوتاه مدت کافی بوده اگرچه افزایش مقاومت در این حالت محدود است. بر اساس آنالیز طیف های اشعه ایکس، مقدار کافی آهک و عمل آوری مناسب، سبب رشد ترکیبات سیمانی و چسبیدگی (جامد سازی) ذرات شده که باعث کاهش 30 درصدی مصرف آهک در کنترل تورم و افزایش بهره وری طرح تثبیت خواهد شد. با توجه به نتایج این تحقیق، مقدار بهینه آهک بایستی بر مبنای هدف اصلی از بهسازی و با در نظر گرفتن مدت زمان لازم برای انجام واکنش ها، انتخاب شود.
کلید واژگان: تورم بستر, گسیختگی روسازی, تثبیت شیمیایی, نوع کانی رسی, زمان عمل آوریUnderstanding of factors affecting unsuccessful road projects is a valuable experience to avoid their repetition in future. So, in this paper the reason of pavement failure of a road in north part of Hamedan province was studied. Also, the macro and micro structure tests were used to monitor the impact of quality and quantity of the clay mineral on the chemical stabilization efficiency of expansive soil. The results indicate that the presence of montmorillonite and anisotropy in the mineralogy of subgrade cause the road destruction. As can be seen in Fig.1, the soil samples obtaining from the site have different swelling potential due to variation in their mineral compositions and the differential heave in the pavement subsoil is grater than 80%. This condition contributes to uneven ground deformation and tension stress which has made pavement failure.Keywords: Subgrade expansion, pavement failure, chemical stabilization, clay mineralogy -
علی رغم تحقیقات وسیعی که در سالهای اخیر در موضوع اندرکنش خاک و آلودگی صورت گرفته است در زمینه افزایش قابلیت نگهداری آلودگی توسط نانورسها تحقیقات قابل توجهی انجام نشده است. همچنین ارزیابی تحقیقات گذشته بیانگر آن است که در پژوهش های انجام شده تاکنون، به قابلیت های ویژه نانورس ها در جذب و نگهداری آلاینده های فلزی توجه کاملی معطوف نشده است. بر این اساس هدف این پژوهش اثبات ویژگی خاص نانورس ها در جذب و نگهداری آلاینده های فلز سنگین است. در این راستا با انجام یک سری آزمایش های ژئوتکنیک زیست محیطی، رفتار ژئوتکنیک زیست محیطی چند نمونه نانورس و نیز فرآیند اندرکنش نانورس- آلاینده فلز سنگین مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور مطالعه و مقایسه رفتار ژئوتکنیک زیست محیطی نانورس با بنتونیت و اثبات قابلیت خاص نانورس ها در جذب و نگهداری آلاینده های فلز سنگین، درصدهای مختلف کربنات به نمونه های نانورس مورد مطالعه اضافه شد. با انجام یک سری آزمایش های ژئوتکنیک زیست محیطی شامل آزمایش های قابلیت جذب و نگهداری آلودگی بر نمونه های نانورس، قبل و بعد از اضافه نمودن کربنات، نشان داده شده است که قابلیت جذب بیشتر در نمونه بنتونیت در مقایسه با نمونه های نانورس صرفا به واسطه درصد قابل توجه کربنات (8%) در این نمونه است. به طوری که نمونه های نانورس غنی شده با این میزان کربنات از قابلیت جذب بیشتری نسبت به نمونه بنتونیت برخوردارند. در این مقاله همچنین فرآیند اندرکنش آلاینده و نانورس به کمک آنجام آزمایش های اشعه ایکس مطالعه شده است. اگرچه نتایج آزمایش های ظرفیت بافرینگ و میزان نگهداری فلز سنگین سرب به وسیله نانو ذرات اصلاح شده در حضور کربنات نشان میدهد که در مقایسه تاثیر سطح مخصوص خاک و درصد کربنات نمونه، بخش قابل توجهی از ظرفیت بافرینگ و قابلیت خاک در نگهداری آلاینده، ناشی از حضور کربنات است، لیکن بیشتر بودن ظرفیت بافرینگ نانورس های غنی شده در مقایسه با بنتونیت، بیانگر کارائی نمونه های نانورس در جذب و نگهداری آلاینده های فلز سنگین است که این موضوع به سطح مخصوص بسیار بزرگ نمونه های نانورس نسبت داده شده است. نتایج تحقیق حاضر نشان میدهد که در نمونه های بنتونیت، کائولینیت و چهار نانورس کلوزایت، ترتیب قابلیت نگهداری آلودگی نمونه های بنتونیت، کائولینیت و نانورس های فاقد کربنات به صورت ذیل بوده است: Bentonite > Cloisite®Na+ > Kaolinite > Cloisite®30B > Cloisite®20A > Cloisite®15A این در حالی است که با افزایش درصد کربنات، ترتیب قابلیت نگهداری آلاینده توسط نمونه های رسی فوق تغییر می کند. به نحوی که هنگامی که نمونه های نانورس با 8% کربنات غنی می شوند ترتیب قابلیت نگهداری آلودگی توسط نمونه ها به صورت ذیل بوده است: Cloisite®Na+ > Cloisite®15A ≥ Cloisite®20A > Cloisite®30B > Bentonite
کلید واژگان: کربنات, پراش اشعه ایکس, جذب آلاینده, _ فلز سنگین, نانوRecently there have been many researches on the subject of soil-contaminant interaction. However, there are very few researches on the potential of nano-clays to increase the contaminant retention of soils. In addition, reviewing the previous studies shows that the application of nano-clays in geo-environmental engineering has not been taken into consideration. The main objective of this paper is to indicate the special potential of nano-clays for heavy metal contaminant retention. To achieve this purpose, a series of geo-environmental experiments were performed to establish the fundamental aspects of nano-clay and contaminant interaction. To compare the geo-environmental behavior of nano-clay and bentonite, different concentrations of calcite were laboratory added to nano-clay samples. Series of batch equilibrium testing, and buffering capacity experiments were performed and were compared with the experimental results on bentonite, before and after addition of carbonate to nano-clay samples. It is shown that mixtures of nano clay and 8% carbonate have more contaminant retention than that of bentonite sample. In the other part of this paper the process of nano-clays and heavy metal contaminant interaction were investigated by application of XRD analysis. In addition, it is shown that even though carbonate has more impact than surface area on contaminant sorption by soils, the large specific surface are of nano clays is responsible for their very high contaminant retention ability. Therefore, the enhanced nano-clay with carbonate will be very capable for use in geo-environmental projects. The achieved results of this paper show that among bentonite, kaolinite, and four Cloisite nano-clay samples, the order of contaminant retention of samples are as follows: Bentonite > Cloisite®Na+ > Kaolinite > Cloisite®30B > Cloisite®20A > Cloisite®15A However, with addition of laboratory added carbonate to the nano-clay samples, the above order will be changed according to the following order: Cloisite®Na+ > Cloisite®15A ≥ Cloisite®20A > Cloisite®30B > Bentonite This shows a larger retention by mixture of nano-clays/8% carbonate in comparison with bentonite
Keywords: Nano, clay, Heavy metal contaminant, Calcite, Contaminant retention., X-ray diffraction -
فرایند پاکسازی خاک های آلوده به آلاینده های فلز سنگین، از چالش های متداول مراکز تحقیقاتی و اجرایی در بسیاری از کشورهای صنعتی است. یکی از روش های متداول رفع آلودگی از خاک ها، شستشوی خاک با استفاده از معرف های کی لیت کننده از جمله EDTA بوده است. علی رغم تحقیقات وسیعی که در خصوص فرآیند اندرکنش EDTA و خاک های رسی آلوده انجام شده است، بهینه سازی فرآیند رفع آلودگی، از خاک های با سطح مخصوص زیاد، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. هدف این تحقیق، مطالعه امکان بهینه سازی روش استفاده از EDTA در رفع آلودگی سرب از بنتونیت، با تاکید بر متغیرهای تعداد دفعات شستشو با محلول کی لیت کننده، pH سیستم، و میزان استخراج فلز سنگین سرب از بنتونیت، بوده است. جهت دستیابی به هدف فوق، نمونه های بنتونیت، به طور مصنوعی با محلول نیترات سرب در غلظت های مختلف آلوده شد و پس از خشک شدن در معرض غلظت های متفاوت EDTA قرار گرفت و میزان رفع آلودگی از بنتونیت اندازه گیری شد. نتایج نشان می دهد که میزان استخراج سرب توسط EDTA، تقریبا در تمامی حالات، برابر با غلظت محلول کی لیت کننده است. همچنین، بر اساس نتایج به دست آمده، میزان استخراج سرب توسط EDTA تنها وابسته به نسبت بین غلظت های محلول شستشو و آلاینده موجود در خاک() است و به تغییرات pHسوسپانسیون، ناشی از تغییر غلظت آلاینده یا محلول EDTA، وابسته نیست. این مسئله بیان می کند که بافرینگ قابل توجه بنتونیت، در مقایسه با دیگر متغیرهای ذکرشده، تاثیر کمتری در فرآیند اندرکنش EDTA و بنتونیت آلوده داشته است.
کلید واژگان: بنتونیت, EDTA, سرب, رفع آلودگی از خاکThe remediation of heavy metal contaminated soils is one of the known challenges of researches in many industrial countries. The use of EDTA (Na2EDTA.2H2O) is one of the common soil-washing methods. In spite of several research conducted on this subject, the optimization of the use of EDTA for heavy metal removal from contaminated soils, specifically soils with relatively high surface area, are not well addressed in the literature. The main objective of this research is to evaluate the optimization of the use of EDTA in remediation of Pb-contaminated bentonite. To achieve the above mentioned objective, bentonite samples were laboratory contaminated with different concentrations of lead nitrate. Lead nitrate at concentrations of 0.001, 0.005, 0.01, 0.5 and 0.7 mol/l (1, 5, 10, 50 and 70 cmol/kg-soil) was used to laboratory contaminate bentonite. After drying the contaminated samples, they were exposed to different concentrations of EDTA. EDTA at concentrations of 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, and 0.1 mol/l (1, 5, 10, 50, and 100 cmol/kg-soil) was used in 1:10 soil:electrolyte ratio in accordance to EPA. For sample preparation, 20 ml of EDTA at the required concentration was added to 2 grams of a dried contaminated bentonite. Samples were shaken for 2 hours on a horizontal shaker. Then, they were kept for 96 hours to reach equilibrium. In these 96 hours of equilibrium, soil samples in centrifuge tubes were shaken 2 hours in each 24 hours. Finally, samples were centrifuged with 4000 rpm to separate the solid and electrolyte. Then, the efficiency of Pb removal from samples was measured by analyzing the electrolyte. It should be emphasized that to prevent precipitation of lead ions in electrolyte, nitric acid was added to electrolyte to keep the pH less than 2. The achieved results show that the quantity of removed Pb ions by the application of EDTA is relatively equal to the concentration of applied EDTA. In other words, as the 1, the quantity of lead removal by EDTA is equal to EDTA concentration. This quantity of lead removal is neither a function of lead concentration nor to the number of soil washing by EDTA. In addition, since the quantity of removed Pb is only a function of EDTA/Pb ratio, therefore such a removal is not dependent to the pH variations caused by different concentrations of Pb or EDTA. This approves that the high buffering capacity of bentonite in comparison to other variables of environment has the minimum impact on the interaction process of EDTA and heavy metal contaminated bentonite.Keywords: Bentonite, EDTA, Pb, Soil remediation -
بنتونیت به دلیل داشتن خصوصیات مهندسی ویژه، نظیر قابلیت تورم و جذب آب زیاد، در طراحی مراکز دفن زباله های اتمی کاربرد دارد. پایداری خصوصیات بنتونیت، مهم ترین عامل در عملکرد مطلوب مرکز دفن محسوب می شود. در این پژوهش با انجام یک سری آزمایش های رفتاری در دماهای مختلف، سازوکارهای تغییر رفتار بنتونیت مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج این تحقیقنشان می دهد که خصوصیات مهندسی و رئولوژیکی)سیلان شناختی(بنتونیت تحت اثر افزایش حرارت تغییر می کند. با افزایش گرما تا محدوده ی $^c i r cr m{C}$ 200، ظرفیت جذب و نگه داری آب بنتونیت حدود 15 درصد و میزان تورم خاک حدود 8 درصد کاهش می یابد. براساس نتایج آزمایش های ویسکومتری و X R D، علت تغییر خصوصیات بنتونیت در مجاورت کوتاه مدت گرما را می توان به تغییر آرایش پولک های رسی و جمع شدگی ماندگار ساختار خاک نسبت داد.
کلید واژگان: زباله ی رادیواکتیو, حرارت, بنتونیت, تغییر ریزساختار, تغییر خصوصیات مهندسی, XRDBentonite is commonly used as a buffer material in high level nuclear waste (HLW) repositories due to its swelling and water adsorption properties. The stability of the engineering and rheological properties of bentonite is an essential factor in radioactive waste disposal projects. Such a change in properties might occur, due to the high temperature in HLW repositories. In spite of much research conducted on the stability of mechanical properties of bentonite, there has not been enough attention paid to the temperature impact on the stability of these properties. Therefore, the main objective of this paper is to focus attention on the stability of the engineering and rheological properties of bentonite, due to temperature variations in radioactive waste disposal. To achieve this objective, a series of mechanical and geo-environmental experiments were performed. These include Atterberg limit testing, suction experiments, XRD, viscosity measurement, and the swelling experiment. These experiments were performed after curing samples under different temperature conditions. The smectite soil used in this research was provided by the ``Iran Barit Company''. The engineering analyses were conducted using the procedures described in the laboratory manual of the Geotechnical Research Center of McGill University and in the manual of EPA.The experimental results of this paper show that an increase in temperature will change the initial properties of bentonite. These changes mainly occur if the temperature goes above 100 C$^circ$. According to the achieved results, at temperatures above 200 C$^circ$, there will be 15 percent reduction in water retention and 8% reduction in the swelling of bentonite. In addition, based on viscosity and XRD results, the change in bentonite properties can be attributed to the change in attraction and repulsive forces among clay particles, which create a noticeable change in the microstructure of soil. Furthermore, according to experimental results, it is concluded that the impact of temperature changes on the micro-structural units of smectite will contribute to the building blocks for the macro-structure of the clay soil. Also, the influence of temperature on micropores and macropores forms the overall soil structure, which will change the permeability of heated smectite. Finally, it is concluded that the instability of bentonite properties at temperatures above 100 C$^circ$ makes it necessary to control the temperature of radioactive waste under 100 C$^circ$ prior to their disposal.
Keywords: Radioactive Waste, Temperature, Bentonite, Structural Change, Change In Engineering Properties, XRD -
هدف از این پژوهش بررسی علل ایجاد پراکندگی ساختار مونت موریلونیت متاثر از خصوصیات شیمیایی مایع منفذی خاک از جمله pH آن است. به منظور دستیابی به این هدف، با استفاده از خاک رسی بنتونیت که بخش عمده آن شامل کانی مونت موریلونیت باشد، ابتدا در شرایط آزمایشگاهی با ترکیب خاک و الکترولیتهای حاوی سولفات سدیم و هیدروکسیدسدیم، نمونه هایی با ساختار پراکنده تهیه شد. سپس با استفاده از اسیدسولفوریک، pH نمونه های مورد مطالعه را تغییر داده و با آزمایشهای فیزیکی و تحلیلهای ریزساختاری، تغییر رفتار خاک ارزیابی شده است.
نتایج بیانگر آن است که در حضور کاتیون سدیم، با غلظت پایین میزان پراکندگی ساختار کانی مونت موریلونیت افزایش یافته و با بیشتر شدن غلظت الکترولیت، ساختار خاک به حالت مجتمع تبدیل می شود. از طرفی در نمونه های با حداکثر ساختار پراکنده و غلظت مشخص کاتیون سدیم، افزایش غلظت یون هیدروژن قابلیت پراکندگی ذرات رسی را کاهش می دهد به نحوی که تغییرات موجود متاثر از pH و تابعی از منشا آنیونی الکترولیت موجود در خاک است. تصاویر SEM صحت تغییر آرایش سطوح رسی ناشی از تغییر pH را تایید می کنند. همچنین تغییر کاهش محل قله اصلی، در طرح پراش پرتو X نمونه های بنتونیت پراکنده حاوی اسید، مؤید کاهش قابلیت پراکندگی ساختار ناشی از کاهش pH است.
کلید واژگان: مونت موریلونیت, بنتونیت, ساختار پراکنده, pH خاک, پولک رسی -
هدف اصلی این پژوهش، با توجه به اهمیت مشخصات ریزساختاری کانی شناختی و زیربافت در رفتار مهندسی خاک های ریزدانه، بررسی تاثیر خصوصیات شیمیائی مایع روزنه ای خاک های رسی بر تغییر ریزساختار آن است. بدین منظور نخست با استفاده از مخلوط خاک بنتونیت و نمک های سدیم با منشا آنیونی متفاوت، مجموعه ای از نمونه های مصنوعی خاک- الکترولیت به نسبت 1:50 تهیه و سپس با آزمایشهای فیزیکی و آزمایشهای SEM و XRD تغییر رفتار خاک بررسی می شود.
نتایج آزمایشهای فیزیکی نشان می دهد که، با افزایش غلظت الکترولیت، رفتار خاک از نظر تمایل به برهم کنش با آب کاملا تغییر می کند. نتایج تصاویر SEM نیز نشان می دهد که با حضور کاتیون سدیم و در غلظت های کم نمک، نخست ساختار خاک حالت پراکنده و با افزایش بیشتر غلظت نمک به لخته تبدیل می شود که ناشی از غلبه نیروهای جاذبه بر نیروهای دافعه بین سطوح رسی است. همچنین با تغییر مایع روزنه ای بنتونیت، تغییرات عمده ای در موقعیت و شدت قله پراش پرتو X ایجاد می شود. بر این اساس، تغییرات ایجاد شده در رفتار مکانیکی را می توان به تغییر نیروهای بین سطوح ذرات رسی در مقیاس ریز ساختاری نسبت داد.
کلید واژگان: خصوصیات ریزساختاری, بنتونیت, مایع روزنه ای, SEM, XRDConsidering the importance of micro-structural characteristics of clayey soils on their behavior, the main objective of this research is to investigate the effect of pore fluid properties variations on clayey soils and their physical and micro-structural changes. For experimental purposes, soil-electrolyte solutions with the ratio of 1:50 prepared. A series of physical experiments, as well as, SEM and XRD experiments performed to investigate any variation on the soil behavior due to the changes in pore fluid properties. The results of the physical experiments indicate that, with increasing the electrolyte concentration, one will be faced with a change on the soil behavior including its interaction with water. The SEM pictures indicate that with the presence of sodium ions at low concentration, first soil takes a dispersive structure. With a further increase in salt concentration, and due to an increase in attractive forces in comparison with repulsive forces within clay particles, a flocculated structure forms. In addition to the above, during this process, a change will happen on the intensity and basal spacing of clay mineral. It is concluded that the main reason for a noticeable change in physical behavior of soil can be attributed mainly to the significant change in electrostatic forces of clay particles.
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.