حذف فتوکاتالیستی ترکیبات‌ نفتی از خاک‌های آلوده با استفاده از نانوذرات و تابش نور فرابنفش

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکده محیط زیست و بیوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت

چکیده

خاک‌های آلوده به ترکیبات نفتی بالاخص هیدروکربن‌های پلی آروماتیک یکی از معضلات محیط‌ زیست محسوب می‌شود. این گروه از هیدروکربن‌های نفتی با ترکیبات پیچیده دو حلقه‌ای یا چند‌ حلقه‌ای، از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند. روش‌های زیادی برای پاک‌سازی خاک‌های آلوده ارائه شده است که اکثراً پر هزینه بوده و دارای فرآیندی پیچیده و دشوارند. هدف از انجام این تحقیق، نحوه استفاده از فرآیند فتوکاتالیستی جهت حذف پایرن از هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک از خاک‌ آلوده است. در این تحقیق، با استفاده از روش رویه پاسخ، نمونه خاک به‌طور مصنوعی با غلظت mg/kg 40 پایرن آلوده گردید و با کمک طراحی آزمایش بر سطح آنها غلظت‌های 2، 4، 6، 8 و10 % وزنی از کاتالیست‌های TiO2ا، ZnO و SnO2 نشانده شد. نمونه‌های آلوده به مدت 10، 15 و20 ساعت در معرض تابش لامپ UV-C در داخل فتوراکتور تخریب قرار گرفتند. غلظت اولیه پایرن در خاک و همچنین غلظت‌های متفاوت از کاتالیست‌های مصرفی نشان داد، استفاده از 10 % وزنی کاتالیست TiO2 طی 20 ساعت، منجر به حذف 71 % پایرن از خاک شد. میزان کاهش پایرن از خاک با استفاده از روش استاندارد 5520-D توسط دستگاه طیف‌سنجی UV فلورسانس تعیین گردید. ادامه فرآیند حذف فتوکاتالیستی هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک با استفاده از نانو فتوکاتالیزورهای مختلف و تاثیر عواملی نظیر نوع و غلظت کاتالیست و زمان تابش UV بررسی شد. همچنین درصد راندمان حذف پایرن از خاک آلوده تعیین گردید و طیف‌های جذبی مربوط به آن‌ ارائه شد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Photocatalytic Removal of Petroleum Hydrocarbon Contaminated Soils Using Nanoparticles and UV Light

نویسندگان [English]

  • Ahmad Roshani
  • Saeideh Tasharrofi
  • Hameideh Samari Jahromi
  • Hossein Asgarzadeh
Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran
چکیده [English]

Soils contaminated with petroleum compounds, especially polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH’s), are one of the major environmental problems that threats the ecosystem and human life. This complex mixture of petroleum hydrocarbons is fused and contains various isomers of carbon and hydrogen, which are composed of a double rings or more loops. Today, many well-developed methods have been proposed for the remediation of contaminated soil, which, regardless of the complexity of the process, are very difficult and costly. The aim of this study was to decontaminate polluted soils from pyrene as an index of poly aromatic hydrocarbons (PAH’s). The remediation of PAH compounds like pyrene was carried out by using nano-photocatalysts. In this study, the response surface methodology (RSM) is performed for the formulation of catalyst concentration and UV exposure time. Under laboratory conditions, artificially clean soil samples were sterilized and contaminated with 40 mg/kg pyrene. Then, 5 grams of the soil contaminated with a solution of 40 ppm pyrene (PAH’s compounds) were well mixed with different nano-photocatalyst concentrations of 2, 4, 6, 8, and 10 wt%. of TiO2, ZnO, and SnO2. The soil samples were exposed to UV-C light (15 Watt at a wavelength of 254 nm) in a photo-degradation reactor for 10, 15, and 20 hrs of exposure. Under the photo-oxidation reactions, the removal of pyrene from the soil samples was calculated according to a standard method (ASTM D-5520) of fluorescence UV spectroscopy. The results showed that the degradation of pyrene by the mentioned nano-photocatalysts were possible and the highest rate of degradation (71%) was obtained at a TiO2 catalyst concentration of 10 wt.% during 20 hrs of UV exposure. In this paper, the photocatalytic removal of hydrocarbons was studied by using a nano-photocatalytic degradation process having various factors such as the effect of catalyst type, catalyst concentration, and UV irradiation exposure time. Finally,  the removal of pyrene from soil was determined and the corresponding absorption spectra were presented
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Remediation
  • Soil
  • Nanomaterial
  • PAH’s
  • Photocatalysts
[1]. Marins Pala D. Carvalho D. and Lippel G. “A suitable model to describe bioremediation of petroleum contaminated soil,” International Biodeterioration, Vol. 58, pp. 254-260. 2006.##

[2]. کردوانی پ. «حفاظت خاک»، انتشارات دانشگاه تهران. صفحات 112، 115 و 213 ،1367.##

[3]. دبیری م. « آلودگی محیط‌زیست هوا، آب، خاک و صوت»، انتشارات اتحاد. صفحات  35 ، 37 و 41 ، 1375.##

[4]. Karn B., Kuiken T., Otto M., “Nanotechnology and in situ remediation: A review of the benefits and potential risks,” Environmental Health Perspectives 117: pp. 1823-1831, 2009.##

[5]. Boehm “Nanotechnology in environmental applications,” Report NAN039A, BCC Research, Wellesley, 2006.##

[6]. USEPA, “US EPA Workshop on Nanotechnology for Site Remediation,” Washington DC. Available http:// epa.gov/ncer/publications/workshop/pdf. , 2005.##

[7]. Dong D., Li P., Li X., Xu C., Gong D., Zhang Y., Zhao Q., Li P., “Photo catalytic degradation of phenanthrene and pyrene on soil surfaces in the presence of nanometer rutile TiO2 under UV-irradiation,” Chemical Engineering Journal, Vol. 158, issue 3, pp. 378-383, Jan. 2010.##

[8]. Chang M. C., Shu H. Y., Hsieh W. P., and Wang M. C., “Remediation of soil contaminated with pyrene using ground nanoscale zero-valent iron,” Journal of the Air & Waste Management Association 57: pp. 221-227, 2007.##

[9]. Hamerski M., Joanna Grzechulska, Antoni W., and Morawski, “Photocatalytic purification of soil contaminated with oil using modified TiO2 powders,” Department of Water Technology and Environmental Protection, Technical University of Szczecin, Poland. May 2013. ##

[10]. Zhang L., Li P., Gong Z., and Li X. “Photocatalytic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons on soil surfaces using TiO2 under UV light,” Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, China, Oct. 30, 2008.##

[11]. Li-hong ZH., Pei-jun L., Zong qiang G., Oni Adeola A., “Photochemical behavior of benzo[α]pyrene on soil surfaces under UV light irradiation- Institute of Applied Ecology,” Chinese Academy of Sciences, Shenyang, China. Journal of Environmental Sciences, Vol. 18, No.6, pp. 1226-1232, 2006.##

[12]. Donga D., Li X., Zhaoa Q., Zhanga Y., Jia Ch., Li P., “Investigation on the photocatalytic degradation of pyrene on soil surfaces using nanometer anatase TiO2 under UV irradiation: Institute of Applied Ecology,” Chinese Academy of Sciences”, Shenyang, China, Journal of Hazardous Materials, Vol. 192, No.3, pp. 859–863, 2010.##

[13]. Gan S., “Remediation of soils contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) a Department of Chemical and Environmental Engineering,” The University of Nottingham Malaysia Campus, Malaysia . Journal of Hazardous Materials, Vol. 172, Issues 2–3, pp. 532–549, 30 Dec. 2009.##