بررسی اثر نانوذرات مهندسی شده دی‌اکسید تیتانیوم بر آلودگی محیط‌های آبی به فلزات سنگین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده محیط‌زیست، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده محیط‌زیست، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 دانشیار، پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

4 استاد، گروه شیمی معدنی، کریستالوگرافی و کانی‌شناسی، مالاگا، اسپانیا

چکیده

به‌دلیل خواص اکسیدکنندگی بسیار قوی، نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم یا تیتانیا به‌طور گسترده‌ای در صنعت تصفیه آب و فاضلاب، برای حذف یا کاهش آلاینده‌های مختلف استفاده می‌شود. خاصیت ویژه این ماده موجب شده تا اثرات جانبی آن بر محیط‌زیست و به‌خصوص اکوسیستم‌های آبی نادیده گرفته شود. در این پژوهش، از غلظت‌های مختلف نانوذرات تیتانیا در یک دوره زمانی 96 ساعته و در مقیاس آزمایشگاهی استفاده ‌شد تا اثر آنها بر اندرکنش فلزات سنگین در محیط‌های آبی ارزیابی شود. همچنین در تمامی آزمایش‌ها، از رسوبات تالاب انزلی که آلوده به فلزات سنگین بودند استفاده ‌شد. نتایج نشان ‌داد که آرسنیک تحت تأثیر شدید خواص نانوذرات تیتانیا قرار می‌گیرد، به‌طوری که در غلظت ppb 50 تیتانیا، غلظت آرسنیک در ستون آب از صفر به ppb 9 ‌رسید و هم‌زمان تمام پیوندهای قابل‌تبادل آن از رسوب جدا شدند. علاوه بر آرسنیک، نیکل هم تحت تأثیر عملکرد نانوذرات تیتانیا از رسوب جدا و وارد ستون آب شد و این فرایند به‌طور معمول از طریق دفع پیوندهای آلی انجام ‌شد. اندازه‌گیری‌ها نشان ‌داد که ppb 50 تیتانیا باعث می‌شود که غلظت‌های منگنز، مس و روی در ستون آب به‌ترتیب از 42، 32 و ppb 29 به 7/17، 87/2 وppb  9/20 کاهش یابند و در نتیجه جذب رسوب شوند. بنابر نتایج تفکیک شیمیایی رسوب، جذب فلزات سنگین به‌طور معمول به‌صورت پیوندهای قابل‌تبادل و سولفیدی انجام می‌شود. این درحالی است که دو فلز سرب و کبالت تحث تأثیر خواص نانوذرات تیتانیا قرار نگرفته و رفتار خوددار از خود به نمایش می‌گذارند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Effect of Engineered Nano-Titanium Dioxide on Heavy Metals Contamination in Aquatic Environments

نویسندگان [English]

  • Ali Marefat 1
  • Abdoreza Karbassi 2
  • Behzad Aghabarari 3
  • Enrique Rodríguez Castellón 4
1 PhD. Student, School of Environment, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Prof., School of Environment, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Assoc. Prof., Dept. of Nanotechnology and Advanced Materials, Material and Energy Research Center, Karaj, Iran
4 Prof., Dept. of Inorganic Chemistry, Crystallography and Mineralogy, Malaga, Spain
چکیده [English]

Due to strong oxidizing properties, titanium dioxide or titania nanoparticles are widely used in the water and wastewater treatment industry to remove or reduce various contaminants. The extraordinary properties of titania have led to the neglect of its side effects on the environment, especially on the aquatic ecosystems. In this study, different concentrations of titania nanoparticles were used over a period of 96 hours in lab scale to evaluate their impact on the heavy metals distribution in an aqueous media. The sediment samples of Anzali wetland contaminated with heavy metals were applied in all experiments. The results revealed that arsenic (As) was strongly affected by titania nanoparticles and its exchangeable bonds were desorbed from the sediment. Subsequently, 50 ppb titania led to concentration of As in the water column, which increased from 0 to 9 ppb. In addition to As, nickel (Ni) was desorbed from sediment through the separation of its organic bonds. On the other hand, 50 ppb titania reduced the concentrations of manganese (Mn), copper (Cu) and zinc (Zn) in the water column from 42, 32 and 29 ppb to 17.7, 2.87 and 20.9 ppb, respectively. According to the chemical extraction analysis, heavy metals adsorption in the sediment was mainly in the form of exchangeable and sulfide bonds. However, lead (Pb) and cobalt (Co) were not affected by titania and exhibited a conservative behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Titanium Dioxide
  • Heavy Metal
  • Chemical Extraction
  • Sediment
  • Interaction

مراجع

Carbonell-Barrachina, A., Jugsujinda, A., Delaune, R., Patrick Jr, W., Burló, F., Sirisukhodom, S., et al. 1999. The influence of redox chemistry and pH on chemically active forms of arsenic in sewage sludge-amended soil. Environment International, 25, 613-618.
Chakhari, W., Naceur, J. B., Taieb, S. B., Assaker, I. B. & Chtourou, R. 2017. Fe-doped TiO2 nanorods with enhanced electrochemical properties as efficient photoanode materials. Journal of Alloys and Compounds, 708, 862-870.
Domingos, R. F., Tufenkji, N. & Wilkinson, K. J. 2009. Aggregation of titanium dioxide nanoparticles: role of a fulvic acid. Environmental Science and Technology, 43, 1282-1286.
Du Laing, G., De Vos, R., Vandecasteele, B., Lesage, E., Tack, F. M. & Verloo, M. G. 2008. Effect of salinity on heavy metal mobility and availability in intertidal sediments of the Scheldt estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 77, 589-602.
Fan, X., Wang, C., Wang, P., Hu, B. & Wang, X. 2018. TiO2 nanoparticles in sediments: effect on the bioavailability of heavy metals in the freshwater bivalve Corbicula fluminea. Journal of Hazardous Materials, 342, 41-50.
Fan, X., Wang, P., Wang, C., Hu, B. & Wang, X. 2017. Lead accumulation (adsorption and absorption) by the freshwater. bivalve Corbicula fluminea in sediments contaminated by TiO2 nanoparticles. Environmental Pollution, 231, 712-721.
Gottschalk, F. & Nowack, B. 2011. The release of engineered nanomaterials to the environment. Journal of Environmental Monitoring, 13, 1145-1155.
Kalyanasundaram, K. 2013. Photochemical applications of solar energy: photocatalysis and photodecomposition of water. Photochemistry, 41, 182-265.
Kang, X., Liu, S., Dai, Z., He, Y., Song, X. & Tan, Z. 2019. Titanium dioxide: from engineering to applications. Catalysts, 9(2), 191.
Karbassi, A. & Marefat, A. 2017. The impact of increased oxygen conditions on heavy metal flocculation in the Sefidrud estuary. Marine Pollution Bulletin, 121, 168-175.
Karbassi, A., Nouri, J., Mehrdadi, N. & Ayaz, G. 2008. Flocculation of heavy metals during mixing of freshwater with Caspian Sea water. Environmental Geology, 53, 1811-1816.
Liu, B., Yang, J., Zhao, X. & Yu, J. 2017. The role of electron interfacial transfer in mesoporous nano-TiO2 photocatalysis: a combined study of in situ photoconductivity and numerical kinetic simulation. Physical Chemistry Chemical Physics, 19, 8866-8873.
Luo, Z., Wang, Z., Wei, Q., Yan, C. & Liu, F. 2011. Effects of engineered nano-titanium dioxide on pore surface properties and phosphorus adsorption of sediment: its environmental implications. Journal of Hazardous Materials, 192, 1364-1369.
Maurer-Jones, M. A., Gunsolus, I. L., Murphy, C. J. & Haynes, C. L. 2013. Toxicity of engineered nanoparticles in the environment. Analytical Chemistry, 85, 3036-3049.
Miao, S., Delaune, R. & Jugsujinda, A. 2006. Influence of sediment redox conditions on release/solubility of metals and nutrients in a Louisiana Mississippi River deltaic plain freshwater lake. Science of the Total Environment, 371, 334-343.
Nasrabadi, T., Nabi Bidhendi, G., Karbassi, A. & Mehrdadi, N. 2010. Partitioning of metals in sediments of the Haraz River (Southern Caspian Sea basin). Environmental Earth Sciences, 59, 1111-1117.
Saratale, R. G., Karuppusamy, I., Saratale, G. D., Pugazhendhi, A., Kumar, G., Park, Y., et al. 2018. A comprehensive review on green nanomaterials using biological systems: recent perception and their future applications. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 170, 20-35.
Sun, H., Zhang, X., Zhang, Z., Chen, Y. & Crittenden, J. C. 2009. Influence of titanium dioxide nanoparticles on speciation and bioavailability of arsenite. Environmental Pollution, 157, 1165-1170.
Tessier, A., Campbell, P. G. & Bisson, M. 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry, 51, 844-851.
Yin, Z., Song, L., Song, H., Hui, K., Lin, Z., Wang, Q., et al. 2020. Remediation of copper contaminated sediments by granular activated carbon-supported titanium dioxide nanoparticles: mechanism study and effect on enzyme activities. Science of the Total Environment, 741, 139962.
Zhang, C., Yu, Z. G., Zeng, G. M., Jiang, M., Yang, Z. Z., Cui, F., et al. 2014. Effects of sediment geochemical properties on heavy metal bioavailability. Environment International, 73, 270-281.
Zhang, X., Sun, H., Zhang, Z., Niu, Q., Chen, Y. & Crittenden, J. C. 2007. Enhanced bioaccumulation of cadmium in carp in the presence of titanium dioxide nanoparticles. Chemosphere, 67, 160-166.
Zoumis, T., Schmidt, A., Grigorova, L. & Calmano, W. 2001. Contaminants in sediments: remobilisation and demobilisation. Science of the Total Environment, 266, 195-202.
مجله آب و فاضلاب
دوره 33، شماره 4 - شماره پیاپی 141
مهر و آبان 1401
صفحه 82-94

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار