کارایی روش استخراج بخارات آلاینده‌ها (SVE) در پاک‌سازی خاک‌‌های آلوده به ترکیبات نفتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 - (مسوول مکاتبات): دانشیار دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

3 دانشجوی دکتری محیط زیست، دانشکده علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

4 دانشیار دانشکده عمران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

5 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه سین سیناتی، امریکا

6 استادیار دانشکده عمران، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

چکیده

زمینه و هدف: آلودگی خاک‌های محوطه پالایشگاهها و پمپ بنزینها در اثر تماس با بنزین به یکی از مشکلات مهم زیست محیطی تبدیل شدهاست. خطرات ناشی از نشت بنزین به درون خاک و انتقال آن به منابع آب‌های زیر زمینی بیشتر ناشی از وجود ترکیبات BTEX (بنزن، تولوئن، اتیل بنزن، زایلن) می‌باشد، چراکه میزان سمیت و فراریت این ترکیبات بالا بوده و به میزان قابل توجهی در سوخت بنزین معمولی یافت میشوند.
 روش بررسی: در این تحقیق فرآیند حذف آلاینده‌‌های BTEX از خاک‌های آلوده به بنزین با استفاده از روش استخراج بخارات آلایندهها (SVE) مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور نمونه خاک طبیعی غیر آلوده پس از آلوده شدن با بنزین با استفاده از روش  

 
SVE مورد پاک‌سازی واقع شده است. آزمایش‌های فرآیند پاک‌سازی در سه بازه زمانی 4 ، 8 و 12 ساعت و در سه دمای متفاوت 20، 40 و 60 درجه سانتی‌گراد انجام گرفت.
یافته ها: این پژوهش نشان داد که کارایی روش SVE در حذف ترکیبات BTEX از خاک بسیار مناسب بوده و در مقیاس آزمایشگاهی به بیش از 99% می‌رسد. همچنین بر اساس نتایج آزمایش‌های صورت گرفته قابلیت حذف این ترکیبات با روش SVE رابطهای معکوس با نقطه جوش آن‌ها دارد. ضمنا بالا بردن دمای آزمایش‌ها باعث تسریع در فرآیند پاک‌سازی نمونه‌‌های خاک گردید. به‌طوری‌که افزایش دما از 20 درجه سانتی‌گراد به 40 درجه سانتی‌گراد و نیز از 40 درجه به 60 درجه سانتی‌گراد میزان بازدهی حذف ترکیبات BTEX را در مدت 12 ساعت به ترتیب 10% و 26% بیش‌تر نمود.
نتیجه گیری: دستاورد‌‌های حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که روش استخراج بخارات آلاینده‌ها جهت حذف ترکیبات آلی آروماتیک از خاک یک روش مناسب و کارا است که در صورت اجرای صحیح می‌توان به بازدهی بالایی در دفع این‌گونه آلاینده‌ها از خاک دست یافت.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره هجدهم، ویژه نامه شماره2، پاییز 1395

 

کارایی روش استخراج بخارات آلاینده‌ها (SVE) در پاک‌سازی خاک‌‌های آلوده به ترکیبات نفتی

 

سعید گیتی پور[1]*

Gitipour@ut.ac.ir.com

عماد صنعتی فروش [2]

هادی تره باری[3]

محمودرضا عبدی[4]

علیرضا گیتی پور[5]

[6]

 

تاریخ دریافت: 15/04/93

تاریخ پذیرش: 15/11/93

 

چکیده

زمینه و هدف: آلودگی خاک‌های محوطه پالایشگاهها و پمپ بنزینها در اثر تماس با بنزین به یکی از مشکلات مهم زیست محیطی تبدیل شدهاست. خطرات ناشی از نشت بنزین به درون خاک و انتقال آن به منابع آب‌های زیر زمینی بیشتر ناشی از وجود ترکیبات BTEX (بنزن، تولوئن، اتیل بنزن، زایلن) می‌باشد، چراکه میزان سمیت و فراریت این ترکیبات بالا بوده و به میزان قابل توجهی در سوخت بنزین معمولی یافت میشوند.

 روش بررسی: در این تحقیق فرآیند حذف آلاینده‌‌های BTEX از خاک‌های آلوده به بنزین با استفاده از روش استخراج بخارات آلایندهها (SVE) مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور نمونه خاک طبیعی غیر آلوده پس از آلوده شدن با بنزین با استفاده از روش  

 

SVE مورد پاک‌سازی واقع شده است. آزمایش‌های فرآیند پاک‌سازی در سه بازه زمانی 4 ، 8 و 12 ساعت و در سه دمای متفاوت 20، 40 و 60 درجه سانتی‌گراد انجام گرفت.

یافته ها: این پژوهش نشان داد که کارایی روش SVE در حذف ترکیبات BTEX از خاک بسیار مناسب بوده و در مقیاس آزمایشگاهی به بیش از 99% می‌رسد. همچنین بر اساس نتایج آزمایش‌های صورت گرفته قابلیت حذف این ترکیبات با روش SVE رابطهای معکوس با نقطه جوش آن‌ها دارد. ضمنا بالا بردن دمای آزمایش‌ها باعث تسریع در فرآیند پاک‌سازی نمونه‌‌های خاک گردید. به‌طوری‌که افزایش دما از 20 درجه سانتی‌گراد به 40 درجه سانتی‌گراد و نیز از 40 درجه به 60 درجه سانتی‌گراد میزان بازدهی حذف ترکیبات BTEX را در مدت 12 ساعت به ترتیب 10% و 26% بیش‌تر نمود.

نتیجه گیری: دستاورد‌‌های حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که روش استخراج بخارات آلاینده‌ها جهت حذف ترکیبات آلی آروماتیک از خاک یک روش مناسب و کارا است که در صورت اجرای صحیح می‌توان به بازدهی بالایی در دفع این‌گونه آلاینده‌ها از خاک دست یافت.

واژه­های کلیدی: آلودگی خاک، بنزین، استخراج بخارات آلایندهها، ترکیبات BTEX ، دما.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J.Env. Sci. Tech., Vol 18, No.2, Autumn 2016

 

 

 

 

 


Application of Soil Vapor Extraction (SVE) Technique for the Treatment of Hydrocarbon Contaminated Soils

 

 

Saeid Gitipour [7]*

Gitipour@ut.ac.ir.com

Emad Sanati Farvash [8]

Hadi Tarebari [9]

Mahmoodreza Abdi 4

Alireza Gitipour 5

Saeid Heidari 6

 

Abstract

Background and Objective: In recent years, production and use of petroleum products, such as gasoline, have been increasing. This increase is followed by numerous ecological consequences. Among them, the most important ecological effects of using gasoline is contamination of soils at refineries and gas stations. Hazards of gasoline leakage into the soil and its migration to groundwater could be attributed to the existence of BTEX compounds, which are the main constituents of gasoline with high toxicity and volatility values.

Method: In this study, the removal of BTEX contaminants from soil samples contaminated with gasoline has been investigated using Soil Vapor Extraction technique. The treatment tests were conducted at 3 time intervals of 4, 8 and 12 hours and 3 different temperatures of 20, 40 and 60°C. Results: The results of tests indicate the high suitability of SEV technique showung %99 removal efficiency for BTEX compounds from soil samples. Moreover, the results of the analysis present that the removal of contaminants an inverse relation with their boiling points in this techniques. Also, raising the temperature of the samples from 20°C to 40°C and from 40°C to 60°C during 12 hours increased the removal efficiencies of BTEX compounds by %10 and %26, respectively.

Conclusion: The results of this study revealed that SVE technique for the removal of aromatic organic compound from soil is an efficient technique which can lead to high efficiency for the removal of such contaminats from soil, if implented properly.

Keywords: Soil contamination, Gasoline, Soil Vapor Extraction (SVE), BTEX compounds, Temperature.


مقدمه

 

یکی از انواع آلودگی‌های محیط زیست آلودگی خاک است که عوامل و شرایط مختلفی می‌تواند سبب آن گردد. آلوده شدن خاک از سویی به دلیل تماس مستقیم با افراد و از سوی دیگر به سبب ورود آلاینده‌ها به چرخه‌های غذایی موجودات زنده موجب ایجاد مشکلات و معضلات بهداشتی و زیست محیطی فراوانی میگردد (1). آلودگی خاک از طریق فرآورده‌‌های نفتی اغلب از طریق نشت یا تراوش از مخازن نگه‌داری ،لوله‌ها و تجهیزات انتقال سوخت ایجاد می‌شود (2). پاک سازی خاک‌‌های آلوده به این مواد از سال‌‌های گذشته مورد توجه قرار گرفته و روش‌‌های متعددی نیز در این راستا ابداع و به‌کارگرفته شده است. برخی از فن‌آوری‌‌های پاک سازی خاک عبارتند از : استخراج بخارات از خاک، شستشوی خاک، تثبیت و جامدسازی، روش‌‌های الکتروشیمیای، پاک‌سازی زیستی و گیاه پالایی. تمامی این روشها بر اساس ایجاد تغییرات فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی، حرارتی و یا بیولوژیکی بر روی آلاینده‌ها است تا بتوان آنها را استخراج ، تثبیت و یا غیرسمی نمود (3).

استخراج بخارات آلاینده: متد پاکسازی استخراج بخارات آلایندها یا متد SVE (Soil Vapor Extraction) یک روش در محل برای پاک‌سازی خاک‌‌های آلوده است که با استفاده از آن غلظت مواد فرار موجود در قسمت‌‌های غیراشباع خاک کاهش می‌ابد. در این روش با ایجاد خلا در شبکه خاک گرادیان فشار منفی به‌وجود آمده و باعث حرکت بخارات به سمت چاه‌‌های استخراج میشود (4). مزیت روش SVE نسبت به سایر روش­‌های مشابه در دسترس بودن تجهیزات، نصب آسان وسایل، داشتن کم‌ترین مزاحمت برای سایر فعالیت‌های محوطه ، و قابلیت ترکیب آسان آن با سایر فن‌آوری­‌های پاک‌سازی (مانند تزریق هوا ) و در نهایت هزینه نسبتاً پایین آن در مقایسه با دیگر روش‌ها میباشد (5). همچنین موثر بودن این فن‌آوری در کاهش غلظت اجزای آلی فرار و برخی از اجزای آلی نیمه فرار که در محصولات نفتی وجود دارند به اثبات رسیده است(6). روش SVE عموماً در حالتی که ماده نفتی سبکتر باشد (فرارتر باشد) موفقیت آمیزتر خواهد بود (7). در طی سال‌های 1985 تا 2005 میلادی 255 سایت آلوده به ترکیبات آلی فرار و نیمه فرار در آمریکا توسط روش SVE مورد پاک‌سازی واقع شده اند که طبق گزارش U.S.EPA این روش بیش‌‌ترین کاربرد را در بین روش‌‌های محلی داشته است (8).

2 عامل مهم در میزان اثرگذاری روش استخراج بخارات نقش اساسی دارند: عامل اول نفوذپذیری خاک آلوده و عامل دوم فراریت آلایندهها میباشد. (9). میزان تخلخل خاک و همچنین نفوذپذیری بالای آن در بهبود عملکرد روش SVE بسیار مؤثر میباشد (10). در ضمن افزایش میزان رطوبت نیز توانایی خاک را در انتقال هوا که یکی از مهمترین موارد در SVE می‌باشد کاهش میدهد. این موضوع به‌خصوص در خاک‌های ریزدانه اهمیت زیادی می­یابد، چراکه منجر به باقی ماندن آب در خاک می­شود (11). افزایش میزان مواد آلی خاک و نیز بالا بودن حلالیت آلایندهها در آب از کارایی فرآیند SVE میکاهد ( 12). لازم به ذکر است که طبق بررسی‌‌های صورت گرفته، رابطه تغییر این پارامترها با میزان بازدهی حذف آلایندهها رابطهای غیر خطی میباشد (13).

نخستین آزمایش‌ها در مقیاس پایلوت بر روی پاک سازی بنزین که به صورت NAPL در خاک‌‌های ریزدانه ماسهای توسط Hoag و Cliff در سال 1985 صورت گرفت. آن‌ها موفق شدند 70% از 1800 لیتر بنزین موجود را با موفقیت طی 90 روز از خاک خارج نمایند (14). همچنین در سال 2008 میلادی Manoel و Rosane عملیات استخراج بخارات را برای پاک‌سازی خاک در یک سایت صنعتی آلوده به حلال‌های کلریدی در برزیل بررسی نمودند که اقدامات آن‌ها شامل طراحی، نظارت و راهبری پاک‌سازی برای محوطه آلوده بوده است. در این تحقیق نیز در یک بازه 9 ماهه حدود 45% از آلاینده‌ها از خاک محوطه حذف گردیدند (15). در تحقیق دیگری در سال 2005 میلادی اکبرآبادی به بررسی روش‌های گوناگون بهسازی خاک‌های آلوده پرداخت و در پایان از بین تمام روش‌های پاک‌سازی خاک روش SVE را به عنوان بهترین و اجرایی ترین متد برای اصلاح خاک‌های آلوده به مواد آلی فرار (به‌ویژه آلاینده‌‌های نفتی) معرفی نمود (16).

 معرفی ترکیبات BTEX:BTEX شامل ترکیباتی از هیدروکربن‌‌های فرار هستند که بیش‌ترین سمیت را در بین ترکیبات آروماتیک موجود در سوخت بنزین دارند. به همین علت جداسازی این ترکیبات از خاک، بیش‌ترین تأثیر را در کاهش سمیت دارد (17 و 18). آلودگی به BTEX همچنین ممکن است به دلیل استفاده از بنزین در غلظت بالا و سایر مشتقات نفتی مانند دیزل، نفت کوره و غیره رخ دهد (19). نسبت وجود این ترکیبات در بنزین را می‌توان در جدول شماره 1 ملاحظه نمود.


 

جدول1- درصد غلظت ترکیبات BTEX در بنزین معمولی(20)

Table 1-Concentrations of BTEX compounds in ordinary gasoline (%)

ترکیب

درصد وزنی

بنزن

5/3 – 12/0

تولوئن

8/21- 37/2

اتیل بنزن

86/2 – 36/0

متا زایلن+ پارا زایلن

45/5 – 45/2

ارتو زایلن

86/2 – 68/0

 

 

این تحقیق به منظور بررسی کارایی روش SVE در پاک‌سازی خاک‌های آلوده به ترکیباتBenzene,Toluene, Ethylbenzene, Xylynes  که به صورت خلاصه به آن‌ها BTEX   گفته می شود و نیز چگونگی تأثیر افزایش دما و زمان ماند در فرآیند پاکسازی می‌باشد. بدین منظور، در این مطالعه آزمایش‌‌های نمونه‌‌های خاک در دما‌های 20، 40 و 60 درجه سانتی‌‌گراد و زمان‌های ماند 4، 8 و 12 ساعت مورد بررسی قرار گرفت تا اثرات این متغیر‌ها در بهبود کیفی این روش در حذف آلاینده‌‌های فوق الذکر مشخص گردد.

روش بررسی

در این پژوهش آزمایش‌ها در مقیاس پایلوت انجام گردیدند. نمونهی خاک آلوده به بنزین پس از قرار گرفتن در پایلوت ساخته شده در بازه‌های زمانی مختلف 4 ساعت، 8 ساعت و12 ساعت و در دما‌های مختلف 20 درجه سانتی‌گراد (دمای محیط)، 40 درجه سانتی‌‌گراد و 60 درجه سانتی‌‌گراد به روش SVE مورد پاک سازی قرار گرفته و مقدار غلظت آلاینده‌‌های BTEX در هر مرحله اندازه گیری شد. سپس نمودار‌های بازدهی حذف برای هر یک از آلاینده‌‌های مورد نظر رسم گردید و کارایی حذف آلاینده‌ها بررسی شد. در مجموع 45 آزمایش انجام و پس از هر آزمایش نمونه‌‌های خاک اصلاح شده جهت تعیین غلظت 4 آلاینده موردنظر، با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی آنالیز شده اند.

 خاک مورد استفاده:برای بررسی میزان تاثیر این روش در پاک‌سازی خاک، نمونه ای از خاک ماسه بادی که در جمع آوری ریخت و پاش‌های نفتی استفاده فراوانی دارد و از نظر نفوذپذیری نیز مناسب می‌باشد به عنوان خاک مورد استفاده در آزمایش‌ها انتخاب گردید. جهت تعیین خصوصیات مهندسی خاک یادشده آزمایش‌های مختلف ژئوتکنیکی از قبیل تعیین چگالی ، تعیین درصد رطوبت، تعیین درصد مواد آلی و آزمایش دانه بندی بر روی آن انجام گرفت. روش‌‌های استاندارد نمونه‌برداری و آزمایشگاهی که در این تحقیق استفاده شد، برگرفته از استاندارد‌های U.S.EPA و ASTM بوده که نام آزمایش‌ها، خلاصه تجهیزات و دستگاه‌ها و استاندارد‌های مورد استفاده در جدول 2 مشاهده می‌گردد.

 

جدول 2- روش و دستگاه‌‌های مورد استفاده در آزمایش‌های ژئوتکنیک

Table 2 - Methods and devices used in geotechnical tests

نام آزمایش

استاندارد

تجهیزات

نمونه‌برداری از خاک

EPA Method 5035

بیل، کیسه‌‌های پلاستیکی

تعیین رطوبت خاک

ASTM D2216

ترازو، بوته چینی، آون، دسیکاتور

تعیین میزان مواد آلی خاک

ASTM D 2974

ترازو، بوته جینی، کوره، دسیکاتور

تعیین دانه‌بندی خاک

ASTM D433

سری الک‌ها، ترازو، بیلچه

نفوذپذیری خاک

ASTM D 2434-87

دستگاه آزمایش نفوذپذیری با هد ثابت

 

 

 آماده سازی پایلوت آزمایشگاهی:جهت انجام آزمایش‌‌های مورد نظر دستگاهی در مقیاس آزمایشگاهی طراحی گردید که توسط آن آزمایش SVE صورت پذیرفت (به شکل 1 مراجعه شود). سپس خاک آلوده به آلاینده‌‌های BTEX به درون این دستگاه منتقل گردیده و تحت جریان مکش هوا قرار گرفت به نحوی که آلاینده‌‌های درون خاک بصورت بخار از میان ذرات آن خارج گردند. دستگاه SVE شامل یک محفظه‌ی استوانه ای شکل از جنس شیشه بوده که قطر داخلی آن cm 10 و به ارتفاع cm15 می‌باشد. در کف این استوانه شیشه ای مجرایی به قطر داخلی cm 1 به منظور ورود جریان هوا و مجرای دیگری به همان قطر در بالای محفظه (درب استوانه) جهت خروج جریان هوا تعبیه گردید. جهت پخش یکنواخت جریان هوا در سطح مقطع خاک لایه ای از شن (به ارتفاع 3 سانتی‌متر) در پایین محفظه ریخته شده و بر روی این لایه‌ شنی یک صفحه توری فلزی دایره ای شکل هم اندازه با مقطع ستون قرار گرفت. سپس خاک آلوده واقع در بالای توری فلزی در 3 لایه مساوی متراکم شده و جریان مکش هوا با استفاده از پمپ خلا که به مجرای فوقانی محفظه شیشه ای متصل بود، ایجاد ‌گردید. برای تنظیم و ثابت نگه داشتن درجه حرارت سیستم از دستگاه تولید حرارت به همراه کنترل کننده دیجیتال استفاده شد. این دستگاه شامل یک المنت تولید حرارت و همچنین یک کنترل کننده دیجیتال است که با استفاده از یک سنسور در مسیر جریان هوای ورودی به ستون خاک، دمای هوای ورودی به خاک را تنظیم نموده و در دمای مورد نظر در آزمایش‌ها نگه می­داشت. عملکرد کنترل کننده به این صورت است که در صورت خارج شدن دمای سیستم از یک محدوده تعریف شده برای دستگاه، المنت را فعال و یا غیرفعال می‌سازد تا دما همیشه در محدوده مورد نظر باقی بماند. دبی هوای عبوری نیز به‌وسیله یک فلومتر که در محل ورود هوا به دستگاه گرم کننده متصل شده بر روی مقدار lit/min 1 تنظیم گردید.

جهت انجام آزمایش‌‌های SVE، از یک نمونه‌ی بنزین (با چگالی 74/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب) متعلق به پمپ‌بنزینی شهری واقع در تهران، به­عنوان آلاینده استفاده گردید. ابتدا 150 گرم از این بنزین، جهت افزایش حجم آلاینده در مقدار مشخصی از حلال هگزان نرمال که فراریت بالایی دارد حل شد. سپس حلال حاصل به آرامی به­ خاک اضافه شده و هم­زده شد. در این آزمایش‌ها با توجه به فراریت بنزین و به منظور اطمینان از فقدان خطا در نتایج آنالیز نمونه ها، میزان غلظت اولیه آلاینده‌ها پس از اختلاط کامل خاک و بنزین اندازه گیری گردید. آزمایش‌ها SVE در 3 بازه زمانی4، 8 و 12 ساعت و هر کدام نیز در 3 دمای 20، 40 و 60 درجه سانتی‌گراد انجام گرفت. سپس نمونه‌‌های خاک در مراحل مختلف آزمایش جمع آوری گردیده و به منظور آنالیز آلاینده‌‌های BTEX استخراج شد.

 

فلومتر هوا

 

 

ذرات شنی تمیز

 

 

سنسور دما

 

 

خاک ماسه بادی آلوده به بنزین

 

 

شکل 1- نمای کلی از دستگاه آزمایش SVE

Figure 1 - A Schematic diagram of SVE test apparatus

 

 

 

آنالیز نمونه‌‌های خاک با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی(GC): قبل از تزریق محلول‌های استخراج شده به دستگاه کروماتوگراف گازی، 5 محلول­ استاندارد (در غلظت‌های متفاوت) از آلاینده‌‌های BTEX بر اساس غلظت تخمینی آن‌ها در خاک آلوده تهیه­ و به­ دستگاه GC تزریق گردید تا بر اساس آن منحنی کالیبراسیون جهت اندازه گیری سطوح زیر منحنی‌‌های رسم شده توسط دستگاه کروماتوگرام و تعیین غلظت آلاینده‌‌های BTEX مشخص شد. به دلیل غلظت بالای ترکیبات BTEX موجود در نمونه‌‌های خاک آلوده ، نمونه‌‌های استخراج شده به میزان 200 برابر رقیق شده و سپس 1 میکرولیتر از هر یک از این محلول‌ها به دستگاه GC تزریق گردیدند. غلظت نهایی هر ترکیب (C) بر حسب ppm با استفاده از رابطه­ی 5 به­دست آمد (15):

(رابطه 5)

C.F.×D.F ×1C = C

که در آن 1C : غلظت به‌دست آمده از آنالیز GC برحسب mg/L و C.F.، ضریب غلظت (Concentration Factor) به دست آمده از محلول استاندارد است. همچنین D.F فاکتور رقیق سازی (Dilution Factor) می‌باشد.

یافته ها

بر اساس سیستم طبقه‌بندی متحده و نتایج بدست آمده از آزمایش دانه‌بندی، خاک از نوع ماس‌های با دانه‌بندی ضعیف می‌باشد. همچنین نتایج حاصل از آزمایش‌های ژئوتکنیک که برای تعیین خصوصیات مهندسی خاک مورد آزمایش، انجام گرفته در جدول شماره 3 آورده شده است.


 

 

 

جدول شماره 3- مشخصات خاک

Table 3 - Soil charectristics

مشخصات

مقدار

چگالی خاک

gr/cm332/1

رطوبت خاک

3%

درصد مواد آلی خاک

4/1%

نفوذپذیری خاک(K)

cm/sec 8-10×4/6

 

 

غلظت اولیه‌ آلاینده‌ها در خاک: جهت تعیین غلظت اولیه آلاینده ها، از خاک آلوده قبل از انجام آزمایش‌‌های SVE نمونه برداری و سپس نمونه‌ها آنالیز گردید که میانگین نتایج آنالیز ترکیبات BTEX  در جدول 4 آورده شده است.

 

 

جدول 4- مقادیر غلظتBTEX  در نمونه‌‌های آلوده شده بر حسب ppm

Table 4 - Concentrations ofBTEX compounds in contaminated samples (ppm)

میانگین

نمونه 2

نمونه 1

نام ترکیب

872

930

814

Benzene

3480

3255

3705

Toluene

2644

2737

2551

Ethylbenzene

4272

3225

3319

Xylene

10268

10147

10389

Total (BTEX)

 

 

بازدهی حذف آلاینده‌ها:بعد از هر آزمایش، میزان غلظت ترکیبات BTEX در خاک توسط دستگاه GC (کروماتوگرافی گازی) اندازه گیری شد و سپس بر مبنای نتایج به‌دست آمده و همچنین آنالیز نمونه اولیه (نمونه پاک سازی نشده)، نمودار‌های میزان حذف ترکیبات BTEX در دما‌های مختلف برای هر یک از آلاینده‌ها در شکل‌‌های 2 تا 5 نشان داده شده است.

 

 

 

شکل 2- درصد حذف بنزن در زمان‌‌های ماند و دما‌های مختلف

Figure 2 - Benzen removal rates under different tempratures and retention times (%)

 

 

شکل 3 – درصد حذف تولوئن در زمان‌‌های ماند و دما‌های مختلف

Figure 3 - Toluene removal rates under different tempratures and retention times (%)

 

 

شکل 4- درصد حذف اتیل بنزن در زمان‌‌های ماند و دما‌های مختلف

Figure 4 - Ethyl benzene removal rates under different retention times and tempratures (%)

 

 

شکل 5- درصد حذف زایلن در زمان‌‌های ماند و دما‌های مختلف

Figure 5 - Xylene removal rates under different retention times and tempratures (%)

 

 

با توجه به شکل 2 درمجموع درصد حذف بنزن در آزمایش‌ها بسیار بالا بوده، به طوری که در دمای محیط و در زمان ماند 4 ساعت به 76% و در زمان‌‌های ماند 8 و 12 ساعت به بالای 97% می‌رسد. همجنین با توجه به شکل می‌توان بیان کرد که افزایش دما نقش چندانی در حذف این آلاینده ایفا نمیکند، در حالی که با افزایش زمان ماند به 8 ساعت و بالاتر می‌توان به درصد‌‌های حذفی نزدیک به 99% رسید. همچنین بخش عمده ای از این ترکیب در 4 ساعت اول از محیط خاک خارج گردیده که نشان دهنده‌ تاثیر فراریت بالای این ترکیب در حذف آن میباشد. درصد‌‌های حذف آلاینده تولوئن (شکل 3) بیانگر این نکته است که میزان حذف آن در 4 ساعت اول بیشتر از 4 ساعت دوم و سوم می‌باشد. همچنین افزایش دما از 20 به 40 درجه سانتی‌گراد بازدهی حذف را تا به میزان اندکی افزایش داده است، در صورتی‌که افزایش دما تا 60 درجه سانتی‌گراد تأثیر چشم‌گیری در افزایش درصد حذف تولوئن داشته است. بدین صورت که این افزایش کارایی روش پاک سازی را در مدت 4 ساعت از 3/37% به 06/55 % ، در مدت 8 ساعت از 31/54% به 01/76% و در مدت 12 ساعت از 14/79% به 91/93% رسانده است. با دقت در نتایج نشان داده شده در اشکال 4 و 5 مشخص می‌گردد که حذف ترکیبات اتیل بنزن و زایلن در دما‌های 20 و 40 درجه سانتی‌گراد در بازه زمانی 4 تا 8 ساعت بیش‌تر از 4 ساعت اول بوده است. البته با افزایش دما به 60 درجه سانتی‌گراد میزان بازدهی در 4 ساعت اول به طور محسوسی بیش‌تر شده است. به‌طوری‌که درصد حذف اتیل بنزن و زایلن در این دما نسبت به 40 درجه سانتی‌گراد به ترتیب 24% و 21% افزایش یافته است. لازم به ذکر است مقادیر مربوط به بازدهی زایلن بر اساس مجموع غلظت 3 ایزومر آن می‌باشد.

طبق نمودار‌های نشان داده شده ترتیب دارا بودن قابلیت حذف به روش استخراج بخارات برای ترکیبات BTEX در هر سه بازه زمانی به صورت زیر می‌باشد:

بنزن > تولوئن > اتیل بنزن > زایلن

که رابطه فوق با مقادیر فشار‌‌های بخار و فراریت آلاینده‌‌های BTEX در توافق است. به طوری که بنزن به دلیل فراریت بالای آن بیش‌ترین قابلیت حذف از خاک را دارا بوده و زایلن نیز کم‌ترین میزان قایلیت حذف را در بین 4 آلاینده دارد.

بازدهی حذف کل آلاینده‌های BTEX: با توجه به اهمیت مجموع غلظت‌های ترکیبات BTEX، نمودار میزان حذف مجموع 4 آلاینده‌ی مورد مطالعه در شکل 6 نمایش داده شده است، تا تأثیر افزایش دما و زمان ماند در فرآیند پاک‌سازی این ترکیبات از خاک مشخص شود.

 

 

 

شکل 6- بازدهی حذف کل ترکیبات BTEX در زمان‌‌های ماند و دما‌های مختلف

Figure 6 - BTEX compounds removal Efficiencies under different retention times and tempratures (%)

 

 

همان‌گونه که در نمودار بالا نشان داده شده است، بالا‌ترین میزان پاک سازی در هر سه دمای مورد آزمایش در طول 12 ساعت رخ داده است. به طوری که افزایش دما از20 به 40 درجه سانتی‌گراد و نیز از 40 به 60 درجه سانتی‌گراد، میزان بازدهی حذف ترکیبات BTEX را در مدت 12 ساعت به ترتیب 10% و 26% بهبود بخشیده است و در نهایت بازدهی 55/93% حاصل شده است.

بحث و نتیجه گیری

بر اساس نتایج به‌دست آمده، چهار ترکیب خطرناک بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلین با استفاده از روش استخراج آلاینده‌‌های فرار قابل حذف هستندکه دلیل آن فراریت بالای این ترکیبات و موثر بودن عملکرد روش پاکسازی SVE می‌باشد. هر چه فراریت یک ترکیب بیش‌تر باشد، خاک آلوده به زمان پاک‌سازی کم‌تری نیاز دارد و به عبارت دیگر در یک زمان مشخص بازدهی حذف آن ترکیب بیش‌تر خواهد شد. در پژوهشی که توسط Rathfelder و همکارانش درمورد پاک سازی خاک‌های آلوده به بنزن، تولوئن و زایلن صورت گرفت نتایج مشابهی به‌دست آمد. به طوری که در آزمایش‌های این محققان بنزن، تولوئن و زایلن به ترتیب زودتر از خاک حذف گردیده اند (21).

افزایش دمای خاک نیز می‌تواند میزان کارایی روش SVE را ارتقا دهد. این مسأله ناشی از بالا رفتن فشار بخار آلاینده‌ها در اثر افزایش دما بوده که موجب افزایش فراریت آن‌ها و بالا رفتن کارایی روش استخراج می‌گردد (22). همچنین در مطالعات Webb و Phelan که بر روی یک رشته از ترکیبات آلی صورت پذیرفت، با افزایش دما افزایش میزان حذف آلاینده‌ها گزارش شده است(23). نتایج آزمایش‌های تحقیق حاضر نشان داد که تأثیرافزایش حرارت از 40 درجه به 60 درجه سانتی‌گراد بیشتر از تأثیر آن از 20 به 40 درجه سانتی‌گراد می‌باشد که دلالت بر خروج آلاینده‌‌های BTEX به‌صورت رابطه ای غیرخطی با افزایش دما دارد. همچنین بر اساس اشکال 2 تا 5 در بخش نتایج هرچه آلایند‌های موجود در خاک فراریت کم‌تری داشته باشند، افزایش حرارت نقش مهم تری در پاک سازی آن‌ها از خاک ایفا می‌نماید. ب‌طوری‌که این افزایش کارایی بیش‌تری در حذف ترکیبات اتیل بنزن و زایلن نسبت به آلاینده‌های بنزن و تولوئن داشته است.

نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که حداکثر کارایی حذف آلاینده‌‌های BTEX در بازه‌‌های زمانی 4، 8 و 12 ساعت به ترتیب برابر با 87/52، 86/74 و 55/93% بوده است. این نتایج با تحقیقاتی که در زمینه پاک‌سازی خاک از ترکیبات BTEX توسط Albergaria و همکاران در سال 2008 صورت گرفت، همخوانی دارد. تحقیقات آن‌ها نشان داد که روش استخراج آلاینده‌ها بر روی خاک ماسه ای با درصد رطوبت کم‌تر از 2% در بازه‌‌های زمانی مختلف 6 تا 32 ساعت دارای کارآیی حذف بیش از 90% برای ترکیبات بالا بوده است (6). در خاتمه دستاورد‌‌های حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که روش استخراج بخارات آلاینده‌ها جهت حذف ترکیبات آلی آروماتیک از خاک یک روش مناسب و کارا است که در صورت اجرای صحیح می‌توان به بازدهی بالایی در دفع این‌گونه آلاینده‌ها از خاک دست یافت.

منابع

1- Winegardner, D., 1995. An Introduction to Soils for Environmental Professionals, CRC Press LLC, Boca Raton. pp 270.

2- Gitipour, S., Narenjkar, K., Sanati Farvash, E., & Asghari, H. (2014). Soil flushing of cresols contaminated soil: application of nonionic and ionic surfactants under different pH and concentrations. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 12(1), 129.

3- رﺿﺎﻳﻲ، بهجت، ﺑﺮﺭﺳﻲ ﮐﺎﺭﺍﻳﻲ ﺭﻭﺵ ﺍﺳﺘﺨﺮﺍﺝ ﺑﺨﺎﺭﺍﺕ ﺍﺯ ﺧﺎﻙ ﺩﺭ پاک‌سازی خاک‌های ﺁﻟﻮﺩﻩ ﺑﻪ ﻣﻮﺍﺩ ﻧﻔﺘﻲ، ﭘﺎﻳﺎﻥ ﻧﺎﻣﻪ ﮐﺎﺭﺷﻨﺎﺳﻲ ﺍﺭﺷﺪ، ﺩﺍﻧﺸﮑﺪﻩ ﻋﻤﺮﺍﻥ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺻﻨﻌﺘﻲ ﺧﻮﺍﺟﻪ ﻧﺼﻴﺮﺍﻟﺪﻳﻦ ﻃﻮﺳﻲ، ﺗﻬﺮﺍﻥ، ١٣٨٩، صفحه 177.

4- Khan, F.I., Husain, T., Hejazi, R., 2004. An owerview and analysis of site remediation technologie. Environmental Management 71, 95-122

5- U.S Environmental Protection Agency, 1994. Soil vapor extraction, treatment technologies for site cleanup. pp33.

6- Albergaria, J.T., Alvim-Ferraz, M.C.M., Delerue-Matos, C., 2008. Soil Vapor Extraction in sandy soils: Influence of airflow rate", Chemosphere 73, 1557-1561.

7- Jose .T.A , Maria. A.F, Cristina.D.M., 2008. Soil vapor extraction in sandy soils: Influence of airflow rate. Chemosphere 73, 1557-1561.

8- U.S. Environmental Protection Agency, 2007. Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report, Twelfth Edition. pp290.

9- U.S. Environmental Protection Agency, 1995. In situ remediation technology status report: Surfactant enhancements. Office of Solid Waste and Emergency Response, Technology Innovation Office, Washington, DC 20460. pp22.

10- Poulsen, T.G., Moldrup, P., Yamaguchi, T., Schjonning, P., Hansen, J.A., 1999.Predicting soil–water and soil–air transport properties and their effects on soil-vapor extraction efficiency. Ground Water Monitoring 19, 61–70.

11- Yoon, H., Kim, J.H., Liljestrand, H.M., Khim, J., 2002. Effect of water content on transient nonequilibrium NAPL-gas mass transfer during soil vapor extraction, J.Contam Hydrol 54, 1–18

12- Alvim-Ferraz, M.C.M., Albergaria, J.T., Delerue-Matos, C., 2006. Soil remediation time to achieve clean-up goals: II: influence of natural organic matter and water contents. Chemosphere 64, 817–825.

13- Chuan-yu, Q., Yong-sheng, Z., Wei, Z., Yu-song, L., 2010. Study on influencing factors on removal of chlorobenzene from unsaturated zone by soil vapor extraction. Journal of Hazardous Materials 176 , 294–299

14- Hoag, G.E. and Cliff, B., 1985. The use of the soil venting technique for the remediation of petroleum contaminated soils. In: E.J. Calabrese and P.T. Kostechi, (Editors), Soils Contami- nated by Petroleum, Environmental and Public Health Effects. Wiley, New York N.Y.

15- Manoel, M.M.N & Rosane, C.M., 2008, ”Soil vapor extraction of chlorinated solvents at an industrial site in Brazil”, Departamento de Geociencias, Universidade Federal de Alagoas, Maceio AL. Brazil , Journal of hazardous materials, Elsevier

16- اکبرآبادی، محمد مصطفی ،1387، "بررسی روش استخراج مواد فرار در بهسازی خاک‌‌های آلوده"، چهارمین همایش زمین شناسی و محیط زیست.تهران.

17- Caselli M., de Gennaro G., Marzocca A., Trizio L., Tutino M., 2010. Assessment of the impact of the vehicular traffic on BTEX concentration in ring roads in urban areas of Bari (Italy). Chemosphere, 81:306e11.

18- Watts, R.J., Haller, D.R., Jones, A.P., Teel, A.L., 2000. A foundation for the risk-based treatment of gasoline-contaminated soils using modified Fenton’s reactions”, Journal of Hazardous Materials, Vol. B76, 73-89.

19- ﻫﺪﺍﻳﺘﻲ، مهسا، ﺍﺭﺯﻳﺎﺑﻲ ﺑﺎﺯﺩﻫﻲ ﺭﻭﺵ ﺧﺎﮐﺸﻮﻳﻲ ﺟﻬﺖ ﭘﺎﮎ ﺳﺎﺯﻱ ﺧﺎﮎ ﺁﻟﻮﺩﻩ ﺑﻪ ﻫﻴﺪﺭﻭﮐﺮﺑﻨﻬﺎﻱ ﻧﻔﺘﻲ ﺑﺎ ﺗﺄﮐﻴﺪ ﺑﺮ

. BTEX ترکیبات ﭘﺎﻳﺎﻥ ﻧﺎﻣﻪ ﮐﺎﺭﺷﻨﺎﺳﻲ ﺍﺭﺷﺪ، ﺩﺍﻧﺸﮑﺪﻩ ﻣﺤﻴﻂ ﺯﻳﺴﺖ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺗﻬﺮﺍﻥ،۱۳۸۹، صفحه 148.

20- Qiang .G,. April 2003. Development of microorganism-enhanced in situ remediation systems within a western canadian context, A Thesis for the Degree of Master of Applied Science in Environmental Systems Engineering , University of Regina,Canada.pp224.

21- Rathfelder k., Yeh W. W-G., Mackay D., 1991. Mathematical simulation of soil vapor extraction systems: model development and numerical examples. Journal of Contaminant Hydrology 8, 263-297.

22- Abdel, M. O. M., Hogan E. A., Soil vapor extraction, Developments in Geotechnical Engineering, Elsevier, 408 pp.

23- Webb S. W., Phelan J. M., 1997. Effect of soil layering on NAPL removal behavior in soil-heated vapor extraction. Journal of Contaminant Hydrology 27, 285-308.

 

 

 

 

 

 



1*- (مسوول مکاتبات): دانشیار دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

2- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

[3]- دانشجوی دکتری محیط زیست، دانشکده علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

[4]- دانشیار دانشکده عمران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

[5]- دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه سین سیناتی، امریکا.

[6]- استادیار دانشکده عمران، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

1- Associate Professor, Graduate Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran. * ( Corresponding Author)

2- Graduate Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran.

3- Graduate Faculty of Environment, University of Tehran, Tehran, Iran.

4- Associate Professor, Faculty of Civil Engineering, Khajeh Nasir Toosi, Tehran Iran.

5- Graduate Faculty of Chemical Engineering, University of Cincinnati, USA.

6- Associate Professor, Faculty of Civil Engineering, Tehran South Branch, IAU, Tehran, Iran.

1- Winegardner, D., 1995. An Introduction to Soils for Environmental Professionals, CRC Press LLC, Boca Raton. pp 270.

2- Gitipour, S., Narenjkar, K., Sanati Farvash, E., & Asghari, H. (2014). Soil flushing of cresols contaminated soil: application of nonionic and ionic surfactants under different pH and concentrations. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 12(1), 129.

3- رﺿﺎﻳﻲ، بهجت، ﺑﺮﺭﺳﻲ ﮐﺎﺭﺍﻳﻲ ﺭﻭﺵ ﺍﺳﺘﺨﺮﺍﺝ ﺑﺨﺎﺭﺍﺕ ﺍﺯ ﺧﺎﻙ ﺩﺭ پاک‌سازی خاک‌های ﺁﻟﻮﺩﻩ ﺑﻪ ﻣﻮﺍﺩ ﻧﻔﺘﻲ، ﭘﺎﻳﺎﻥ ﻧﺎﻣﻪ ﮐﺎﺭﺷﻨﺎﺳﻲ ﺍﺭﺷﺪ، ﺩﺍﻧﺸﮑﺪﻩ ﻋﻤﺮﺍﻥ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺻﻨﻌﺘﻲ ﺧﻮﺍﺟﻪ ﻧﺼﻴﺮﺍﻟﺪﻳﻦ ﻃﻮﺳﻲ، ﺗﻬﺮﺍﻥ، ١٣٨٩، صفحه 177.

4- Khan, F.I., Husain, T., Hejazi, R., 2004. An owerview and analysis of site remediation technologie. Environmental Management 71, 95-122

5- U.S Environmental Protection Agency, 1994. Soil vapor extraction, treatment technologies for site cleanup. pp33.

6- Albergaria, J.T., Alvim-Ferraz, M.C.M., Delerue-Matos, C., 2008. Soil Vapor Extraction in sandy soils: Influence of airflow rate", Chemosphere 73, 1557-1561.

7- Jose .T.A , Maria. A.F, Cristina.D.M., 2008. Soil vapor extraction in sandy soils: Influence of airflow rate. Chemosphere 73, 1557-1561.

8- U.S. Environmental Protection Agency, 2007. Treatment Technologies for Site Cleanup: Annual Status Report, Twelfth Edition. pp290.

9- U.S. Environmental Protection Agency, 1995. In situ remediation technology status report: Surfactant enhancements. Office of Solid Waste and Emergency Response, Technology Innovation Office, Washington, DC 20460. pp22.

10- Poulsen, T.G., Moldrup, P., Yamaguchi, T., Schjonning, P., Hansen, J.A., 1999.Predicting soil–water and soil–air transport properties and their effects on soil-vapor extraction efficiency. Ground Water Monitoring 19, 61–70.

11- Yoon, H., Kim, J.H., Liljestrand, H.M., Khim, J., 2002. Effect of water content on transient nonequilibrium NAPL-gas mass transfer during soil vapor extraction, J.Contam Hydrol 54, 1–18

12- Alvim-Ferraz, M.C.M., Albergaria, J.T., Delerue-Matos, C., 2006. Soil remediation time to achieve clean-up goals: II: influence of natural organic matter and water contents. Chemosphere 64, 817–825.

13- Chuan-yu, Q., Yong-sheng, Z., Wei, Z., Yu-song, L., 2010. Study on influencing factors on removal of chlorobenzene from unsaturated zone by soil vapor extraction. Journal of Hazardous Materials 176 , 294–299

14- Hoag, G.E. and Cliff, B., 1985. The use of the soil venting technique for the remediation of petroleum contaminated soils. In: E.J. Calabrese and P.T. Kostechi, (Editors), Soils Contami- nated by Petroleum, Environmental and Public Health Effects. Wiley, New York N.Y.

15- Manoel, M.M.N & Rosane, C.M., 2008, ”Soil vapor extraction of chlorinated solvents at an industrial site in Brazil”, Departamento de Geociencias, Universidade Federal de Alagoas, Maceio AL. Brazil , Journal of hazardous materials, Elsevier

16- اکبرآبادی، محمد مصطفی ،1387، "بررسی روش استخراج مواد فرار در بهسازی خاک‌‌های آلوده"، چهارمین همایش زمین شناسی و محیط زیست.تهران.

17- Caselli M., de Gennaro G., Marzocca A., Trizio L., Tutino M., 2010. Assessment of the impact of the vehicular traffic on BTEX concentration in ring roads in urban areas of Bari (Italy). Chemosphere, 81:306e11.

18- Watts, R.J., Haller, D.R., Jones, A.P., Teel, A.L., 2000. A foundation for the risk-based treatment of gasoline-contaminated soils using modified Fenton’s reactions”, Journal of Hazardous Materials, Vol. B76, 73-89.

19- ﻫﺪﺍﻳﺘﻲ، مهسا، ﺍﺭﺯﻳﺎﺑﻲ ﺑﺎﺯﺩﻫﻲ ﺭﻭﺵ ﺧﺎﮐﺸﻮﻳﻲ ﺟﻬﺖ ﭘﺎﮎ ﺳﺎﺯﻱ ﺧﺎﮎ ﺁﻟﻮﺩﻩ ﺑﻪ ﻫﻴﺪﺭﻭﮐﺮﺑﻨﻬﺎﻱ ﻧﻔﺘﻲ ﺑﺎ ﺗﺄﮐﻴﺪ ﺑﺮ

. BTEX ترکیبات ﭘﺎﻳﺎﻥ ﻧﺎﻣﻪ ﮐﺎﺭﺷﻨﺎﺳﻲ ﺍﺭﺷﺪ، ﺩﺍﻧﺸﮑﺪﻩ ﻣﺤﻴﻂ ﺯﻳﺴﺖ ﺩﺍﻧﺸﮕﺎﻩ ﺗﻬﺮﺍﻥ،۱۳۸۹، صفحه 148.

20- Qiang .G,. April 2003. Development of microorganism-enhanced in situ remediation systems within a western canadian context, A Thesis for the Degree of Master of Applied Science in Environmental Systems Engineering , University of Regina,Canada.pp224.

21- Rathfelder k., Yeh W. W-G., Mackay D., 1991. Mathematical simulation of soil vapor extraction systems: model development and numerical examples. Journal of Contaminant Hydrology 8, 263-297.

22- Abdel, M. O. M., Hogan E. A., Soil vapor extraction, Developments in Geotechnical Engineering, Elsevier, 408 pp.

23- Webb S. W., Phelan J. M., 1997. Effect of soil layering on NAPL removal behavior in soil-heated vapor extraction. Journal of Contaminant Hydrology 27, 285-308.