امکان‌سنجی کاربرد Zn[Mn]-Al LDHs به عنوان ماتریکسی برای رهاسازی B، Zn و Mn در محیط شبیه‌سازی شده محلول خاک

آب و خاک

مقاله 8، دوره 36، شماره 6 - شماره پیاپی 86، بهمن و اسفند 1401، صفحه 761-771   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2022.73093.1109

نویسندگان

حدیث حاتمی^{* 1}؛ امیر فتوت²

¹مرکز ملی تحقیقات شوری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، یزد، ایران

²استاد گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

این پژوهش با هدف بررسی تاثیر نوع هیدروکسید مضاعف لایه­ای (LDH) و نوع محلول زمینه بر واجذب B در محیط شبیه­سازی شده محلول خاک و نیز رهاسازی کاتیون­های ساختاری (Zn و Mn) در این محیط انجام شد. بدین منظور ابتدا هم­دماهای جذب B در محلول 03/0 مولار نیترات پتاسیم حاوی غلظت­های 25/0 تا 10 میلی­مولار B برای سه ترکیب Zn-Al LDH، Zn–Mn1–Al LDH (Mn/Zn برابر با  02/0 نسبت مولی) و Zn–Mn₂–Al LDH (Mn/Zn برابر با 1/0 نسبت مولی) (به اختصار به­ترتیب Zn-Al، Zn–Mn₁ و Zn–Mn₂) بررسی شد. سپس واجذب B از این ترکیبات در بیش­ترین غلظت و تحت تاثیر محلول­های 03/0 مولار نیترات پتاسیم، 25/1 میلی­مولار اسید اگزالیک و 25/1 میلی­مولار اسید سیتریک اندازه­گیری شد. همچنین غلظت کاتیون­های Zn و Mn در محلول واجذب تعیین گردید. بر اساس نتایج، داده­های جذب و واجذب B در تمام LDHs برازش خوبی با معادله فرندلیچ نشان دادند. علاوه­براین، تاثیر کاربرد LDHs سه­تایی بر میزان جذب و واجذب B معنی­دار بود. بدین صورت که Zn–Mn₁ و Zn–Mn₂ در مقایسه با Zn-Al دارای جذب بیشتر (57/0-46/0 میلی­مول بر گرم) و واجذب کمتری در هر سه محلول زمینه (2/38-6/18 درصد) بودند. این امر می­تواند به متفاوت بودن مکانیسم جذب B در LDHs سنتز شده نسبت داده شود. اسیدهای آلی به دلیل ایجاد کی­لیت با کاتیون­های ساختاری LDHs و افزایش احتمال انحلال آن، سبب افزایش واجذب B و همچنین رهاسازی Zn و Mn در مقایسه با نیترات پتاسیم گردید. با توجه به رهاسازی آهسته B و همچنین Zn و Mn در شرایط شبیه­سازی شده محلول خاک، ممکن است LDHs قادر به تامین این سه عنصر غذایی برای گیاهان باشند که بررسی آن نیازمند مطالعه در شرایط واقعی خاک و در حضور گیاه می­باشد.

کلیدواژه‌ها

اسیدهای آلی؛ ایزوترم های جذب-واجذب؛ بور؛ هیدروکسید مضاعف لایه ای

مراجع

1. Ay, A.N., Zumreoglu-Karan, B., & Temel, A. (2007). Boron removal by hydrotalcite-like, carbonate-free Mg–Al–NO₃-LDH and a rationale on the mechanism. Microporous and Mesoporous Materials 98: 1-5. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.08.004.
2. Ay, A.N., Zumreoglu-Karan, B., Temel, A., & Mafra, L. (2011). Layered double hydroxides with interlayer borate anions: A critical evaluation of synthesis methodology and pH-independent orientations in nano-galleries. Appllied Clay Science 51: 308-316. https://doi.org/10.1016/j.clay.2010.12.015.
3. Azimzadeh, Y., Najafi, N., Reyhanitabar, A., Oustan, S., & Khataee, A. (2021). Effects of phosphate loaded LDH-biochar/hydrochar on maize dry matter and P uptake in a calcareous soil. Archives of Agronomy and Soil Science 67(12): 1649-1664. https://doi.org/10.1080/03650340.2020.1802012.
4. Benício, L.P.F., Constantino, V.R.L., Pinto, F.G., Vergütz, L., Tronto, J., & Da Costa, L.M. (2017). Layered double hydroxides: new technology in phosphate fertilizers based on nanostructured materials. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 5(1): 399–409. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01784.
5. Bharali, D., & Deca, R.C. (2017). Preferential adsorption of various anionic and cationic dyes from aqueous solution over ternary CuMgAl layered double hydroxide. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 525: 64-76. http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.04.060.
6. Cao, Y., & Guo Q. (2013). Boron removal from water using takovite: adsorption vs. anion exchange. Advanced Materials Research 781-784: 2150-2156. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.781-784.2150.
7. Castro, G.F., Ferreira, J.A., Eulálio, D., de Souza, S.J., Novais, S.V., Novais, R.F., Pinto, F.G., & Tronto, J. (2018). Layered double hydroxides: matrices for storage and source of boron for plant growth. Clay Minerals 53(01):1-27. https://doi.org/10.1180/clm.2018.6.
8. Cheng, X., Huang, X., Wang, X., Zhao, B., Chen, A., & Sun, D. (2009). Phosphate adsorption from sewage sludge filtrate using zinc–aluminum layered double hydroxides. Journal of Hazardous Materials 169: 958–964. http://doi:10.1016/j.jhazmat.2009.04.052.
9. Chitrakar, R., Tezuka, S., Hosokawa, J., Makita, Y., Sonoda, A., Ooi, K., & Hirotsu, T. (2010). Uptake properties of phosphate on a novel Zr-modified Mg-Fe-LDH(CO₃). Journal of colloid and interface science 349: 314-320. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.05.068.
10. Delazare, T., Ferreira, L.P., Ribeiro, N.F.P., Souza, M.M.V.M., Campos, J.C., & Yokoyama, L. (2014). Removal of boron from oilfield wastewater via adsorption with synthetic layered double hydroxides. Journal of Environmental Science and Health, Part A 49: 923-932. http://doi.org/10.1080/10934529.2014.893792.
11. Essington, M.E. (2004). Soil and Water Chemistry: An Integrative Approach, 1st ed. CRC Press, Boca Raton, FL.
12. Everaert, M., Warrinnier, R., Baken, S., Gustafsson, J.P., De Vos, D.E., & Smolders, E. (2016). Phosphate exchanged Mg-Al layered double hydroxides: a new slow release phosphate fertilizer. ACS Sustainable Chemistry and Engineering 4(8): 4280–4287. http://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00778.
13. Ferreira, O.P., Moraes, S.G., Duran, N., Cornejo, L., & Alves, O.L. (2006). Evaluation of boron removal from water by hydrotalcite-like compounds. Chemosphere 62: 80-88. http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.04.009.
14. Gao, Z., Xie, S., Zhang, B., Qiu, X., & Chen, F. (2017). Ultrathin Mg-Al layered double hydroxide prepared by ionothermal synthesis in a deep eutectic solvent for highly effective boron removal. Chemical Engineering Journal 319: 108-118. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.03.002.
15. Goh, K.-H., Lim, T.T., & Dong, Z. (2008). Application of layered double hydroxides for removal of oxyanions: A review. Water Research 42: 1343-1368. http://doi.org/10.1016/j.watres.2007.10.043.
16. Goh, K.H., Lim, T.T., Banas, A., & Dong, Z. (2010). Sorption characteristics and mechanisms of oxyanions and oxyhalides having different molecular properties on Mg/Al layered double hydroxide nanoparticles. Journal of Hazardous Materials 179: 818–827. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.03.077.
17. Guo, Q., Zhang, Y., Cao, Y., Wang, Y., & Yan, W. (2013). Boron sorption from aqueous solution by hydrotalcite and its preliminary application in geothermal water deboronation. Environmental Science and Pollution Research 20: 8210-8219. https://doi.org/10.1007/s11356-013-1796-5.
18. Halajnia, A., Oustan, S., Najafi, N., Khataee, A.R., & Lakzian, A. (2016). Effects of Mg-Al layered double hydroxide on nitrate leaching and nitrogen uptake by maize in a calcareous soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis 47: 1162–1175. http://doi.org/10.1080/00103624.2016.1165825.
19. Hatami, H., Fotovat, A., & Halajnia, A. (2018). Comparison of adsorption and desorption of phosphate on synthesized Zn-Al LDH by two methods in a simulated soil solution. Applied Clay Science 152: 333–341. http://doi.org/10.1016/j.clay.2017.11.032.
20. Hatami, H., Fotovat, A., & Halajnia, A. (2020). Adsorption of Boron from a Simulated Soil Solution Using Zn–Al and Mn-Doped Zn–Al Layered Double Hydroxides. Colloid Journal 82(6): 735–745. http://doi.org/10.1134/S1061933X20060058.
21. Hatami, H., Fotovat, A., & Halajnia, A. (2021). Availability and Uptake of Phosphorus and Zinc by Maize in the Presence of Phosphate-Containing Zn-Al-LDH in a Calcareous Soil. Eurasian Soil Science 54(3): 431–440. http://doi.org/10.1134/S1064229321030066.
22. Inayat, A., Klumpp, M., & Schwieger, W. (2011). The urea method for the direct synthesis of ZnAl layered double hydroxides with nitrate as the interlayer anion. Applied Clay Science 51: 452–459. http://doi.org/10.1016/j.clay.2011.01.008.
23. Jiang, J.-Q., Xu, Y., Quill, K., Simon, J., & Shettle, K. (2007). Laboratory Study of Boron Removal by Mg/Al Double-Layered Hydroxides. Industrial & Engineering Chemistry Research 46: 4577-4583.
24. Kameda, T., Oba, J., & Yoshioka, T. (2015). New treatment method for boron in aqueous solutions using Mg–Al layered double hydroxide: Kinetics and equilibrium studies. Journal of Hazardous Materials 293: 54–63. http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.03.015.
25. López-Rayo, S., Imran, A., Hansen, H.C.B., Schjoerring, J., & Magid, J. (2017). Layered double hydroxides: potential release-on-demand fertilizers for plant zinc nutrition. Journal of Agricultural and Food Chemistry 65(40): 8779–8789. http://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b02604.
26. 25. Novillo, C., Guaya, D., Allen-Perkins Avenqiudaño, A., Armijos, C., Cortina, J.L., & Cota, I. (2014). Evaluation of phosphate removal capacity of Mg/Al layered double hydroxides from aqueous solutions. Fuel 138: 72–79. http://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.07.010.
27. Shafigh, M., Hamidpour, M., & Furrer, G. (2019). Zinc release from Zn-Mg-Fe(III)-LDH intercalated with nitrate, phosphate and carbonate: The effects of low molecular weight organic acids. Applied Clay Science 170: 135–142. https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.01.016.
28. Songkhum, P., Wuttikhun, T., Chanlek, N., Khemthong, P., & Laohhasurayotin, K. (2018). Controlled release studies of boron and zinc from layered double hydroxides as the micronutrient hosts for agricultural application. Applied Clay Science 152: 311-322. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.11.028.
29. Woo, M.A., Kim, T.W., Paek, M., Ha, H., Choy, J., & Hwang, S. (2011). Phosphate-intercalated Ca–Fe-layered double hydroxides: Crystal structure, bonding character, and release kinetics of phosphate. Journal of Solid State Chemistry 184: 171-176. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2010.11.003.
30. Zhang, H., & Selim, H.M. (2005). Kinetics of arsenate adsorption–desorption in soils. Environmental Science & Technology 39: 6101–6108. https://doi.org/10.1021/es050334u.