انتخاب‌پذیری و جذب پتاسیم توسط بنتونیت‌های اشباع شده با کلسیم، منیزیم و سدیم

آب و خاک

مقاله 8، دوره 37، شماره 1 - شماره پیاپی 87، فروردین و اردیبهشت 1402، صفحه 113-127   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2023.79586.1227

نویسندگان

شبنم جلیلیان¹؛ فرانک رنجبر^{* 2}

¹گروه علوم و مهندسی خاک، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

²گروه علوم و مهندسی خاک، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، داشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

چکیده

انتخاب­گری نسبی و ظرفیت تبادل­کاتیونی تبادل‌گر از جمله عوامل مهم و تعیین­کننده در جذب و نگهداشت کاتیون­ها محسوب می‌گردند. در این پژوهش، تأثیر مقدار جاذب، pH و زمان تماس بر انتخاب­پذیری پتاسیم توسط بنتونیت­های اشباع شده با کلسیم، منیزیم و سدیم در سیستم­های دوتایی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین، به­منظور ارزیابی تأثیر نسبت­های اکیوالانی مختلف پتاسیم محلول (1/0، 2/0، 4/0، 6/0، 8/0، 9/0 و 1) و کاتیون همراه بر مقدار جذب پتاسیم، آزمایش­های ایزوترم پتاسیم در حضور این جاذب­ها انجام شد. نتایج نشان داد که جذب پتاسیم توسط بنتونیت­های کلسیمی، منیزیمی و سدیمی با افزایش زمان تماس، افزایش پیدا کرد و در زمان 24 ساعت به بیشترین مقدار خود رسید. معادله سینتیکی شبه مرتبه دوم نسبت به معادله شبه مرتبه اول بهتر توانست روند جذب پتاسیم توسط بنتونیت­ها را باگذشت زمان توصیف نماید. جذب پتاسیم توسط بنتونیت­های اشباع ‌شده با منیزیم و سدیم، با افزایش مقدار جاذب در دامنه 2-1/0 گرم، روند نزولی داشت، در حالی­که، بنتونیت کلسیمی بیشترین جذب پتاسیم را در مقدار 2/0 گرم نشان داد. با افزایش pH، درصد جذب پتاسیم از فاز محلول‌‌‌ افزایش ‌یافت؛ به‌گونه‌ای که در pH برابر 9 به بیشترین مقدار خود رسید. میزان جذب پتاسیم توسط بنتونیت­ سدیمی و منیزیمی در تمام pHها، تقریباً به یک اندازه و در عین حال، بیشتر از بنتونیت کلسیمی صورت گرفت. نتیجه جالب توجه این پژوهش در شباهت بیشتر رفتار بنتونیت منیزیمی به بنتونیت سدیمی نسبت به بنتونیت کلسیمی بود. ضرایب انتخاب­پذیری وانسلو، گینز-توماس و گاپون تحت تأثیر زمان تماس، مقدار جاذب و pH تغییر کردند. مقایسه نتایج بررسی اثر فاکتورهای اشاره شده با نتایج ضرایب انتخاب­پذیری نشان داد که این ضرایب نمی­توانند ملاک قطعی برای قضاوت در مورد ترجیح­پذیری یک کاتیون نسبت به کاتیون دیگر برای جذب در مکان­های تبادلی باشند. بررسی ایزوترم جذب پتاسیم نشان داد که میزان جذب پتاسیم در فاز جامد با افزایش کسر اکیوالانی پتاسیم محلول، روند صعودی داشت؛ به‌گونه‌ای که حداکثر جذب پتاسیم، در بالاترین غلظت اولیه پتاسیم (30 میلی اکیوالان در لیتر، معادل کسر اکیوالانی 1)، مشاهده شد. بیشترین مقدار ضریب جذب خطی (K_d)، 3/151 لیتر در کیلوگرم و کمترین آن، 9/11 لیتر در کیلوگرم، به ترتیب در بنتونیت سدیمی و بنتونیت کلسیمی به دست آمد. پارامتر گرمای تبادل در معادله تمکین، به ترتیب برای بنتونیت­های سدیمی، منیزیمی و کلسیمی برابر 5/4، 0/5 و 1/19  (J mol^-1)به دست آمد. هر سه معادله خطی ساده، تمکین و فروندلیچ به خوبی به داده­های جذب پتاسیم برازش شدند. بیشترین مقدار ضریب تعیین برای معادله خطی ساده و کمترین خطای استاندارد برای معادله فروندلیچ برآورد شد.

کلیدواژه‌ها

ایزوترم؛ تبادل کاتیونی؛ گاپون؛ گینز-توماس؛ وانسلو

مراجع

1. Bower, C.A., Reitmeir, R.F., & Fireman, M. (1952). Exchangeable cation analysis of saline and alkali soils. Soil Science 73: 251– http://dx.doi.org/10.1097/00010694-195204000-00001.
2. Braz, A.M.S., Fernandes, A.R., Ferreira, J.R., & Alleoni, L.R.F. (2013). Prediction of the distribution coefficients of metals in Amazonian soils. Ecotoxicology and Environmental Safety 95: 212–220. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2013.05.007.
3. Evangelou, V.P., & Lumbanraja, J. (2002). Ammonium-potassium-calcium exchange on vermiculite and hydroxy-aluminum vermiculite. Soil Science Society of America Journal 66(2): 445–455. https://doi.org/10.2136/sssaj2002.4450.
4. Ho, S. (1995). Adsorption of heavy metals from waste streams by peat. Ph.D Thesis, University of Birmingham, Birmingham. http://etheses.bham.ac.uk/id/eprint/8742.
5. Ho, Y.S., & McKay, G. (1998). A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents. Process Safety and Environmental Protection 76(4): 332–340. https://doi.org/10.1205/0957582985296966.
6. Jalali, M. (2012). Soil Fertility. Bu Ali Sina University Publishing. 541 pages. (In Persian)
7. Jalali, M., Mohammadi Arian, T., & Ranjbar, F. (2020). Selectivity coefficients of K, Na, Ca, and Mg in binary exchange systems in some calcareous soils. Environmental Monitoring and Assessment 192: 80. https://doi.org/10.1007/s10661-019-8022-y.
8. Khalilirad, M., & Towfighi, H. (2017). Binary K-Ca exchange on a clay separated from a soil with dominant illite (mica) mineralogy: 2- Determination of selectivity coefficients and thermodynamic parameters and effects of K-depletion on them. Iranian Journal of Soil and Water Research 48(3): 599– https://doi.org/10.22059/ijswr.2017.209678.667477. (In Persian)
9. ‏Lin, J., Yanhui, Zh., & Zhiliang, Zh. (2011). Evaluation of sediment cropping with active barrier systems (ABS) using calcite/zeolite mixtures to simultaneously manage phosphorus and ammonium release. Science of Total Environment 409: 638– https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.10.031.
10. Liu, X., Lu, X., Sprik, M., Cheng, J., Meijer, E.J., & Wang, R. (2013). Acidity of edge surface sites of montmorillonte and kaolinite. Geochimica et Cosmochimica Acta 117: 180– https://doi.org/10.1016/j.gca.2013.04.008.
11. Malakouti, M.J., Shahabi, A.A., & Bazargan, K. (2016). Potassium in agriculture: the role of potassium in the production of healthy agricultural products. Moballeghan Publishing. 352 pages. (In Persian with English abstract)
12. Pagnanelli, F., Esposito, A., Toro, L., & Veglio, F. (2003). Metal speciation and pH effect on Pb, Cu, Zn and Cd biosorption onto Sphaerotilus natans: Langmuir-type empirical model. Water Research37(3): 627–633. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(02)00358-5.
13. ‏Rafatullah, M., Sulaiman, O., Hashim, R., & Ahmad, A. (2009). Adsorption of copper (II), chromium (III), nickel (II) and lead (II) ions from aqueous solutions by Meranti sawdust. Journal of Hazardous Materials 170: 969–977. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.05.066.
14. Ranjbar, F., & Jalali, M. (2016). Empirical and mechanistic evaluation of sodium exchange isotherms on natural mineral and organic adsorbents and organically functionalized nanoparticles. International Journal of Environmental Science and Technology 13(8): 1891–1916. http://dx.doi.org/10.1007/s13762-016-0983-6.
15. Shaheen, S.M., Tsadilas, C.D., & Rinklebe, J. (2013). A review of the distribution coefficients of trace elements in soils: Influence of sorption system, element characteristics, and soil colloidal properties. Advances in Colloid and Interface Science 201: 43–56.‏ https://doi.org/10.1016/j.cis.2013.10.005.
16. Shainberg, I., Oster, J.D., Wood, J.D. (1980). Sodium/calcium exchange in montmorillonite and illite suspensions. Soil Science Society of America Journal 44: 960–964. https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050017x.
17. Sparks, D.L. (2003). Environmental Soil Chemistry. Elsevier.‏ 345 pages.
18. Takahashi, Y., Dahlgren, R.A., Kanno, H., Nanzyo, M., & Takahashi, T. (2018). Mechanisms for high potassium selectivity of soils dominated by halloysite from northern California, USA. Soil Science and Plant Nutrition 64(1): 90–99. https://doi.org/10.1080/00380768.2017.1411167.
19. Visconti, F., De Paz, J.M., & Rubio, J.L. (2012). Choice of selectivity coefficients for cation exchange using principal components analysis and bootstrap ANOVA of coefficients of variation. European Journal of Soil Science63(4): 501–‏https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2012.01474.x.