سرعت رهاسازی فسفر از هیدروکسیدهای دو گانه لایه‌ای: اثر pH و نسبت‌های کاتیون دو ظرفیتی به سه ظرفیتی موجود در ساختار کانی

آب و خاک

مقاله 7، دوره 38، شماره 3 - شماره پیاپی 95، مرداد و شهریور 1403، صفحه 409-399   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.2024.87711.1404

نویسندگان

امیر حسن زاده؛ محسن حمیدپور^*

گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ولی‌عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

در خاک­های آهکی که بخش عمده‌ای از اراضی زراعی و باغی کشورمان را شامل می‌گردد، مقادیر زیادی از فسفر موجود در کودهای شیمیایی، بعد از ورود به خاک نامحلول و به‌صورت فسفات‌های کلسیم یا آپاتیت تبدیل شده و به‌همین منظور امروزه برای افزایش کارایی آن­ها و همچنین کاهش آلودگی زیست‌محیطی ناشی از کاربرد این کودها به ترکیبات جدید کندرها توجه ویژه‌ای شده است. هدف از انجام این پژوهش، بررسی اثر pH و نسبت‌های کاتیون دو ظرفیتی به سه ‌ظرفیتی بر سرعت رهاسازی فسفر از هیدروکسیدهای دوگانه لایه‌ای (LDHs) بود. در این پژوهش ابتدا دو نوع Mg-Al-LDH با آنیون بین لایه­ای نیترات و با نسبت‌های کاتیون دو ظرفیتی به سه ‌ظرفیتی دو به یک و سه به یک (به‌ترتیب LDH-N1 و LDH-N2) ساخته شدند و سپس با استفاده از روش تبادل یونی، آنیون بین لایه­ای با آنیون فسفات جایگزین شد و در نهایت دو Mg-Al-LDH با آنیون بین‌لایه‌ای فسفات تهیه گردید. آزمایشات پیمانه‌ای در محلول زمینه 0/03 مولار نیترات پتاسیم جهت بررسی اثر pH و زمان بر سرعت رهاسازی فسفر از LDH-P1 و  LDH-P2انجام شد. نتایج آزمایش نشان داد که افزایش pH از 6 به 8 در حضور محلول زمینه 0/03 مولار نیترات پتاسیم، منجر به افزایش فسفر رها‌‌شده از هر دو نوع LDH شد. به‌عنوان مثال با افزایش pH اولیه سوسپانسیون­ها از ۶ به ۸ مقدار فسفر رها‌‌شده از LDH-P1 از 59/38 میلی‌گرم بر کیلوگرم به 91/41 میلی‌گرم بر کیلوگرم افزایش یافت. در هر دو pH مورد مطالعه (6 و 8)، مقدار فسفر رهاشده از LDH-P2 به‌ترتیب 46/1، 33/1 برابر بیشتر ازLDH-P1  بود. سرعت رهاسازی فسفر ازLDH  در مرحله اول از 0 تا 400 دقیقه، دارای سرعت بیشتر و در طی 400-1175 دقیقه با سرعت کمتری ادامه یافت. هم­چنین بر اساس نتایج، در بین معادلات سینتیکی مطالعه شده، معادلات شبه مرتبه دوم و پخشیدگی پارابولیکی بهترین برازش را بر داده‌های رهاسازی فسفر داشتند.

کلیدواژه‌ها

فسفر قابل دسترس؛ کود کندرها؛ مدل‌های سینتیکی؛ هیدروکسید‌های دو گانه لایه‌ای

مراجع

1. Biabanaki, F., & Hosseinpur, A. (2008). Phosphorus release kinetics and the correlation between kinetics models constants and soil properties and plant indices in some Hamadan soils. Journal of Water and Soil Science, 11(42), 491-503. (In Persian)
2. Berber, M.R., Hafez, I.H., Minagawa, K., & Mori, T. (2014). A sustained controlled release formulation of soil nitrogen based on nitrate-layered double hydroxide nanoparticle material. Journal of Soils and Sediments, 14, 60-66. https://doi.org/10.1007/s11368-013-0766-3
3. Chuang, Y.H., Tzou, Y.M., Wang, M.K., Liu, C.H., & Chiang, P.N. (2008). Removal of 2 chlorophenol from aqueous solution by Mg/Al layered double hydroxide (LDH) and modified LDH. Industrial & Engineering Chemistry Research, 47(11), 3813-3819. https://doi.org/10.1021/ie071508e
4. Cheng, X., Huang, X., Wang, X., & Sun, D. (2010). Influence of calcination on the adsorptive removal of phosphate by Zn–Al layered double hydroxides from excess sludge liquor. Journal of Hazardous Materials, 177(1-3), 516-523. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.12.063
5. Drever, J.I., & Stillings, L.L. (1997). The role of organic acids in mineral weathering. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 120(1-3), 167-181. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(96)03720-X
6. Das, J., Patra, B.S., Baliarsingh, N., & Parida, K.M. (2006). Adsorption of phosphate by layered double hydroxides in aqueous solutions. Applied Clay Science, 32(3-4), 252-260. https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.02.005
7. Estefan, G., Sommer, R., & Ryan, J. (2013). Methods of soil, plant, and water analysis. A Manual for the West Asia and North Africa Region, 3(2).
8. Everaert, M., Degryse, F., McLaughlin, M.J., Smolders, S., Andelkovic, I., Baird, R., & Smolders, E. (2022). Enhancing the phosphorus content of layered double hydroxide fertilizers by intercalating polymeric phosphate instead of orthophosphate: A feasibility study. Journal of Colloid and Interface Science, 628, 519-529. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.07.149
9. Everaert, M., Warrinnier, R., Baken, S., Gustafsson, J.P., De Vos, D., & Smolders, E. (2016). Phosphate-exchanged Mg–Al layered double hydroxides: a new slow release phosphate fertilizer. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(8), 4280-4287. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00778
10. Elkhatib, E.A., & Hern, J.L. (1988). Kinetics of phosphorus desorption from appalachian soils1. Soil Science, 145(3), 222-229. https://doi.org/1097/00010694-198803000-00010
11. Forano, C., Hibino, T., Leroux, F., & Taviot-Guého, C. (2006). Layered double hydroxides. Developments in Clay Science, 1, 1021-1095. https://doi.org/10.1016/S1572-4352(05)01039-1
12. Guan, T., Kuang, Y., Li, X., Fang, J., Fang, W., & Wu, D. (2020). The recovery of phosphorus from source-separated urine by repeatedly usable magnetic Fe₃O₄@ ZrO₂ nanoparticles under acidic conditions. Environment International, 134, 105322. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105322
13. 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. https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.11.032
14. Hosni, K., & Srasra, E. (2010). Evaluation of phosphate removal from water by calcined-LDH synthesized from the dolomite. Colloid Journal, 72, 423-431. https://doi.org/10.1134/S1061933X10030178
15. Jalali, M., & Ahmadi Mohammad Zinli, N. (2011). Kinetics of phosphorus release from calcareous soils under different land use in Iran. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 174(1), 38-46. https://doi.org/10.1002/ jpln.200900108
16. Jalali, M., Buss, W., Parviznia, F., & Jalali, M. (2023). The status of phosphorus levels in Iranian agricultural soils—a systematic review and meta-analysis. Environmental Monitoring and Assessment, 195(7), 842. https://doi.org/1007/s10661-023-11412-5
17. Kuzawa, K., Jung, Y.J., Kiso, Y., Yamada, T., Nagai, M., & Lee, T.G. (2006). Phosphate removal and recovery with a synthetic hydrotalcite as an adsorbent. Chemosphere, 62(1), 45-52. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere. 2005.04.015
18. Khaokaew, S., Landrot, G., Chaney, R.L., Pandya, K., & Sparks, D.L. (2012). Speciation and release kinetics of zinc in contaminated paddy soils. Environmental Science and Technology, 46, 3957–3963. https://doi.org/1021/ es204007t
19. Liang, X., Hou, W., Xu, Y., Sun, G., Wang, L., Sun, Y., & Qin, X. (2010). Sorption of lead ion by layered double hydroxide intercalated with diethylenetriaminepentaacetic acid. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 366(1-3), 50-57. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.05.012
20. Li, R., Wang, J.J., Zhou, B., Awasthi, M.K., Ali, A., Zhang, Z., & Mahar, A. (2016). Enhancing phosphate adsorption by Mg/Al layered double hydroxide functionalized biochar with different Mg/Al ratios. Science of the Total Environment, 559, 121-129. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.03.151
21. Lalley, J., Han, C., Li, X., Dionysiou, D.D., & Nadagouda, M.N. (2016). Phosphate adsorption using modified iron oxide-based sorbents in lake water: kinetics, equilibrium, and column tests. Chemical Engineering Journal, 284, 1386-1396. https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.08.114
22. Malakouti, M.J., & Gheibi, M.N. (2000). Determining the critical limit for nutrients effective upon the soil, plants and fruits. Education and Human Resources Equipment Deputy, Karaj, Iran. (In Persian)
23. Mikanova, O., & Novakova, J. (2002). Evaluation of the P-solubilizing activity of soil microorganisms and its sensitivity to soluble phosphate. Rostlinna Vyroba, 48(9), 397-400. https://doi.org/10.17221/4386-PSE
24. Novillo, C., Guaya, D., Avendaño, A.A.P., 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. https://doi.org/ 10.1016/j.fuel.2014.07.010
25. Roy, A.S., de Beer, M., Pillai, S.K., & Ray, S.S. (2023). Application of layered double hydroxides as a slow-release phosphate source: A comparison of hydroponic and soil systems. ACS Omega, 8(17), 15017-15030. https://doi.org/ 10.1021/acsomega.2c07862
26. 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
27. 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
28. Sharma, S., Kumar, V., & Tripathi, R.B. (2011). Isolation of phosphate solubilizing microorganism (PSMs) from soil. Journal of Microbiology and Biotechnology Research, 1(2), 90-95.
29. Schipper, L.A., Sparling, G.P., Fisk, L.M., Dodd, M.B., Power, I.L., & Littler, R.A. (2011). Rates of accumulation of cadmium and uranium in a New Zealand hill farm soil as a result of long-term use of phosphate fertilizer. Agriculture, Ecosystems & Environment, 144(1), 95-101. https://doi.org/10.1016/j.agee.2011.08.002
30. Smit, A.L., Bindraban, P.S., Schröder, J.J., Conijn, J.G., & Van der Meer, H.G. (2009). Phosphorus in agriculture: global resources, trends and developments: report to the Steering Committee Technology Assessment of the Ministery of Agriculture, Nature and Food Quality, The Netherlands, and in collaboration with the Nutrient Flow Task Group (NFTG), supported by DPRN (Development Policy review Network) (No. 282). Plant Research International.
31. Sparks, D. (2003). Environmental Soil Chemistry, Elsevier Science, USA.