مقایسه شدت‌بخشی تثبیت/جامدسازی پایه سیمانی بنتونیت آلوده به سرب با کلسیم‌هیدروکسید و سدیم‌هیدروکسید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

2 گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا و عضو هیئت علمی وابسته دانشکده عمران، دانشگاه تهران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی خاک توسط فلزات سنگین تهدیدی جدی برای محیط‌زیست و سلامت انسان محسوب می‌شود. سازمان حفاظت از محیط‌زیست آمریکا، روش تثبیت و جامدسازی پایه سیمانی را بهترین راهکار برای کنترل انتقال آلاینده‌ها معرفی کرده‌است. هیدراسیون سیمان با تولید کلسیم‌هیدروکسید، pH محیط را افزایش داده و موجب تثبیت آلاینده شده و سپس با شکل‌گیری واکنش‌های پوزولانی، کپسوله‌سازی آلاینده‌ها صورت می‌گیرد. با این وجود، مشکلات ناشی از تولید سیمان به عنوان یک چالش جهانی برای محیط‌زیست مطرح است. هدف اصلی این تحقیق، مقایسه اثر دو عامل قلیایی، هیدروکسید کلسیم و هیدروکسید سدیم، بر تثبیت و جامدسازی خاک‌های آلوده به سرب با استفاده از سیمان است. این تحقیق به بررسی مکانیسم‌های کنترل‌کننده فرآیند تثبیت/جامدسازی (S/S) و اثر افزایش pH بر نگهداری آلاینده‌ها می‌پردازد.

مواد و روش‌ها: این مطالعه، به‌طور ویژه بر افزایش pH محیط و تحلیل تأثیر آن بر فرآیند تثبیت متمرکز شده‎است. بدین منظور یک مجموعه آزمایش pH، روش شست و شوی مشخصه سمیت (TCLP) و پراش پرتو ایکس انجام شده‌است. در این پژوهش نتونیت با غلظت cmol/kg-soil 100 با فلز سنگین سرب آلوده شده و سپس با 10% و 15% وزنی سیمان تثبیت/جامدسازی شده‌است. برای تجزیه و تحلیل مکانیزم تثبیت،pH خاک آلوده به صورت جداگانه با افزودن تدریجی کلسیم‌هیدروکسید و سدیم‌هیدروکسید در مقادیر pH 10، 11 و 12 تنظیم شده‌است، که منطبق بر دامنه pH رسوب فلز سنگین سرب است. برای بررسی کاهش مصرف سیمان، خاک تثبیت شده با کلسیم‌هیدروکسید با مقادیر 5، 5/7، 10 و 15 درصد سیمان جامدسازی شده‌است.

نتایج و بحث: خاک بنتونیت به دلیل داشتن ظرفیت تبادل کاتیونی قابل توجه، وجود کلسیم‌کربنات و سطح مخصوص زیاد، قادر است در آزمایش روش شست و شوی مشخصه سمیت، به تنهایی حدود 50 درصد از مقدار آلودگی که به آن اعمال می‌شود را نگهداری کند. در فرآیند تثبیت و جامدسازی پایه سیمانی، در صورتی که آلودگی فلز سنگین بیش از ظرفیت نگهداشت خاک باشد، لازم است که این آلاینده تثبیت شود و سپس شرایط برای کپسوله کردن آن فراهم شود. به همین دلیل، با توجه به ویژگی آمفوتریک (Amphoteric) آلاینده فلز سنگین سرب، لازم است pH خاک آلوده در محدوده مقادیر 10 تا 12 تنظیم شود تا یون سرب توسط فاز اکسید-هیدروکسید تثبیت شود. بر این اساس مقدار سیمان مصرفی می‌بایست شرط تثبیت آلاینده آزاد را به‌واسطه افزایش pH اولیه تامین کند. نتایج حاصل نشان می‌دهد که در فرآیند تثبیت/جامدسازی، در مکانیزم تثبیت، با افزایش pH، فاز نگهداشت کربنات به فاز اکسید-هیدروکسید که پایدارتر است تبدیل می‌شود. همین امر سبب افزایش مقدار نگهداشت آلاینده در آزمایش آبشویی آلودگی شده‌است. در خاک تثبیت شده با کلسیم هیدروکسید به‌دلیل تشکیل محصولات سیمانی، مقدار نگهداشت آلاینده در فرآیند آبشویی آلودگی بیش از خاک تثبیت شده با سدیم هیدروکسید است. با این وجود، سطح واجذبی هنوز به حد مجاز استاندارد EPA (کمتر از 5 میلی‌گرم بر لیتر) نمی‌رسد. برای دستیابی به این حد مجاز، حضور سیمان و مکانیزم جامدسازی توسط محصولات سیمانی الزامی است. در صورت شدت‌بخشی خاک آلوده توسط کلسیم هیدروکسید و تثبیت آلاینده آزاد، می‌توان مصرف سیمان را کاهش داد.

نتیجه‌گیری: تثبیت خاک‌های آلوده به فلز سنگین با کلسیم‌هیدروکسید و سدیم هیدروکسید و ارزیابی میزان واجذبی نشان می‌دهد که بهترین مقدار pH در این فرآیند حصول pH 11 است. نتایج تحقیق حاضر حاکی از آن است که استفاده از ماده شدت‌بخشی کلسیم هیدروکسید سبب می‌شود تا علاوه بر فعال شدن مکانیزم تشکیل رسوب اکسید-هیدروکسید، مکانیزم‌های جامدسازی نیز فعال‌تر شود. همین موضوع سبب عملکرد بهتر کلسیم هیدروکسید به عنوان ماده شدت‌بخشی در فرایند جامدسازی پایه سیمانی خاک حاوی آلاینده فلز سنگین سرب شده‌است. شدت‌بخشی با کلسیم‌هیدروکسید سبب کاهش میزان مصرف سیمان به میزان 33 درصد نسبت به شرایط غیر شدت‌بخشی در روش تثبیت/جامدسازی پایه سیمانی شده‌است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparison of Enhancement in Cement-Based Stabilization/Solidification of Lead-Contaminated Bentonite Using Calcium Hydroxide and Sodium Hydroxide

نویسندگان [English]

  • Behnam Yousefi 1
  • Vahid Reza Ouhadi 2
1 Department, Civil Eng Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 Department of Civil Eng., Bu-Ali Sina University AND Adjunct Prof., School of Civil Engineering, University of Tehran, Iran
چکیده [English]

Background and Objective:

Soil contamination by heavy metals poses a serious threat to the environment and human health. The U.S. Environmental Protection Agency (EPA) has identified cement-based stabilization and solidification (S/S) as the most effective method to control the mobility of contaminants. The cement hydration process increases the pH of the environment through the production of calcium hydroxide, stabilizing the contaminants. Subsequently, pozzolanic reactions encapsulate the contaminants. However, environmental concerns regarding cement production present a global challenge. This study focuses on comparing the mechanisms controlling the S/S process of lead-contaminated bentonite using cement, along with the alkaline enhancing agents calcium hydroxide and sodium hydroxide, with the goal of reducing cement consumption.

Materials and Methods: This study specifically examines the pH elevation and its impact on the stabilization process. A series of pH adjustment, leachability (TCLP), and X-ray diffraction (XRD) tests were conducted. Bentonite soil was contaminated with 100 cmol/kg-soil of lead and then stabilized/solidified with 10% and 15% by weight of cement. To analyze the stabilization mechanism, the pH of the contaminated soil was adjusted to 10, 11, and 12 using incremental additions of calcium hydroxide and sodium hydroxide, corresponding to the pH range for the precipitation of lead heavy metal. To investigate cement reduction, stabilized soil with calcium hydroxide was solidified with 5%, 7.5%, 10%, and 15% cement.

Results and Discussion:
Due to its significant cation exchange capacity, the presence of calcium carbonate, and large specific surface area, bentonite soil alone can retain about 50% of the applied contamination in the TCLP test, preventing its transfer to the environment. In cement-based S/S processes, if heavy metal contamination exceeds the soil's retention capacity, stabilization is required before encapsulation. Given the amphoteric properties of lead, the soil's pH must be adjusted to the range of 10–12 to stabilize lead ions through oxide-hydroxide phases. Accordingly, the amount of cement used must provide the necessary initial pH increase for stabilization.TCLP and XRD results show that in the S/S process, as pH increases, the retention phase transitions from carbonate to the more stable oxide-hydroxide phase, enhancing contaminant retention in the TCLP test. In soils stabilized with calcium hydroxide, the formation of cementitious products results in greater contaminant retention compared to sodium hydroxide-stabilized soils. However, desorption levels still do not meet the EPA standard limit (<5 mg/L). Achieving this limit requires the presence of cement and solidification mechanisms facilitated by cementitious products. By enhancing contaminated soil with calcium hydroxide and stabilizing free contaminants, cement consumption can be reduced.

Conclusion: Stabilization of heavy metal-contaminated soils with calcium hydroxide and sodium hydroxide and evaluating desorption levels in the TCLP test indicate that an optimal pH of 11 is most effective. The findings suggest that using calcium hydroxide as an enhancer not only activates the oxide-hydroxide precipitation mechanism but also enhances solidification mechanisms. This improved performance makes calcium hydroxide a more effective enhancer in the cement-based S/S process for soils containing heavy metal contaminants like lead. Intensification with calcium hydroxide reduces cement consumption by 33% compared to non-enhanced conditions in the cement-based S/S method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cement-based stabilization/solidification
  • contaminant precipitation
  • enhancement
  • TCLP

مراجع

References
Abdila, S. R., & Abdullah, M. M. A. B. (2025). In situ DCP to evaluate unconfined compressive strength of soil stabilization using ground-granulated blast slag and fly ash via geopolymer process. In Recent Developments of Geopolymer Materials (pp. 201– 221). Elsevier. https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/ B9780443240683000108
Adajar, M. A., & Valbuena, K. (2021). Optimization of the strength properties of expansive soil stabilized with agricultural wastes. GEOMATE Journal, 21(88), 35–41.
Ali, Y. M. (2021). Use of Bentonite and Zeolite to Stabilize Nutrients and Heavy Metals Within Earthen Pond Sediments. Journal of Soil Sciences and Agricultural Engineering, 12(12), 909–917.
Belay, L. M. (2024). Stabilization and solidification of industrial waste. https://digilib.k.utb.cz/handle/ 10563/54853
Bilal, M., Alshammari, A. M., & Ali, A. (2023). Binder-Based Remediation of Heavy Metal Contaminated Soils: A Review of Solidification/Stabilization Methods. Knowledge-Based Engineering and Sciences, 4(3), 17–34.
Cao, W., Qin, C., Zhang, Y., Wei, J., Shad, A., Qu, R., Xian, Q., & Wang, Z. (2024). Adsorption and migration behaviors of heavy metals (As, Cd, and Cr) in single and binary systems in typical Chinese soils. Science of The Total Environment, 950, 175253.
Chen, H. M., Zheng, C. R., & Sun, X. H. (1991). Effect of anions on adsorbability and extractability of lead added in soil. https://www.cabidigitallibrary .org/doi/full/10.5555/19911960443
Chen, L., Nakamura, K., & Hama, T. (2023). Review on stabilization/solidification methods and mechanism of heavy metals based on OPC-based
binders. Journal of Environmental Management, 332, 117362.
Cuisinier, O., Le Borgne, T., Deneele, D., & Masrouri, F. (2011). Quantification of the effects of nitrates, phosphates and chlorides on soil stabilization with lime and cement. Engineering Geology, 117(3–4), 229–235.
Davis, B. L. (1986). A tubular aerosol suspension chamber for the preparation of powder samples for X-ray diffraction analysis. Powder Diffraction, 1(3), 240–243.
Dermatas, D., Chrysochoou, M., Pardali, S., & Grubb, D. G. (2007). Influence of X‐Ray Diffraction Sample Preparation on Quantitative Mineralogy: Implications for Chromate Waste Treatment. Journal of Environmental Quality, 36(2), 487–497. https://doi.org/10.2134/jeq2006.0215
Eltantawy, I., & Arnold, P. (1973). Reappraisal of ethylene glycol mono‐ethyl ether (EGME) method for surface area estimations of clays. Journal of Soil Science, 24(2), 232–238.
Fu, J., Chen, Y., He, J., Zhou, H., & Liu, W. (2024). Optimization of solidification/stabilization materials based on solid waste geopolymer. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1335(1), 012040. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/ 1755-1315/1335/1/012040/meta
Geng, Y., Wang, Z., Shen, L., & Zhao, J. (2019). Calculating of CO2 emission factors for Chinese cement production based on inorganic carbon and organic carbon. Journal of Cleaner Production, 217, 503–509.
Guo, B., Liu, B., Yang, J., & Zhang, S. (2017). The mechanisms of heavy metal immobilization by cementitious material treatments and thermal treatments: A review. Journal of Environmental Management, 193, 410–422.
He, X. (2023). Review on Remediation Technology of Heavy Metal Contaminated Soil. Academic Journal of Science and Technology, 6(1), 177–179.
Jenkins, R., Fawcett, T. G., Smith, D. K., Visser, J. W., Morris, M. C., & Frevel, L. K. (1986). JCPDS—international centre for diffraction data sample preparation methods in X-Ray Powder Diffraction. Powder Diffraction, 1(2), 51–63.
Ji, Z., & Pei, Y. (2019). Bibliographic and visualized analysis of geopolymer research and its application in heavy metal immobilization: A review. Journal of Environmental Management, 231, 256–267.
Jiang, J., Ayaz, T., Jiang, Z., & Lei, M. (2021). Green remediation of heavy metal polluted water and soil using clay minerals: A review. 632(5), 052079.
Jiang, Y., Tian, Q., Zhang, H., Yue, X., Xue, S., Qiu,
F., & Zhang, T. (2024). One-step removal of anionic/cationic heavy metal ions from wastewater by magnetic amphoteric adsorbent. Journal of Water Process Engineering, 65, 105847.
Król, A., Mizerna, K., & Bożym, M. (2020). An assessment of pH-dependent release and mobility of heavy metals from metallurgical slag. Journal of Hazardous Materials, 384, 121502.
Liu, J., Wu, D., Tan, X., Yu, P., & Xu, L. (2023). Review of the interactions between conventional cementitious materials and heavy metal ions in stabilization/solidification processing. Materials, 16(9), 3444.
Malviya, R., & Chaudhary, R. (2004). Study of the treatment effectiveness of a solidification/stabilization process for waste bearing heavy metals. Journal of Material Cycles and Waste Management, 6, 147–152.
Malviya, R., & Chaudhary, R. (2006). Factors affecting hazardous waste solidification/stabilization: A review. Journal of Hazardous Materials, 137(1), 267–276.
Mitchell, J. K., & Soga, K. (2005). Fundamentals of soil behavior (Vol. 3). John Wiley and Sons New York.
Mohamad, H. M., Sharudin, M. F. I., Amaludin, A. E., & Zakaria, S. N. F. (2023). Characteristic and physicochemical properties of peat soil stabilized with sodium hydroxide (NaOH). Civ Eng J, 9(9), 2221–2232.
Mohammad Eisa, H., Vaezi, I., & Mahboubi Ardakani, A. (2020). Evaluation of solidification/stabilization in arsenic-contaminated soils using lime dust and cement kiln dust. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 79, 1683–1692.
Muthu, M., Santhanam, M., & Kumar, M. (2018). Pb removal in pervious concrete filter: Effects of accelerated carbonation and hydraulic retention time. Construction and Building Materials, 174, 224–232.
Netterberg, F., Paige-Green, P., Mehring, K., & Von Solms, C. L. (1987). Prevention of surface carbonation of lime and cement-stabilized pavement layers by more appropriate curing techniques https://trid.trb.org/View/291175
Nikolić, V., Komljenović, M., Džunuzović, N., & Miladinović, Z. (2018). The influence of Pb addition on the properties of fly ash-based geopolymers. Journal of Hazardous Materials, 350, 98–107.
Ouhadi V.R., & Goodarzi A.R. (2003). Pore Fluid Characteristics Effect on Dispersivity Behaviour of Bentonite from Macro and Micro Structure Aspects, 2nd International Symposium on Contaminated
Sediments, Quebec City, Canada; pp200-206
Ouhadi, V., Bayesteh, H., & Pasdarpour, M. (2012). Analysis of dispersivity behavior of clay minerals by fuzzy computational system and experimental methods. Journal of Dispersion Science and Technology, Vol. 33.(3), pp. 420-428.
Ouhadi, V. R., Amiri, M., & Goodarzi, A.R. (2012). The special potential of nanoclays for heavy metal contaminant retention in geo-environmental projects. Civil Engineering Infrastructures Journal, Vol. 45 (6), 631-642.
Ouhadi, V.R., & Amiri, M. (2014). Interaction of Nano-Clays and Cu Contaminant in GeoEnvironmental Projects. Journal of Environmental Science and Technology, Vol. 16 (160), 75-87.
Ouhadi, V., Amiri, M. & Zangane, M. (2016). Microstructural assessment of lime consumption rate and pozzolanic reaction progress of a lime-stabilized dispersive soil. Modares Civil Engineering Journal, 16(1), 11-22.
Ouhadi, V. R. (2017). Development and Validation of the Modified Barium Chloride Method for CEC Measurement and Determination of Accurate Exchangeable Calcium Cation Concentration in Carbonated Clayey Soils. Modares Civil Engineering Journal, 17(3), 21–34.
Ouhadi, V.R., Yong, R.N., & Deiranlou, M. (2021). Enhancement of cement-based solidification/stabilization of a lead-contaminated smectite clay. Journal of Hazardous Materials, 403, 123969.
Ouhadi, V. R., & Deiranlou, M. (2023). Impact of Enhancement by NaOH on Solidification/Stabilization of Contaminated Bentonite. Scientific Quarterly journal of Iranian Association of Engineering Geology, 16, 43-46.
Ouhadi, V. R., Yousefi, B., & Safadoust, R. (2023). Micro-structural evaluation of the impact of curing method on the process of cement-based stabilization/solidification of Pb ion contaminated bentonite. Sharif Journal of Civil Engineering.
Ouhadi, V. R., & Farahpour, M. A. (2024). Utilizing Surface Potential and Soil Retention Phases to Optimize the Selection of Enhancement Materials for Contaminant Extraction from Kaolinite. Modares Civil Engineering Journal, 24(3), 165–178.
Reddy, V. A., Solanki, C. H., Kumar, S., Reddy, K. R., & Du, Y.-J. (2020). Stabilization/solidification of Zinc-and lead-contaminated soil using limestone calcined clay cement (LC3): An environmentally friendly alternative. Sustainability, 12(9), 3725.
Roy, S., Gupta, S. K., Prakash, J., Habib, G., & Kumar, P. (2022). A global perspective of the current state of heavy metal contamination in road dust. Environmental Science and Pollution Research, 29(22), 33230–33251. https://doi.org/
10.1007/s11356-022-18583-7
Singh, R., & Budarayavalasa, S. (2021). Solidification and stabilization of hazardous wastes using geopolymers as sustainable binders. Journal of Material Cycles and Waste Management, 23(5), 1699–1725.
Sohail, S., Honna, M., Mathad, V., & Bharamgoud, B. (2018). Comparative study on soil stabilization using powdered glass and sodium hydro-oxide additives. International Journal for Innovative Research in Science and Technology, 4(12), 86–93.
US, E. (2009). Technology performance review: Selecting and using solidification/stabilization treatment for site remediation. US Environmental Protection Agency, EPA/600/R-09/148.
Wang, D., & Wang, Q. (2022). Clarifying and quantifying the immobilization capacity of cement pastes on heavy metals. Cement and Concrete Research, 161, 106945.
Wang, P., Xue, Q., Li, J., & Zhang, T. (2016). Effects of pH on leaching behavior of compacted cement solidified/stabilized lead contaminated soil. Environmental Progress and Sustainable Energy, 35(1), 149–155. https://doi.org/10.1002/ep.12218
Wuana, R. A., & Okieimen, F. E. (2011). Heavy metals in contaminated soils: A review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation. International Scholarly Research Notices, 2011.
Yang, L., Wen, T., Wang, L., Miki, T., Bai, H., Lu, X., Yu, H., & Nagasaka, T. (2019). The stability of the compounds formed in the process of removal Pb (II), Cu (II) and Cd (II) by steelmaking slag in an acidic aqueous solution. Journal of Environmental Management, 231, 41–48.
Yang, S., Dong, Z., Zhu, B., Yan, X., Huang, J., Xie, X., Chang, Z., Tian, S., & Ning, P. (2024). Feasibility and solidification mechanism study of self-sustaining smoldering remediation for copper and lead-contaminated soil. Environmental Research, 250, 118498.
Yang, X., & Yang, Y. (2023). Spatiotemporal patterns of soil heavy metal pollution risk and driving forces of increment in a typical industrialized region in central China. Environmental Science: Processes and Impacts, 25(3), 554–565.
Yong, R.N. & Ouhadi, V.R. (1997). Reaction factors impacting on instability of bases on natural and lime stabilized marls", Special International Conference on Foundation Failures, Lecture, Keynote Paper, Singapore, pp. 87-97.
Yong, R.N., Ouhadi, V.R., & Mohamed, A.M.O. (1996). Physicochemical evaluation of failure of stabilized marl soil; Proceedings of the 49th Canadian geotechnical conference frontiers in
geotechnology, 2, 769-776.
Zha, F., Liu, C., Kang, B., Xu, L., Yang, C., Chu, C., Yu, C., Zhang, W., Zhang, J., & Liu, Z. (2021). Effect of Carbonation on the Leachability of Solidified/Stabilized Lead‐Contaminated Expansive Soil. Advances in Civil Engineering, 2021(1), 8880818. https://doi.org/10.1155/2021/8880818
Zhao, X., Zhang, J., Ma, R., Luo, H., Wan, T., Yu, D., & Hong, Y. (2024). Worldwide Examination of Magnetic Responses to Heavy Metal Pollution in Agricultural Soils. Agriculture, 14(5), 702.
Zoqi, M. J., & Doosti, M.R. (2021). Solidification/Stabilization of Lead Contaminated Soil Using Magnesia Phosphate cement and Ordinary Portland cement. Journal of Environmental Health Engineering, 8(3), 257-270.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 23، شماره 4
دی 1404
صفحه 991-1008

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار