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