دانلود رایگان ترجمه مقاله استفاده از سورفکتانت ها برای احیای خاک های آلوده (نشریه الزویر 2015) (ترجمه رایگان – برنزی ⭐️)

استفاده از سورفکتانت ها برای احیای خاک های آلوده: یک مقاله مروری

Use of surfactants for the remediation of contaminated soils: A review

چکیده
1-مقدمه
4-1 سورفکتانهای یونی
4-2 سورفکتانتهای غیریونی
4-3 سورفکتانتهای دوبخشی
4-4 بیوسورفکتانت
4-5-سورفکتانتهای مرکب و استفاده ترکیبی از آنها
5-اظهاراتی برای نتیجه گیری و دیدگاه آتی

چکیده
به دلیل ضرر زیادی که در اثر آلودگی خاک ایجاد می شود، علاقه فزاینده ای برای بکارگیری سورفکتانت ها برای احیای انواع خاکهای الوده در کل دنیا وجود دارد. این مقاله مروری خلاصه ای از یافته های متون علمی اخیر راجع به احیای خاکهای/محلهای الوده با استفاده از سورفکتانت ها به عنوان یک ماده فعال تشدید کننده می باشد. برای تکنولوژی احیای مبتنی بر سورفکتانت، رفتارهای جذب سطحی سورفکتانتها به خاک، قابلیت محلول سازی سورفکتانت ها، و سمّیت و قابلیت سازگاری زیستی سورفکتانت ها ملاحظات مهمی می باشد. سورفکتانت ها می تواند باعث تقویت جذب سطحی آلاینده ها از خاک و ایجاد احیای زیستی مواد ارگانیک با افزایش قابلیت دسترسی زیستی آلاینده ها بشوند. گرفتن فلزات سنگین و مواد هسته ای رادیواکتیو از خاک مستلزم مکانیسم های حل سازی، تشکیل کمپلکس با سورفکتانت و تبادل یونی می باشد. علاوه بر سورفکتانت های یونی و غیریونی متداول، سورفکتانت های دوتایی و سورفکتانت های زیستی نیز برای احیای خاک به دلیل خصوصیات خوب آنها نظیر مقادیر غلظت میسلی بحرانی پایین تر (CMC) و قابلیت سازگاری زیستی بهتر بکار می روند. سیستم های ترکیبی سورفکتانت و استفاده ترکیبی از سورفکتانت ها با سایر مواد افزودنی اغلب برای بهبود عملکرد کلی محلول شستشوی خاک برای آلاینده زدایی اتخاذ می شوند. در کل دنیا مطالعات میدانی و احیا در مقیاس کامل با استفاده از تکنولوژی های مبتنی بر سورفکتانت همچنان محدود است ولی مواردی که قبلا معلوم شده نشان دهنده جنبه خوب بکارگیری تکنولوژی های مبتنی بر سورفکتانت برای احیای خاک می باشد.

1 مقدمه
آلودگی خاک یک مسئله جهانی است و می تواند یک مانع اصلی برای توسعه پایدار باشد. این کار باعث برهم زنی تعادل اکوسیستمی شده و باعث افزایش زیان اقتصادی و صدمه به سلامت انسان می شود. الودگی خاک اساسا در اثر اقدامات غیرمسئولانه یا نامناسب دفع زباله، مانند تخلیه صنعتی نامناسب، ضایعات حفاری و معدن، دفع زباله ها و ذخایر بوجود می اید. الاینده های شایع خاک عبارتند از فلزات سنگین، مواد آلی سمی، و مواد هسته ای رادیواکتیوی. افزایش میزان فلزات سنگین در خاک در بسیاری کشورها و نواحی صنعتی گزارش شده است. فزات و متالوئیدهای آنها نظیر کروم، کادمیوم، جیوه و سرب می تواند باعث بمخاطره اندازی اکوسیستم و سلامت انسان از طریق زنجیره های غذایی یا تماس مستقیم با خاک/آب آلوده بشود. آلاینده های آلی نظیر حلال های کلردار فرّار، بی فنیل های پلی کلردار (PCB) و محصولات نفتی مسئله تهاجمی دیگری به دلیل سمیت اینها ، تحرک و فراوانی گونه ها می باشد. این آلاینده های آلی به ندرت در خاک تجزیه می شوند و به سلامت انسان و محیط زیست از طریق سمیت برای گونه های گیاهی و حیوانی صدمه می زند. فعالیت های انسان نیز باعث الودگی خاک بوسیله مواد هسته ای رادیواکتیو نظیر بارش رادیواکتیو حاصل از آزمایش اتمسفری سلاح های هسته ای، نشت ضایعات رادیواکتیوی، و رویدادهای رادیواکتیو نظیر حوادث چرنوویل و فوکوشیما می شود. خاکهای آلوده با میزان اندکی از مواد هسته ای رادیواکتیو می تواند مخاطرات تشعشعاتی درازمدتی را برای سلامت انسان از طریق زنجیره های غذایی و سایر مسیرها دربر داشته باشد.
به دلیل ریسک بالا برای سلامت انسان و امنیت اکولوژیکی، خاکهای الوده نیاز به احیا برای بازیابی شان دارند. بسیاری تلاشهای احیا از جمله تکنولوژی های پیشرفته برای دستیابی به احیای برجسته و مقرون به صرفه محیط زیستی زمین های الوده صورت گرفته است.در میان این تکنولوژی ها، شستشوی خاک/آب شویی یک روش با کارایی زمانی و چندکاره می باشد، و توجه روزافزونی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. شستشوی خاک یک فرایند مکانیکی است که از مایعات، و معمولا محلولهای آبی برای خارج سازی آلاینده های شیمیایی از خاک استفاده می کند. در احیای عملی، به دلیل اینکه الاینده ها به سطوح ذرات خاک می چسبند و معمولا قابلیت حل پایینی در آب دارند، افزودنی هایی مانند اسیدها، سورفکتانت ها و مواد شلاته سازی اغلب به حامل های مولکولی اضافه شده تا الاینده ها را از خاک با حل شدگی جدا سازند. سورفکتانت ها یک گروه از مواد شیمیایی آمفی فیلیک هستند که همزمان در ساختار مولکولی دارای هم بخشهای هیدروفیلیک و هم هیدروفوبیک می باشند. ساختار مولکولی منحصر به فرد سورفکتانت به تقویت قابلیت حل شدگی آلاینده های خاک در آب بویژه برای ترکیبات آلی هیدروفوبیک کمک می کند. انواع سورفکتانتها مانند سورفکتانت های انیونی، کاتیونی، زویترونی و غیریونی تست شده و یا برای احیای خاک بکار رفته اند. برای یک شستشوی خاک خارج از محل با استفاده از محلول آبی سورفکتانت، روش کلی کار به طور شماتیک در شکل Fig. 1a آمده است. خاک آلوده حفاری شده با پیش عملی آوری شده و با آب حاوی سورفکتانت ها ترکیب می شود و هم زده می شود. بعد از شستشو، ذرات رس اجازه ته نشست داشته و حاملین مولکولی (یعنی محلولهای شستشو) را می توان جداسازی نمود و برای استفاده مجدد بعدی مجددا آماده سازی کرد. شستشوی خاک خارج از محل می تواند یک دامنه وسیعی از غلظتهای آلاینده درون ریز را تصفیه کند و امکان بازگشت فراکسیون های زبر و تمیز خاک را به محل با هزینه نسبتا کمی فراهم آورد. آب شویی خاک در محل با حاملین سورفکتانت راهکار دیگری برای کاربرد عملی می باشد (شکل Fig. 1b). محلولهای آب شویی نظیر مایعاتی که دارای سورفکتانت می باشد، به حیطه آلودگی از طریق چاههای تزریق، تزریق می شود. آلاینده های خاک با محلول سازی (برای مثال تشکیل میسل ها به کمک محلولهای آب شویی) یا تعاملات شیمیایی متحرک می شوند. بعد از عبور از منطقه آلودگی، مایع حامل آلاینده جمع آوری شده و به سطح برای دورریزی، گردش مجدد یا تصفیه در محل و تزریق مجدد آورده می شود. تا کنون، آب شویی خاک یکی از مسیرهای تصفیه معدودی است که می تواند کاملا فلزات سنگین، مواد آلی و مواد هسته ای رادیواکتیو را از خاکهای آلوده جداسازی نماید. سورفکتانت یک ماده افزودنی است که برای شستشوی خاک یا سایر تکنولوژی های احیا استفاده می شود نظیر احیای زیستی تقویت شده با سورفکتانت، احیای فیتو تقویت شده با سورفکتانت، و احیای الکتروکینتیکی تقویت شده با سورفکتانت.
در این مقاله مروری، ملاحظاتی برای شستشوی خاک تقویت شده با سورفکتانت و مکانیسم خارج سازی انواع مختلف آلاینده ها از خاک ها خلاصه و بحث می شود و هدف آن ارائه یک مرور کلی درباره تاثیر خصوصیات سورفکتانت روی فرایند احیا و تعاملات میان آلاینده های خاک و حاملین حاوی سورفکتانت می باشد. پیشرفتهایی در 15 سال گذشته روی کاربرد سورفکتانت ها برای احیای خاکها و محلهای آلوده مورد بررسی مروری و بحث قرار گرفته است از جمله سورفکتانت های یونی، سورفکتانتهای غیریونی، سورفکتانت های دوبخشی، سورفکتانت های زیستی و سورفکتانتهای مخلوط. دامنه مطالب این مقاله شامل نه تنها شستشوی خاک تقویت شده با سورفکتانت می باشد بلکه دربردارنده احیای زیستی تقویت شده با سورفکتانتها و احیای فیتوی سورفکتانتها می باشد. توجهات خاصی به پیشرفتهای اخیر برای حذف مواد هسته ای رادیواکتیو با استفاده از سورفکتانتها، به سورفکتانتهای دوبخشی، سورفکتانت زیستی و به استفاده مرکب از سورفکتانتها برای احیای خاک مبذول داشته شده است. برای ارجاع خوانندگان، اطلاعات پایه درباره سورفکتانتهای ذکر شده در این مقاله در جدول 1 آمده است.

Abstract

Due to the great harm caused by soil contamination, there is an increasing interest to apply surfactants to the remediation of a variety of contaminated soils worldwide. This review article summarizes the findings of recent literatures regarding remediation of contaminated soils/sites using surfactants as an enhancing agent. For the surfactant-based remedial technologies, the adsorption behaviors of surfactants onto soil, the solubilizing capability of surfactants, and the toxicity and biocompatibility of surfactants are important considerations. Surfactants can enhance desorption of pollutants from soil, and promote bioremediation of organics by increasing bioavailability of pollutants. The removal of heavy metals and radionuclides from soils involves themechanisms of dissolution, surfactant-associated complexation, and ionic exchange. In addition to the conventional ionic and nonionic surfactants, gemini surfactants and biosurfactants are also applied to soil remediation due to their benign features like lower critical micelle concentration (CMC) values and better biocompatibility. Mixed surfactant systems and combined use of surfactants with other additives are often adopted to improve the overall performance of soil washing solution for decontamination. Worldwide the field studies and full-scale remediation using surfactantbased technologies are yet limited, however, the already known cases reveal the good prospect of applying surfactant-based technologies to soil remediation.

1 Introduction

Soil contamination is a global concern and can be considered a major barrier to sustainable development. It ruins the balance of the ecosystem, and causes increasing economic loss and human health damage. Soil contamination is mainly caused by inadequate or irresponsible disposalmeasures, such as improper industrial discharge, mining tailings, waste disposal, and stockpiles. The prevailing soil contaminants include heavy metals, toxic organics, and radionuclides [1]. Increased heavy metal levels in soil have been reported in many industrialized countries and areas. The metals and their metalloids, such as chromium, cadmium, mercury, and lead, can threaten the ecosystem and human health through food chains or direct exposure to the contaminated soil/water [2]. Organic pollutants, e.g., volatile chlorinated solvents, polychlorinated biphenyls (PCBs), and petroleum products are another pervasive concern due to their toxicity, mobility, and abundance of species. These organic pollutants hardly degrade in soil, being damaging to human being and the environment through toxicity to animal and plant species [3]. Human activities also make radionuclides to contaminate the soil [4], such as the fallout from atmospheric testing of nuclear weapons, the leakage of radioactive waste, and radiological events like the Chernobyl and Fukushima accident. Soils contaminated with low levels of radionuclides can pose a long-term radiation hazard to human health via food chains and other pathways [5].

Due to the high risk on human health and ecological security, contaminated soils need to be remediated for their reclamation. Many remedial attempts, including some cutting-edge technologies, have been made to achieve an environmentally sound and cost-effective remediation of contaminated lands. Among these technologies, soil washing/flushing is a time-efficient and versatile method, and attracts increasing attentions in recent years. Soil washing is a mechanical process that uses liquids, usually aqueous solutions, to remove chemical pollutants from soils. In practical remediation, because contaminants adhere to the surfaces of soil particles and usually have low water solubility, additives like acids, surfactants, and chelating agents are often added into eluents to solubilize contaminants from the soil. Surfactants are a group of amphiphilic chemicals which contain both hydrophilic and hydrophobic parts in the molecular structure simultaneously. The unique molecular structure of surfactant allows to enhance the water solubility of soil contaminants, especially for the hydrophobic organic compounds. Variety of surfactants, e.g., anionic, cationic, zwitterionic, and nonionic surfactants, have been tested and/or applied for soil remediation [6]. For an ex-situ soil washing using surfactant aqueous solution, the general procedure is schematically illustrated in Fig. 1a. The excavated contaminated soil is pretreated and mixed with the water containing surfactants, and agitated. After washing, the clay particles are allowed to settle out, and the eluents (i.e., the washing solutions) can be separated and regenerated for next round use [7]. The exsitu soil washing can treat a broad range of influent contaminant concentrations, and allow for the return of clean coarse fractions of soils to the site at a relative low cost [8]. In-situ soil flushing with surfactant eluents is another strategy for practical application [9], as shown in Fig. 1b. Flushing solutions, e.g., liquids containing surfactants, are injected into the area of contamination via injection wells. The soil contaminants are mobilized by solubilization (e.g., formation of micelles with the assistance of flushing solutions) or chemical interactions. After passing through the contamination zone, the contaminant-bearing fluid is collected and brought to the surface for disposal, recirculation, or on-site treatment and reinjection [10]. So far, the soil washing is one of the few treatment routes which can thoroughly separate heavy metals, organics, and radionuclides from contaminated soils. Surfactant is a frequently used additive for soil washing or other remedial technologies, such as surfactant-enhanced bioremediation [11], surfactant-enhanced phytoremediation [12], and surfactant-enhanced electrokinetic remediation [13].

In this review, the considerations for a surfactant-enhanced soil washing, and the mechanism for the removal of different types of contaminants from soils are summarized and discussed, with purposes of providing an overview of the influence of surfactants’ properties on the remediation process and the interactions between soil contaminants and surfactant-containing eluents. The progresses in the past 15 years on the application of surfactants for the remediation of contaminated soils/sites are accordingly reviewed and discussed, including ionic surfactants, nonionic surfactants, gemini surfactants, biosurfactants, and mixed surfactants. The scope of the article includes not only surfactant-enhanced soil washing, but also surfactant-enhanced bioremediation and phytoremediation. Particular attentions are given to the recent advances on the removal of radionuclides using surfactants, to gemini surfactants, biosurfactant, and to themixed use of surfactants for soil remediation. For the readers’ reference, the basic information of the surfactants mentioned in this article, is shown in Table 1.

استفاده از سورفکتانت ها برای احیای خاک های آلوده: یک مقاله مروری

Use of surfactants for the remediation of contaminated soils: A review