تأثیر کامپوزیت‌های دوگانه و سه‌گانه تهیه شده از زئولیت-کیتوزان-بیوچار بر برخی ویژگی‌های مکانیکی خاک

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

3 دانشیار، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 استادیار ، گروه علوم خاک، دانشگاه علوم کشاوزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

5 دانشیار، گروه مدیریت مناطق بیابانی، دانشگاه علوم کشاوزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: تا کنون روش‌های بسیاری جهت بهبود کیفیت خاک از لحاظ مکانیکی، بسته به هدف مورد نظر (چه برای کشت محصول و اصلاح خاک‌های زراعی و کشاورزی و چه از لحاظ ساخت و ساز و افزایش پایداری خاک) به‌کار گرفته شده است. یکی از روش‌های بهبود کیفیت خاک، کاربرد اصلاح کننده‌های زئولیت، کیتوزان و بیوچار به‌صورت جداگانه می‌باشد. بیوچار ماده‌ای غنی از کربن می‌باشد که می‌تواند اثر مطلوبی بر ویژگی‌های مکانیکی خاک داشته و باعث افزایش پایداری خاکدانه شود. زئولیت به‌عنوان اصلاح کننده فیزیکی خاک در افزایش پایداری خاکدانه، تهویه و بهبود ساختمان خاک‌های شنی و رسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و کیتوزان که فراوان‌ترین پلیمر زیستی می‌باشد، دارای پتانسیل افزایش انسجام بین ذرات خاک بوده و منجر به بهبود ویژگی‌ها مکانیکی خاک می‌شود. خاک‌هایی که از لحاظ ویژگی‌های مکانیکی مناسب نباشند، سرعت نفوذ آب، رطوبت قابل دسترس گیاه و پایداری ساختمان خاک پایینی دارند. تا کنون مطالعاتی بر روی اثر کامپوزیت‌های زئولیت، کیتوزان و بیوچار روی ویژگی‌های مکانیکی خاک صورت نگرفته است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی اثر کامپوزیت‌های دوگانه و سه‌گانه مذکور بر برخی ویژگی‌های مکانیکی خاک مانند ضریب انبساط و انقباض‌پذیری و حدود پایایی خاک شامل حد روانی، حد خمیری و شاخص خمیرایی می‌باشد.
مواد و روش‌ها: این پژوهش به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح پایه کاملا تصادفی، دو فاکتور نوع خاک و نوع کامپوزیت و در سه تکرار اجرا شد. در این پژوهش از زئولیت، کیتوزان و بیوچار شلتوک برنج کامپوزیت‌های دوگانه و سه‌گانه‌ تولید شد. کامپوزیت-های دوگانه شامل زئولیت-کیتوزان (ZC)، زئولیت-بیوچار(ZB)، کیتوزان-بیوچار(CB) و کامپوزیت سه‌گانه شامل زئولیت-کیتوزان-بیوچار(ZBC) بودند. کامپوزیت‌های دوگانه ZC، CB و کامپوزیت سه‌گانه ZBC با استفاده از همزن مغناطیسی، اسید استیک ( 5%) و سدیم هیدروکسید نیم مولار و کامپوزیت دوگانه ZB با اولتراسونیک سنتز و در مقیاس آزمایشگاهی تهیه شدند. مدت زمان اعمال تیمارها به مدت 3 ماه در رطوبت 65 درصد ظرفیت زراعی انکوباسیون شد. مقایسه میانگین تیمارها با آزمون حداقل اختلاف معنی‌دار (LSD) در سطح احتمال 5% صورت گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که نوع کامپوزیت‌ها اثر معنی‌داری بر حد روانی، ضریب انقباض و انبساط‌پذیری و شاخص خمیری خاک داشتند. بیشترین تأثیر مربوط به کامپوزیت سه‌گانه ZBC بود. این کامپوزیت حد روانی را 8/42 درصد نسبت به خاک شاهد افزایش داد و باعث کاهش 8/58 درصدی ضریب انقباض و انبساط‌پذیری نسبت به خاک شاهد شد. همچنین مشاهده شد که شاخص خمیری خاک با کاربرد کامپوزیت‌ها نسبت به خاک شاهد، کاهش یافت که اثر آن در تیمار کامپوزیت ZBC هر دو خاک مورد مطالعه (5/48-60 درصد) بیشتر از سایر کامپوزیت‌ها بود.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد کاربرد کامپوزیت‌های دوگانه و سه‌گانه به‌عنوان اصلاح کننده‌هایی مناسب برای ارتقاء کیفیت مکانیکی خاک قابل استفاده می‌باشد. زیرا با افزایش حد روانی، جذب رطوبت و نگهداری آب در خاک افزایش می‌یابد. همچنین افزایش ضریب انبساط و انقباض‌پذیری، مانع ترک خوردگی خاک می‌گردد. همینطور خاکی که شاخص خمیرایی کمتری داشته باشد هدر رفت خاک در آن کمتر اتفاق می‌فتد. بنابراین براساس یافته‌های این پژوهش، کامپوزیت سه‌گانه ZBC به‌دلیل افزایش حد روانی، کاهش ضریب انبساط و انقباظ‌پذیری خاک و همچنین تأثیر بر کاهش حد خمیری هر دوبافت خاک مورد مطالعه به عنوان مؤثرترین ترکیب برای اصلاح کیفیت فیزیکی و مکانیکی خاک توصیه می‌شود. همچنین پیشنهاد می-شود مطالعه‌های تکمیلی با کاربرد سطوح مختلف کامپوزیت و مقایسه تأثیر آن‌ها بر ویژگی‌های مکانیکی خاک انجام شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Effect of double and triple composites prepared by zeolite-chitosan-biochar on some soil mechanical properties

نویسندگان [English]

  • Maryam Salahedin 1
  • Farshad Kiani 2
  • Mojtaba Barani Motlagh 3
  • Elham Malekzadeh 4
  • HamidReza Asgari 5
1 Ph.D. Student, Dept. of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
2 Associate Prof., Dept. of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources,
3 Associate Prof., Dept. of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources,
4 Assistant Prof., Dept. of Soil Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
5 Associate Prof., Dept. of Desert Areas Management, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

Abstract
Background and Objectives: So far many methods have been used to improve the quality of the soil dynamic, depending on the desired goal, (whether it is for crop cultivation and amendment of arable and agricultural soils, or in terms of construction and increasing soil stability). One of the methods is use of zeolite, chitosan and biochar modifiers separately. Biochar is the carbon-rich that can have a favorable effect on the mechanical properties of the soil and increases soil stability. Zeolite is used as a physical soil modifier to increase Soil stability, ventilation and improve the structure of sandy and clay soils and Chitosan, which is the most abundant biological polymer, It has the potential to increase increase the interaction between soil particles and improves the soil mechanical properties. Soils that are not suitable in terms of mechanical properties have low water infiltration rate, plant accessible moisture and low soil structure stability. So far, there have been no studies on the effect of the zeolite, chitosan and biochar composites on the soil dynamic properties. The purpose of this research is to investigate the effect of double and triple composites on some soil dynamic properties such as coefficient of linear extensibility (COLE), liquid limit (LL), plastic limit (PL) moistures and plasticity index (PL).
Materials and Methods: This research was conducted with randomized completely design with two factors, soil type and composite type in three replicates. In this research double and triple composites were produced from zeolite, chitosan and rice husk biochar. Dual composites include zeolite-chitosan (ZC), zeolite-biochar (ZB), chitosan-biochar (CB) and triple composites include zeolite-chitosan-biochar (ZBC). Double composites ZC, CB and triple composite ZBC were synthesized using magnetic stirrer and acetic acid (5%), half molar sodium hydroxide and double composite ZB with ultrasonication and were prepared on a laboratory scale. The treatment period was incubated for 3 months with field capacity moisture content of 65%. The mean comparison of the treatments was done with the least significant difference (LSD) test at the 5% probability level.
Results: The results showed that the type of composites had a significant effect on the liquid limit, coefficient of linear extensibility, and plasticity index of the soil. The greatest effect was related to the ZBC triple composite. This composite increased the liquid limit by 42.8% compared to the control soil and caused a 58.8% decrease in the coefficient of linear extensibility compared to the control soil. It was also observed that the plasticity index of the soil decreased with the use of composites compared to the control soil, and its effect was greater in the ZBC composite both study soil (48.5-60%) than other composites.
Conclusion: This research showed that double and triple composites can be used as suitable modifiers to improved mechanical quality of the soil. Because with the increase of the liquid limit, moisture absorption and water retention in the soil increases. Also, increasing the coefficient of linear extensibility prevents the cracking of the soil. Also, the soil that has a lower plasticity index is less soil wasted. Therefore, Therefore, based on the Results of this research, ZBC triple composite is recommended as the most effective combination for improving the physical and mechanical quality due to the increase in the liquid limit, decrease in the coefficient of linear extensibility of the soil, as well as the effect on the reduction of the plastic limit of both soil texture.it is also suggested to carry out additional studies using different levels of composites and comparing their effects on the mechanical properties of the soil.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Consistency limit
  • Coefficient of linear extensibility
  • double composite
  • triple composite

مراجع

 1.Latifi, N., Eisazadeh, A., Marto, A., & Meehan, C. L. (2017). Tropical residual soil stabilization: A powder form material for increasing soil strength. Construction and Building Materials, 147, 827-836. doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.115.
2.Behnam, H., Farrokhian Firouzi, A., & Moezzi, A. (2016). Effect of sugarcane bagasse biochar and compost on some soil mechanical properties. Journal of Water and Soil Conservation, 4, 235-250. doi. 10.22069/jwfst.2016.9777.2407.
[In Persian]
3.Zare, S., Mohammadi, J., Mombeni, M., Shokouhi, R., & Qouhestani, Q. (2020). The effect of different soil coverings on some Physical and mechanical properties of eolian sediments. Destruction and restoration of natural lands, 1, 105-119. doi:20.1001.1.27174425.1399.1.1.11.0. [In Persian]
4.Rajabi, A. M., & Ardakani, S. B. (2019). Effects of Natural-Zeolite Additive on Mechanical and Physicochemical Properties of Clayey Soils. civil engineering, 2 )35(, 121-128. doi:10.52547/jeg.14.4.609. [In Persian]
5.Kumar, M. N. R. (2000). A review of chitin and chitosan applications. Reactive and functional polymers, 46 (1), 1-27. doi.org/10.1016/S1381-5148(00)00038-9.
6.Orts, W. J., Sojka, R. E., & Glenn, G. M. (2000). Biopolymer additives to reduce erosion-induced soil losses during irrigation. Industrial Crops and Products, 11 (1), 19-29. doi.org/10.1016/S0926-6690(99)00030-8.
7.Hataf, N., Ghadir, P., & Ranjbar, N. (2018). Investigation of soil stabilization using chitosan biopolymer. Journal of cleaner production, 170, 1493-1500. doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.09.256.
8.Shariatmadari, N., Reza, M., Tasuji, A., Ghadir, P., & Javadi, A. A. (2020). Experimental study on the effect of chitosan biopolymer on sandy soil stabilization. In E3S Web of Conferences Édition Diffusion Presse Sciences,195, 1-5. doi.org/10.1051/e3sconf/2020 19506007.
9.Mesa, A. C., & Spokas, K. A. (2011). Impacts of biochar (black carbon) additions on the sorption and efficacy of herbicides. Herbicides and environment, 13, 315-340. doi:10.5772/13620.
10.Pranagal, J., Oleszczuk, P., Tomaszewska-Krojańska, D., Kraska, P., & Różyło, K. (2017). Effect of biochar application on the physical properties of Haplic Podzol. Soil and Tillage Research, 174, 92-103. doi.org/10.1016/j.still.2017.06.007.
11.Wang, H., She, D., Fei, Y., & Tang, S. (2019). Synergic effects of biochar and polyacrylamide amendments on the mechanical properties of silt loam soil under coastal reclamation in China. Catena, 182, 104-152. doi.org/10.1016/ j.catena.2019.104152.
12.Razzaghi, F., Obour, P. B., & Arthur, E. (2020). Does biochar improve soil water retention? A systematic review and meta-analysis. Geoderma, 361, 1-10. doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114055.
13.Jien, S. H. (2019). Physical characteristics of biochars and their effects on soil physical properties. In Biochar from biomass and waste, 84, 21-35. doi.org/10.1016/B978-0-12-811729-3.00002-9.
14.Smith, C. W., Hadas, A., Dan, J., & Koyumdjisky, H. (1985). Shrinkage and Atterberg limits in relation to other properties of principal soil types in Israel. Geoderma, 35 (1), 47-65. doi.org/10.1016/0016-7061(85)90055-2.
15.Walkly, A., & Black, I. A. (1934). An examination of digestion methods for determining soil organic matter and a proposed modification of the chromic and titration. Soil Science Society of America Journal, 37, 29-38. doi.org/ 10.1097/00010694-193401000-00003.
16.Wallinga, I., Van Vark, W., Houba, V. J. G., & Van der Lee, J. J. (1989). Soil and plant analysis, series of syllabi part 7, plant analysis procedure. Wageningen Agriculture University, Wageningen, 7, 197-200. doi: 10.4236/opj.2019.911016.
17.Gee, G. W., & Bauder, J. W. (1986). Particle‐size analysis. Methods of soil analysis: Part 1 Physical and mineralogical methods, 5, 383-411. doi. org/10.2136/sssabookser5.1.2ed.c15.
18.Sparrevik, M., Adam, C., Martinsen, V., & Cornelissen, G. (2015). Emissions of gases and particles from charcoal/ biochar production in rural areas using medium-sized traditional and improved “retort” kilns. Biomass and Bioenergy, 72, 65-73. doi.org/10.1016/j.biombioe. 2014.11.016.
19.Zhou, Y., Gao, B., Zimmerman, A.R., Fang, J., Sun, Y., & Cao, X. (2013). Sorption of heavy metals on chitosan-modified biochars and its biological effects. Chemical engineering journal, 231, 512-518. doi.org/10.1016/j.cej. 2013.07.036.
20.Wan Ngah, W. S., Teong, L. C., Wong, C. S., & Hanafiah, M. A. K. M. (2012). Preparation and characterization of chitosan–zeolite composites. Journal of applied polymer science,125 (3), 2417-2425. doi.org/10.1002/ app.36503.
21.Stabnikov, V., Chu, J., Myo, A. N., & Ivanov, V. (2013). Immobilization of sand dust and associated pollutants using bioaggregation. Water, Air, & Soil Pollution, 224, 1-9. doi:10.1007/ s11270-013-1631-0.
22.Mirkhani, R., Saadat, S., Shabanpour, S. M., Aria, P. V., & Yegane, M. (2007). Estination of soil consistency limits by using readily available characteristics. Journal of soil Science, 21, 205-207. doi:10.22092/ijsr.2018.127087. [In Persian]
23.Schafer, W. M., & Singer, M. J. (1976). A new method of measuring shrink‐swell potential using soil pastes. Soil Science Society of America Journal, 40 (5), 805-806. doi.org/10.2136/ sssaj 1976.03615995004000050050x.
24.Usman, A. R., Abduljabbar, A., Vithanage, M., Ok, Y. S., Ahmad, M., Ahmad, M., Elfaki, J., Abdulazeem,
S. S., & Al-Wabel, M. I. (2015). Biochar production from date palm waste: Charring temperature induced changes in composition and surface chemistry. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 115, 392-400. doi.org/ 10. 1016/j.jaap.2015.08.016.
25.Garivani, H., Naderi Bani, A. M., Pour Kerman, M., & Amjadi, S. (2017). Investigating the effect of the amount of carbonates and organic matter on the liquid limit and plastic limit in seabed soils in the northern half of the Persian Gulf. Oceanograph, 298, 9-15. doi. 10. 18869/acadpub.joc.8.29.9. [In Persian]
26.Keller, T., & Dexter, A. R. (2012). Plastic limits of agricultural soils as functions of soil texture and organic matter content. Soil Research, 50 (1), 7-17. doi:10.1071/SR11174.
27.Aftabi, S., Fathi, S., & Aminfar, M. H. (2020). The Effect of Zeolite on Sandy-Silt Soil Mechanical Properties. International Journal of Geotechnical and Geological Engineering, 14(10), 269-278. doi.org/ Publication/ 10011518.
28.Zong, Y., Chen, D., & Lu, S. (2014). Impact of biochars on swell–shrinkage behavior, mechanical strength, and surface cracking of clayey soil. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 177 (6), 920-926. doi.org/10.1002/jpln. 201300596.
29.Herath, H. M. S. K., Camps-Arbestain, M., & Hedley, M. (2013). Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils: an Alfisol and an Andisol. Geoderma, 209, 188-197. doi. org/10.1016/j.geoderma.2013.06.016.
30.Qu, J., Li, B., Wei, T., Li, C., & Liu, B. (2014). Effects of rice-husk ash on soil consistency and compactibility. Catena, 122, 54-60. doi.org/10.1016/j.catena. 2014.05.016.
31.Asghari, Sh. (2011). Effects of Tabriz petrochemical sewage sludge on organic carbon, aggregate stability indices and consistency limits of a semiarid soil. Journal of Water Soi. 25, 530-539. doi: 10.22067/jsw.v0i0.9640. [In Persian]
32.Arthur, E., Oppong Danso, E., Beiranvand, M., Pouladi, N., Yakubu, A., Abenney-Mickson, S., & Sabi, E. B. (2020). Rice straw biochar effects on Atterberg limits and aggregate characteristics of an Acrisol in Ghana. Archives of Agronomy and Soil Science, 66 (13), 1861-1872. doi.org/10.1080/ 03650340.2019.1699240.
33.Rajabi, A. M., & Ardakani, S. B. (2020). Effects of natural-zeolite additive on mechanical and physicochemical properties of clayey soils. Journal of Materials in Civil Engineering, 32 (10), 04020306. doi.org/10.1061/ (ASCE)MT.1943-5533.0003336.
34.Zong, Y., Wang, Y., Sheng, Y., Wu, C., & Lu, S. (2018). Ameliorating soil acidity and physical properties of two contrasting texture Ultisols with wastewater sludge biochar. Environmental Science and Pollution Research, 25, 25726-25733. doi:10.1007/s11356-017-9509-0.
مجله مدیریت خاک و تولید پایدار
دوره 14، شماره 2
تیر 1403
صفحه 103-117

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار