بررسی عملکرد پلیمرهای زیستی در کنترل گرد و غبار جاده‌های جنگلی با استفاده از شبیه‌سازی تونل باد

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه جنگلداری، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان ، گرگان، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد عمران و بهره برداری جنگل، دانشکده علوم جنگل، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 کارشناس بخش تحقیقات جنگل، موسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: جاده‌های جنگلی که اغلب آسفالت نشده‌اند، هنگام تردد وسایل نقلیه در معرض تولید گرد و غبار قرار دارند.این گرد و غبار می‌تواند مشکلات مختلفی مانند خطرات سلامتی برای کارگران، آسیب به تجهیزات و نگرانی‌های زیست‌محیطی ایجاد کند.فناوری‌های کنترل گرد و غبار در کاهش این مشکلات در عملیات جنگلداری بسیار مهم هستند. کنترل گرد و غبار جاده‌ای شامل روش‌های مختلف برای به کمینه­رساندن مقدار گرد و غبار تولید شده و معلق در هوا، به­ویژه جاده‌های غیر آسفالته است. این روش‌ها را می‌توان به­طورکلی به کاهش تولید گرد و غبار، جلوگیری از معلق شدن آن در هوا یا جذب و حذف گرد و غبار طبقه‌بندی کرد. هدف از این پژوهش، بررسی تاثیر پلیمرهای زیستی بر کنترل گرد و غبار جاده­های جنگلی عرب­داغ استان گلستان است.
مواد و روش‌ها: بدین­منظور از یک دستگاه تونل باد با سطح تماس به ابعاد 60 × 38 سانتی­متر استفاده شد. بر روی نمونه­های دست­نخورده رویه جاده­های جنگلی منطقه که به­صورت تصادفی انتخاب شدند، پلیمرهای زیستی زانتان، گوار و بتاگلوکان با درصدهای وزنی صفر، 5/0، یک، دو، سه یا پنج درصد به­طور جداگانه به اندازه سطح تماس تونل باد پاشیده شد. در مرحله بعد با استقرار و راه­اندازی دستگاه تونل باد روی نمونه، سطح جاده در معرض بادهایی با سرعت هشت و 10 متر در ثانیه قرار گرفت. مدت زمان تأثیر باد روی کلیه قطعات یکسان و معادل دو دقیقه درنظر گرفته شد. سپس رسوبات بادی جمع­شده در داخل سیلیکون­های پلاستیکی جمع­آوری و با دقت 1/0 میلی‌متر وزن شد. آزمایشات به­صورت فاکتوریل در قالب بلوک­های کامل تصادفی انجام شد. تیمار اصلی شامل نوع پلیمر زیستی در سه سطح و مقدار پلیمرها در چهار سطح و سرعت باد به­عنوان بلوک در دو سطح بود. برای هر سرعت سه تکرار درنظر گرفته شد (در کل 24 تیمار و 72 نمونه رسوب بادی). تجزیه و تحلیل­های آماری در نرم­افزار SPSS، نرمال­بودن داده­ها به­کمک آزمون کولموگروف اسمیرنوف، مقایسه میانگین­ها به کمک آزمون LSD و آنالیز همبستگی به کمک آزمون پیرسون انجام شد.
یافته‌ها: نتایج آزمون مقایسه میانگین­ها نشان داد که هر سه تیمار پلیمر زیستی توانستند به­طور معنی­داری مقدار گرد و غبار حاصل از پلات­های مستقر در تونل باد را در مقایسه با تیمار شاهد کاهش دهند. به­طوری­که مقدار تولید گرد و غبار در پلات تیمار شده با بتاگلوکان، گوار و زانتان به­ترتیب 27/8، 23/7 و 78/7 گرم در مترمربع و در تیمار شاهد 58/11 گرم در مترمربع بود. همچنین با افزایش غلظت پلیمرهای زیستی مقدار گرد و غبار به­طور معنی­داری کاهش یافت و شیب این کاهش در تیمار با غلظت پنج درصد بیشتر از تیمارهای دیگر بود. با افزایش سرعت باد از هشت متر بر ثانیه به 10 متر بر ثانیه، مقدار گرد و غبار حاصل از پلات­های مستقر در تونل باد به­طور معنی­داری از 85/7 گرم در متر مربع به نه گرم در مترمربع افزایش یافت. بررسی­ها نشان داد که بیشترین مقدار کاهش گرد و غبار در تیمار گوار با غلظت پنج درصد حاصل شد. در این تیمار در سرعت­های باد هشت و 10 متر در ثانیه به­ترتیب 5/76 و 3/66 درصد کاهش در مقدار گرد و غبار حاصل از پلات­های مستقر در تونل باد گزارش شد. در تمام تیمارهای پلیمر زیستی بیشترین مقدار گرد و غبار حاصل از پلات­های مستقر در تونل باد در غلظت 5/0 درصد ثبت شد.
نتیجه‌گیری: بر اساس یافته­های این بررسی، استفاده از غلظت­های بالای بیوپلیمر به­صورت اسپری با یک سمپاش مزرعه‌ای سوار بر تراکتور، امکان استفاده مؤثر از مواد ضد گرد و غبار را در مقیاس وسیع فراهم می‌کند. نتایج آزمایش‌ها شواهدی را ارائه می‌دهد که کاربرد اسپری بیوپلیمرها می‌تواند به­طور مؤثر انتشار گرد و غبار را در جاده­های جنگلی و حتی معادن در کوتاه مدت کاهش دهد. بنابراین، بیوپلیمرهای آزمایش­شده، یک جایگزین امیدوارکننده زیستی و سازگار با محیط زیست برای کنترل گرد و غبار هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the performance of biopolymers in dust control on forest roads using wind tunnel simulation

نویسندگان [English]

  • Aidin Parsakhoo 1
  • Mohammad Javan Mahjoub Doost 2
  • Aiub Rezaei Motlagh 3
1 Associate Professor, Department of Forestry, Faculty of Natural Resources, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
2 MSc. Student of Forestry, Faculty of Natural Resources, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I. R. Iran
3 Research Expert (Ph.D. of forest management), Forest Research Division, Research Institute of Forests and Rangelands, AREEO, Tehran, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Forest roads, which are predominantly unpaved, are highly susceptible to dust emission during vehicle traffic. This dust can lead to various complications, including health hazards for workers, mechanical damage to equipment, and environmental concerns. Dust control technologies are therefore crucial for mitigating these issues in forestry operations. Road dust suppression encompasses various methods aimed at minimizing the generation and suspension of airborne particles, particularly on unpaved roads. These methods can be broadly classified into reducing dust production, preventing its suspension, or capturing and removing it. This study aims to investigate the efficacy of biopolymers in controlling dust on the Arab-Dagh forest roads in Golestan Province.
Material and Methods: For this purpose, a wind tunnel with a contact surface area of 38 × 60 cm was utilized. Undisturbed surface samples from the region's forest roads were randomly selected. Three biopolymers—xanthan, guar, and beta-glucan—were applied separately at weight percentages of 0%, 0.5%, 1%, 2%, 3%, or 5% over the contact area of the wind tunnel. Subsequently, the treated road surfaces were exposed to wind speeds of 8 and 10 m/s using the wind tunnel apparatus. The duration of wind exposure was kept constant at two minutes for all samples. The accumulated wind-blown sediments were then collected in plastic cyclones and weighed with a precision of 0.1 mg. The experiments were conducted using a factorial design within a randomized complete block (RCB) framework. The primary treatments included the type of biopolymer (three levels), the application rate (four levels), and wind speed as the blocking factor (two levels). Three replicates were considered for each speed, resulting in a total of 24 treatments and 72 sediment samples. Statistical analyses were performed using SPSS software; data normality was verified via the Kolmogorov-Smirnov test, mean comparisons were conducted using the LSD test, and correlation analysis was carried out using the Pearson test.
Results: The results of the mean comparison tests indicated that all three biopolymer treatments significantly reduced dust emissions from the wind tunnel plots compared to the control group. Specifically, dust production for plots treated with beta-glucan, guar, and xanthan was 8.27, 7.23, and 7.78 g/m², respectively, whereas the control group yielded 11.58 g/m². Furthermore, increasing the biopolymer concentration led to a significant decrease in dust levels, with the most pronounced reduction observed at the 5% concentration. As wind speed increased from 8 m/s to 10 m/s, dust production significantly rose from 7.85 g/m² to 9 g/m². The analysis further revealed that the greatest dust reduction occurred with the 5% guar treatment, which achieved a decrease of 76.5% and 66.3% at wind speeds of 8 m/s and 10 m/s, respectively. Across all biopolymer treatments, the highest dust emissions were recorded at the lowest concentration (0.5%).
Conclusion: Based on the findings of this study, applying high concentrations of biopolymers via tractor-mounted field sprayers enables the effective large-scale use of dust suppressants. The experimental results provide evidence that biopolymer spray applications can effectively mitigate dust emissions on forest roads and even in mining operations in the short term. Consequently, the tested biopolymers represent a promising, bio-based, and environmentally friendly alternative for dust control.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Anti-dust treatments
  • Arab Dagh
  • Forest roads surface
  • Golestan province
  • Guar
  • Wind speed

A Almajed, A.; Lemboye, K.; Arab, M.G.; Alnuaim, A., Mitigating wind erosion of sand using biopolymer-assisted EICP technique. Journal of Soils and Foundations 2020, 60(2), 356-371.

nandha, K.S.; Ramani, S.E., Performance evaluation of β-glucan treated lean clay and efficacy of its choice as a sustainable alternative for ground improvement. Journal of Geomechanics and Engineering 2020, 21(5), 413-422.

Bacic, A.; Fincher, G.B.; Stone, B.A., Chemistry, Biochemistry, and Biology of 1-3 Beta Glucansand Related Polysaccharides. Academic Press 2009, 1(3), 10-23.

Cabalar, A.F.; Wiszniewski, M.; Skutnik, Z., Effects of Xanthan Gum Biopolymer on thePermeability, Odometer, Unconfined Compressive and Triaxial Shear Behavior of a Sand. Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering 2017, 54(6), 356–361.

Chen, R.; Ding, X.; Lai, H.; Zhangl. J. Improving dust resistance of mine tailings using green biopolymer. Journal of Environmental Geotechnics 2021, 8(6), 382-391.
Chen, R.; Lee, I.; Zhang, L., Biopolymer Stabilization of Mine Tailings for Dust Control.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 2014, 141(2), 110-117.

Chiou, S.F.; Tsai, C.J., Measurement of emission factor of road dust in a wind tunnel. Journal of Powder Technology 2001, 118(2), 10-15.

Choi, S.J.; Bae, S.H.; Lee, J.; Bang, E.; Choi, H.Y.; Ko, H.M., Effect of Bio-Inspired Polymer Types on Engineering Characteristics of Cement Composites. Journal of Polymersn 2022, 14(9),180-188.

Fatehi, H.; Ong, D.E.L.; Yu, J.; Chang, I., Biopolymers as Green Binders for Soil Improvement in Geotechnical Applications: A Review. Journal of Geosciences 202111(7), 291p.
Jaddi Hosseini, S.A.R.; Parsakhoo, A.; Ezzati, S.; Rezaei Motlagh, A., The effect of using agricultural waste ash on improving the mechanical properties of forest roadbed soil. Journal of Forest Research and Development 2025, 11(2), 249-265. (In Persian).
Jang, J. 2020. A Review of the Application of Biopolymers on Geotechnical Engineering and the Strengthening Mechanisms between Typical Biopolymers and Soils. Hindawi, Advances in Materials Science and Engineering 2020, 1(5), 1-16.
Judge, P.K.; Sundberg, E.; DeGroot, D.J.; Zhang, G., Effects of biopolymers on the liquid limit and undrained shear strength of soft clays. Journal of Bulletin of Engineering Geology and the Environment 2022, 81(1), 342-349. 
Malekahmadi, K.; Hashemi, M.; Dehnavi, A.; Heidari, F. A., Study on Effect of Guar Biodegradable Biopolymer on Soil Wind Erosion.Iranian Journal of Watershed Management Science and Engineering 2021, 15(53), 46-57. (In Persian).
NamdarKhojaste, D.; Bahrami, H.A.; Keyanirad, M., Comparison of different polymer formulations on dust stabilization and aggregate stability. Journal of Watershed Management Research 2016, 29(1), 51-62. (In Persian).
Parsakhoo, A.; Hosseini, SA; Lotfalian, M; Mohammadi, J; Salarijazi, M., Efficiency of different anti-dust agents in reducing the dust emission from forest road and deposition on leaf surface. Croatian Journal of Forest Engineering 2021a, 42(2), 269-282.
Parsakhoo, A.; Rezaee Motlagh, A.; Matinnia, B., Effect of hydro-mulches on runoff and soil loss rate from steep slopes. Journal of Forest Research and Development 2021b, 7(1), 15-26. (In Persian).
Rezaeimotlagh, A.; Parsakhoo, P.; Najafi, A.; Mohammadi, J., Development of a Sustainable Maintenance Strategy for Forest Road Wearing Courses in Different Climate Zones, Croatian Journal of Forest Engineering 2023, 45(1), 1-18.
 Shahmoradi, G.; Parsakhoo, A.; Lotfalian, M., Investigating the efficiency of DS-300 and CaCl2 in dust mitigation from gravel forest roads. Journal of Forest Research and Development 2020, 6(4), 559-571. (In Persian).
Sieger, J.L.; Lottermoser, B.G.; Freer, J., Effectiveness of protein and polysaccharide biopolymers as dust suppressants on mine soils: Results from wind tunnel and penetrometer testing. Journal of Applied Sciences. 2023, 13(7), 3-27.
Singh, R.; Ram, K., Meta-analysis of polyaromatic hydrocarbons in road dust: An emerging threat in urban environment. Journal of Urban Climate 2024, 58(1), 102-107.
Wang, J.; Du, C.; Luo, Z.; Ding, X., Study on starting mechanism and chemical control of road dust under disturbance of automobile tire in open-pit mine. Journal of Environmental Chemical Engineering 2025, 13(3), 116-121.
Xia, S.; Song, Z.; Zhao, X.; Gao, Z.; Wen, Y.; Li, Y., Preparation of a vegetable-oil film-type emulsion dust suppressant and adsorption performance study on road dust surface in open-pit coal mines. Journal of Environmental Research 2025, 278(1), 121-127.
Yan, J.; Yang, F.; Zhang, W.; Li, P.; Zhou, W.; Lu, X.; Li, K., Characterization of road dust and formulation of a molasses-based dust suppressant for heavy-duty haul roads in open-pit coal mine.  Journal of Atmospheric Pollution Research 2025, 16(9), 102-109.
Yulevitch, G.; Danon, M.; Krasovitov, B.; Fominykh, A.; Swet, N.; Tsesarsky, M.; Katra, I., Evaluation of wind-induced dust-PM emission from unpaved roads varying in silt content by experimental results. Journal of Atmospheric Pollution Research 2020, 11(2), 261-268.