résumé
l’étude décrit l’élimination du fluorure de l’eau potable à l’aide d’alumine activée immobilisée modifiée (MIAA) préparée par la méthode sol-gel. La modification a été effectuée en ajoutant une quantité spécifique d’alun pendant l’étape de formation du sol. L’efficacité d’élimination du fluorure du MIAA était 1,35 fois supérieure à celle de l’alumine activée immobilisée normale., Une étude d’adsorption par lots a été réalisée en fonction de la dose d’adsorbant, du temps de contact, du taux d’agitation et de la concentration initiale de fluorure. L’élimination de plus de 90% du fluorure a été réalisée dans les 60 minutes suivant le temps de contact. Le potentiel d’adsorption du MIAA a été comparé au charbon actif, ce qui a montré que l’efficacité d’élimination était d’environ 10% supérieure à celle du charbon actif. Les isothermes D’adsorption de Langmuir et de Freundlich conviennent bien à L’adsorption du fluorure sur MIAA avec des coefficients de régression R2 de 0,99 et 0,98, respectivement., MIAA peut être régénéré thermiquement et chimiquement. Des expériences d’Adsorption utilisant la MIAA ont été utilisées sur de vrais échantillons d’eau potable provenant d’une zone affectée par le fluorure. L’étude a montré que l’alumine activée immobilisée modifiée est un adsorbant efficace pour l’élimination du fluorure.
1. Introduction
Le fluorure est présent dans les eaux souterraines provenant soit de sources naturelles telles que les intempéries et les processus volcaniques, soit des eaux usées d’industries telles que les engrais, le verre, la céramique, la brique, les usines de fer et la galvanoplastie ., Le fluorure a des effets bénéfiques et nocifs sur la santé humaine en fonction de son niveau. Parmi les effets bénéfiques du fluorure dans le corps humain, le renforcement des os et la prévention de la carie dentaire sont importants. La limite admissible de fluorure dans l’eau potable est de 1,5 mg/L selon les normes nationales pour la qualité de l’eau potable du Pakistan et de l’Organisation Mondiale de la santé . Au-delà de cette limite, le fluorure peut entraîner diverses maladies telles que la fluorose squelettique et dentaire, la fragilité des os, le cancer, l’infertilité, les lésions cérébrales, le syndrome d’Alzheimer et les troubles thyroïdiens .,
le programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE) estime que le nombre de personnes touchées par la fluorose se chiffre en dizaines de millions dans 25 pays, tant dans les pays développés que dans les pays en développement . Un certain nombre de ces cas ont été identifiés au Pakistan où des personnes souffraient de maladies nocives dues aux rejets industriels de fluorures. En juillet 2000, une situation tragique a été signalée dans la région de Manga Mandi (près de Lahore, Pendjab) où le taux de fluorure a atteint jusqu’à 20 mg/L dans l’eau potable, ce qui a entraîné des déformations osseuses et dentaires chez la population locale .,
Les techniques disponibles pour la défluoration comprennent la coagulation-Précipitation, le processus membranaire, l’échange d’ions et les processus d’adsorption. Bien que la coagulation-précipitation (également connue sous le nom de technique Nalgonda) soit une méthode efficace et bon marché, son principal inconvénient est la génération de déchets nocifs. Le processus membranaire est principalement la technique d’osmose inverse, mais il nécessite un coût de maintenance élevé en raison de l’encrassement, de l’entartrage et de la dégradation de la membrane. De même, le processus d’échange d’ions est très coûteux ., La méthode d’adsorption est considérée comme plus appropriée pour la défluoration en raison de sa simplicité, de son efficacité et de sa viabilité économique .
les adsorbants importants qui ont été testés pour l’élimination du fluorure comprennent l’alumine activée , le charbon actif , la zéolite , les biosorbants et les nanosorbants . Le charbon actif est considéré comme un adsorbant universel en raison de ses applications et de sa viabilité. Tembhurkar et Dongre ont étudié l’élimination du fluorure à l’aide de charbon actif ., L’alumine activée est également un adsorbant efficace pour l’élimination du fluorure de l’eau potable, mais elle a une capacité de régénération limitée et un taux d’adsorption lent .
Plusieurs études ont été menées pour augmenter l’efficacité de l’alumine activée pour la défluoration. Dans une étude, de l’alumine activée imprégnée d’alun a été utilisée pour éliminer le fluorure de l’eau potable avec une efficacité d’élimination de 99% à pH 6,5 . De même, une autre étude rapporte l’équilibre d’adsorption et la cinétique de l’élimination du fluorure à l’aide d’un adsorbant d’alumine activée dérivé d’un sol-gel ., Dans cette étude, un revêtement d’oxyde de calcium et d’oxyde de manganèse a été effectué sur de l’alumine activée dérivée d’un sol-gel pour améliorer son efficacité d’élimination du fluorure.
le principal défi rencontré lors des études d’adoption est la séparation de l’adsorbant après utilisation des échantillons d’eau. Généralement, la filtration est utilisée pour la séparation des adsorbants en poudre. Le but de la présente étude était de préparer un adsorbant immobilisé sous forme de granulés qui pourrait facilement être séparé de l’eau sans subir de processus de filtration et de centrifugation., À cet effet, la méthode sol-gel a été adoptée pour préparer de l’alumine activée immobilisée avec des propriétés de surface uniformes. L’alumine activée immobilisée a en outre été modifiée par ajout d’alun pour améliorer ses capacités d’adsorption. L’alumine activée immobilisée modifiée (MIAA) a été testée pour le traitement de l’eau de la région de Manga Mandi touchée par le fluorure (près de Lahore, Pakistan).
2. Matériaux et méthodes
2.1. Matériaux
2.2., Préparation D’adsorbant Immobilisé
pour la préparation d’adsorbant, la méthode sol-gel d’alumine activée a été utilisée avec quelques modifications. Le sol de boehmite modifié a été préparé en dissolvant goutte à goutte 100 mL de butoxyde tri-sec d’aluminium dans 300 mL d’eau distillée à 75°C sur une plaque chauffante et en ajoutant une quantité appropriée (10 g) d’alun. Afin de trouver une dose appropriée d’alun, plusieurs sols de boehmite ont été préparés en faisant varier la quantité d’additif d’alun de 5 g à 25 g. comme 10 g de dose ont donné une efficacité maximale d’élimination du fluorure (85%) et considéré comme quantité appropriée d’additif. , Après dissolution, la solution a été chauffée à 90°C pendant une heure et 15 mL 1 M HNO3 a été ajouté dans la suspension. La suspension a été refluée (dans un flacon fermé) dans un bain d’eau à 90°C pendant 10 heures pour obtenir un sol de boehmite modifié stable. Le sol a ensuite été chauffé dans une boîte de pétri à 40°C dans un four électrique. Le gel a été distribué goutte à goutte à l’aide d’une seringue (sans aiguille) dans la solution d’ammoniac qui avait une couche d’huile de paraffine. Les gouttelettes ont été laissées dans la solution d’ammoniac pendant 45 minutes afin de les transformer en granules solides., Les granulés ont été soigneusement lavés à l’eau distillée et à l’alcool éthylique, séchés et calcinés à 450°C pendant trois heures pour obtenir de l’alumine activée immobilisée modifiée (MIAA). Pour chaque expérience d’adsorption par lots, un adsorbant frais a été préparé car la quantité indiquée est suffisante pour un test par lots.
l’analyse au microscope électronique à balayage (JEOL JSM-6460, Japon) a été réalisée afin de vérifier la surface de l’alumine activée immobilisée avant et après l’adsorption.
2.3., Étude d’Adsorption
des expériences d’adsorption au fluorure ont été menées afin de déterminer l’efficacité de l’adsorbant et l’effet du contrôle de paramètres tels que la dose, le temps de contact et la vitesse d’agitation. La solution mère de 5 mg/L de fluorure a été préparée en dissolvant 0,011 g de naf de qualité réactif dans 1000 mL d’eau distillée. Toutes les expériences d’adsorption ont été réalisées dans un Flacon conique de 250 mL avec une solution d’essai de 100 mL à température ambiante (20 ± 1°C) à l’aide d’un agitateur mécanique., Les expériences d’adsorption ont été réalisées à pH = 7 et à 20 ± 1°C seulement afin d’être aussi proches que possible des conditions naturelles de l’eau potable pour l’élimination du fluorure. La concentration d’ions fluorure a été mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre (DR 2010, Hach, États-Unis) et d’une électrode sélective d’ions (Ion meter Model 25, Hach, États-Unis).
l’effet de la dose d’adsorbant sur l’élimination du fluorure a été étudié en faisant varier la dose de 0,5 à 20 g/L dans des solutions d’essai contenant une concentration initiale de fluorure de 5 mg/L., Afin de déterminer le temps d’adsorption à l’équilibre, les flacons contenant des solutions d’essai de fluorure (5 mg/L) et la dose optimale d’adsorbant ont été agités sur le agitateur pendant des périodes de 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, et 120 minutes. De même, pour la détermination de la vitesse d’agitation optimale, les flacons contenant des solutions d’essai de fluorure (5 mg/L) et la dose optimale d’adsorbant ont été agités sur le agitateur en changeant la vitesse d’agitation de 50 à 250 tr / min. L’effet de la variation de la concentration de fluorure sur l’adsorption a également été étudié en changeant la concentration de fluorure de 0.,5 à 12 mg / L et en utilisant des conditions d’adsorption optimales. Tous les tests d’adsorption ont été exécutés en trois exemplaires pour vérifier la précision des résultats.
la quantité spécifiée de fluorure adsorbé (mg/g) a été calculée comme suit: où est la concentration initiale de fluorure (mg/L), est la concentration résiduelle de fluorure à l’équilibre (mg/L) et est la masse d’adsorbant dans la solution d’essai (g / L).
pour comparer L’efficacité du MIAA, le charbon actif a été choisi en standard. Tous les essais d’adsorption décrits ci-dessus ont été effectués à nouveau à l’aide d’un adsorbant à charbon actif.
2.4., Étude de l’isotherme
la relation entre la quantité de substance adsorbée et sa concentration en solution d’équilibre à température constante est appelée isotherme d’adsorption. Dans la présente étude, les isothermes de Langmuir et de Freundlich ont été utilisés pour expliquer le phénomène d’adsorption.
l’équation de Freundlich où (mg/g) = Quantité de fluorure adsorbé par unité de masse d’adsorbant, (mg/ L) = concentration d’équilibre de fluorure, et = capacité d’adsorption, 1 / = intensité d’adsorption.,
Les valeurs de et 1/ ont été obtenues directement à partir de l’interception et de la pente du tracé linéaire entre et .
l’équation de L’isotherme de Langmuir où (mg/g) = Quantité de fluorure adsorbé par unité de masse d’adsorbant, (mg / L) = concentration d’équilibre de fluorure, = capacité d’adsorption et = énergie d’adsorption.
Les valeurs de et ont été obtenues directement à partir de l’interception et de la pente du tracé linéaire entre et .
2.5. Régénération et traitement réel des échantillons d’eau
la régénération de la MIAA a été effectuée à la fois thermiquement et chimiquement., Pour le traitement thermique, l’adsorbant utilisé a été chauffé dans un four à moufle à 450°C pendant 30 minutes. En cas de régénération chimique, le MIAA utilisé a été trempé dans une solution de NaOH de 0,1 M pendant deux heures. L’adsorbant a ensuite été lavé avec de l’eau distillée jusqu’à ce que le pH de l’eau lavée devienne neutre. Le MIAA régénéré a été testé pour l’élimination du fluorure des solutions d’essai de concentration initiale de fluorure, 5 mg/L. à cet égard, 5 cycles de régénération suivis d’essais d’élimination du fluorure ont été effectués successivement.,
MIAA a également été étudié pour ses capacités d’élimination du fluorure à partir d’échantillons d’eau réels. À cet égard, cinq échantillons d’eau potable (A–E) ont été prélevés dans la zone touchée par le fluorure (Manga Mandi près de Lahore) et des tests d’élimination du fluorure ont été effectués en utilisant des conditions d’adsorption optimisées.
3. Résultats et Discussion
L’aspect général de MIAA était des granules durs blancs, comme le montre la Figure 1(a). La taille des granules variait de 3 à 6 mm., Un certain nombre d’expériences ont été menées afin de trouver les conditions appropriées comme la dose d’adsorbant, la concentration de fluorure, le temps de contact et le taux d’agitation (rpm) pour l’adsorption du fluorure par MIAA. Les images SEM de MIAA avant et après adsorption ont montré qu’il y avait un changement considérable dans la surface après adsorption des ions fluorures qui étaient censés adhérer à la surface de MIAA, voir les Figures 1(b) et 1(c).,
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
(a) MIAA, (b) SEM image of pure MIAA, and (c) SEM image of MIAA after adsorption.
3.1. Effect of Adsorbent Dose
The effect of MIAA and activated charcoal dose on the fluoride adsorption was carried out at 20 ± 1°C., La Figure 2 montre qu’il y a eu une augmentation du pourcentage d’élimination du fluorure en augmentant la dose des adsorbants. L’augmentation de l’efficacité d’élimination avec l’augmentation de la dose était due à l’augmentation de la surface et des sites plus actifs étaient disponibles pour l’adsorption du fluorure. Mais après une dose d’adsorbant spécifiée, le pourcentage d’élimination n’a pas augmenté considérablement et cette dose a été considérée comme la dose optimale. La dose optimale était de 10 g/L pour les deux adsorbants avec une efficacité d’élimination du fluorure de 95% et 84% pour le MIAA et le charbon actif, respectivement.,
l’Effet d’une dose d’adsorbant sur la suppression de fluorure à 20 ± 1°C.
3.2. Effet du temps de Contact
L’effet du temps de contact sur l’adsorption du fluorure est illustré à la Figure 3. À mesure que le temps de contact augmentait, la capacité d’adsorption des deux adsorbants augmentait également. L’augmentation de la capacité d’adsorption dans les 40 premières minutes a été très rapide. Cela pourrait être dû à la diffusion d’ions fluorure dans les pores de surface des adsorbants., Après 40 minutes, l’augmentation était moins rapide probablement en raison de la migration des ions fluorure de la surface supérieure de l’adsorbant vers les pores internes. MIAA a éliminé la plupart des ions fluorure environ 60 minutes et a ensuite atteint l’équilibre, tandis que l’adsorption sur charbon actif a atteint l’équilibre après 90 minutes.
3.3., Effet de la vitesse D’agitation
L’influence de la vitesse d’agitation variable sur l’efficacité d’élimination du fluorure du MIAA et du charbon actif est illustrée à la Figure 4. On a observé qu’à un régime inférieur, la capacité d’élimination était faible, mais à mesure que le régime augmentait, l’élimination du fluorure augmentait également. Cela pourrait être dû au meilleur contact entre l’adsorbant et l’adsorbat à un régime plus élevé. Les vitesses d’agitation optimales pour le charbon actif et le MIAA étaient respectivement de 125 tr / min et de 150 tr / min.,
l’Effet de l’agitation de taux sur la capacité d’adsorption de MIAA et du charbon activé à (20 ± 1°C).
3.4. Effet de la Concentration initiale de fluorure
L’effet de l’augmentation de la concentration de fluorure sur la capacité d’adsorption du MIAA et du charbon actif est illustré à la Figure 5. Pour les deux adsorbants, la capacité d’adsorption a augmenté à un niveau spécifié puis a atteint l’équilibre. La capacité d’adsorption maximale du MIAA et du charbon actif était de 0,76 mg/g et de 0.,47 mg/g, respectivement, lorsque la concentration initiale de fluorure () était de 12 mg/l.
effet de la concentration initiale de fluorure sur la capacité d’adsorption de (A) MIAA et (b) charbon actif à 20 ± 1°c.
3.5. Étude de l’isotherme
l’isotherme d’adsorption est utile pour étudier la faisabilité d’un adsorbant pour un adsorbat., Les isothermes de Freundlich et de Langmuir ont fourni un aperçu approfondi de l’adsorption du fluorure sur le MIAA et le charbon actif, voir les Figures 6 et 7. Les valeurs des constantes d’adsorption,,, et sont données dans le tableau 1. Le modèle de Freundlich s’est bien adapté pour les deux adsorbants avec des coefficients de régression de 0,98 et 0,97 pour le MIAA et le charbon actif, respectivement. est la constante de Freundlich représentant l’affinité relative d’adsorption de l’adsorbant vers les molécules d’adsorbat, et représente l’hétérogénéité de l’adsorbant., la valeur en cas de MIAA est presque trois fois plus élevée que la valeur pour le charbon actif. La valeur de pour les deux adsorbants était supérieure à l’unité indiquant que la quantité adsorbée augmentait moins rapidement que la concentration . La non-linéarité des isothermes d’adsorption est évidente car comme le montrent les Figures 6 et 7.,
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(a)
(b)
(a)
(b)
The Freundlich and Langmuir isotherms for fluoride adsorption using MIAA at (20 ± 1°C).,
(a)
(b)
(a)
(b)
Le Freundlich et de Langmuir isothermes pour le fluorure d’adsorption à l’aide de charbon actif à (20 ± 1°C).
L’isotherme D’adsorption de Langmuir convient très bien à l’adsorption du fluorure sur les deux adsorbants avec un coefficient de régression de 0,99 comme indiqué sur les Figures 6 et 7., Les valeurs du coefficient d’adsorption et de la capacité monocouche calculées à partir de L’équation de Langmuir sont données dans le tableau 1. Les valeurs de et sont plus élevées pour MIAA par rapport aux valeurs pour le charbon actif, ce qui indique que l’adsorption du fluorure sur MIAA est plus favorable.
la constante de Langmuir peut être utilisée pour prédire si un système d’adsorption est favorable ou défavorable . À cette fin, un facteur de séparation sans dimension est généralement utilisé: où = facteur de séparation sans dimension, = concentration initiale de fluorure (mg/L) et = constante de Langmuir.,
le paramètre indique la forme de l’isotherme en conséquence.
dans ce travail, les valeurs de étaient comprises entre 0,02 et 0,11 Par rapport à la concentration initiale de fluorure, = 2-12 mg/L comme indiqué dans le tableau 2. Les valeurs de suggèrent que l’adsorption du fluorure sur MIAA est favorable à 20 ± 1°C.,
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3.6., Régénération et traitement réel des échantillons d’eau
la Figure 8 décrit les résultats de l’étude de régénération de la MIAA. En cas de régénération thermique, L’efficacité d’élimination de MIAA est jusqu’à 85% même après le 5ème cycle de régénération, alors qu’en cas de régénération chimique, l’efficacité a considérablement diminué après chaque cycle. Elle peut être due à la forte lavage de MIAA après avoir fait tremper dans de NaOH afin de neutraliser le pH.
Régénération de MIAA par des procédés thermiques et chimiques.,
La Figure 9 montre l’élimination du fluorure de cinq échantillons D’eau potable (A–E) prélevés dans la zone touchée par le fluorure Manga Mandi à L’aide de MIAA dans des conditions d’adsorption optimisées. La matrice des échantillons réels est complexe et il peut y avoir plusieurs ions concurrents présents dans les échantillons, mais l’efficacité d’élimination variait toujours de 53% (échantillon E) à 84% (échantillon A). Cela indique l’efficacité de la MIAA pour l’élimination du fluorure de l’eau potable.,
Véritable échantillons d’eau initiale de la concentration de fluorure () et de la concentration finale ().
4. Conclusion
L’alumine activée immobilisée modifiée (MIAA) a été utilisée efficacement pour l’élimination du fluorure de l’eau potable avec une efficacité d’élimination pouvant atteindre 95% à 20 ± 1°c. la capacité d’adsorption de la MIAA était beaucoup plus élevée (0,76 mg/g) que la capacité d’adsorption du charbon actif (0,47 mg/g) pour les mêmes échantillons de fluorure de concentration., Les isothermes D’adsorption de Langmuir et de Freundlich conviennent bien à L’adsorption du fluorure sur MIAA avec des coefficients de régression de 0,99 et 0,98, respectivement. MIAA peut être régénéré thermiquement et chimiquement. La MIAA s’est avérée efficace pour le traitement des échantillons d’eau potable contaminés au fluorure.
Remerciements
Les auteurs remercient L’Université nationale des Sciences et de la technologie (NUST), Islamabad, Pakistan pour le soutien financier de ce travail.