resumen
el estudio describe el retiro del fluoruro del agua potable usando el alúmina activado inmovilizado modificado (MIAA) preparado por el método del sol-gel. La modificación se realizó mediante la adición de una cantidad específica de alumbre durante el paso de formación del sol. La eficiencia de eliminación de fluoruro del MIAA fue 1,35 veces mayor en comparación con la alúmina activada inmovilizada normal., Se realizó un estudio de adsorción de lotes en función de la dosis de adsorbente, el tiempo de contacto, La velocidad de agitación y la concentración inicial de fluoruro. Más del 90% de la eliminación de fluoruro se logró dentro de los 60 minutos del tiempo de contacto. Se comparó el potencial de adsorción del alma con el carbón activado, lo que mostró que la eficiencia de eliminación era aproximadamente un 10% superior a la del carbón activado. Tanto las isotermas de adsorción de Langmuir como de Freundlich encajaron bien para la adsorción de fluoruro en el MIAA con el coeficiente de regresión R2 de 0.99 y 0.98, respectivamente., El MIAA puede regenerarse térmica y químicamente. Se emplearon experimentos de adsorción utilizando MIAA en muestras reales de agua potable de un área afectada por flúor. El estudio demostró que la alúmina activada inmovilizada modificada es un adsorbente eficaz para la eliminación del fluoruro.
1. Introducción
El fluoruro está presente en las aguas subterráneas que provienen de fuentes naturales como la intemperie y los procesos volcánicos o de aguas residuales de industrias como fertilizantes, vidrio, cerámica, ladrillos, fábricas de hierro y galvanoplastia ., El fluoruro tiene efectos beneficiosos y dañinos en la salud humana dependiendo de su nivel. Entre los efectos beneficiosos del fluoruro en el cuerpo humano, el fortalecimiento de los huesos y la prevención de la caries dental son significativos. El límite permisible de fluoruro en el agua potable es de 1,5 mg / L de acuerdo con las normas nacionales de calidad del Agua Potable de Pakistán y la Organización Mundial de la salud . Por encima de este límite, el fluoruro puede conducir a varias enfermedades como fluorosis esquelética y dental, huesos frágiles, cáncer, infertilidad, daño cerebral, síndrome de Alzheimer y trastorno de la tiroides .,
el programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) estima que el número de personas afectadas por la fluorosis es de decenas de millones en 25 países, tanto en países desarrollados como en desarrollo . Se han detectado varios casos de este tipo en el Pakistán, donde las personas padecían enfermedades nocivas debido a la descarga industrial de fluoruros. In July 2000, a tragic situation was reported in Manga Mandi area (near Lahore, Punjab) where level of fluoride reached up to 20 mg/L in drinking water that led to the bone and teeth deformities in local people .,
las técnicas disponibles para la defluoridación incluyen coagulación-precipitación, proceso de membrana, intercambio iónico y procesos de adsorción. Aunque la coagulación-precipitación (también conocida como técnica Nalgonda) es un método eficaz y barato, su principal desventaja es la generación de productos de desecho dañinos. El proceso de membrana es principalmente la técnica de ósmosis inversa, pero requiere un alto costo de mantenimiento debido al ensuciamiento, escalamiento y degradación de la membrana. Del mismo modo, el proceso de intercambio iónico es muy costoso ., El método de adsorción se considera más apropiado para la defluoridación debido a su simplicidad, eficacia y viabilidad económica .
los adsorbentes importantes que han sido probados para la eliminación de fluoruro incluyen alúmina activada, carbón activado, zeolita , biosorbentes y nanosorbentes . El carbón activado se considera un adsorbente universal debido a sus aplicaciones y viabilidad. Tembhurkar y Dongre estudiaron la eliminación del fluoruro usando carbón activado ., La alúmina activada también es un adsorbente eficiente para la eliminación de flúor del agua potable, pero tiene una capacidad de regeneración limitada y una tasa de adsorción lenta .
Se han realizado varios estudios para aumentar la eficiencia de la alúmina activada para la defluoridación. En un estudio, se utilizó alúmina activada impregnada de alumbre para eliminar el fluoruro del agua potable con una eficiencia de eliminación del 99% a pH 6,5 . De manera similar, otro estudio reporta el equilibrio de adsorción y la cinética de la eliminación de fluoruro usando el adsorbente de alúmina activado derivado de sol-gel ., En este estudio, el recubrimiento de óxido de calcio y óxido de manganeso se realizó en alúmina activada derivada de sol-gel para mejorar su eficiencia de eliminación de fluoruro.
el principal desafío encontrado durante los estudios de adopción es la separación del adsorbente después del uso de las muestras de agua. Generalmente, la filtración se emplea para la separación de adsorbentes en polvo. El objetivo del presente estudio fue preparar un adsorbente inmovilizado en forma de gránulos que pudieran separarse fácilmente del agua sin someterse a procesos de filtración y centrifugación., Para este propósito, se ha adoptado el método sol-gel para preparar alúmina activada inmovilizada con propiedades superficiales uniformes. La alúmina activada inmovilizada se ha modificado aún más agregando alumbre para mejorar sus capacidades de adsorción. La alúmina activada inmovilizada modificada (MIAA) se probó para el tratamiento del agua del área de Manga Mandi afectada por flúor (cerca de Lahore, Pakistán).
2. Materiales y Métodos
2.1. Materiales
2.2., Preparación del adsorbente inmovilizado
para la preparación del adsorbente, se empleó el método sol-gel de alúmina activada con algunas modificaciones. La boehmite Sol modificada se preparó disolviendo 100 mL de butóxido de aluminio tri-sec en 300 mL de agua destilada a 75 ° C En una placa caliente y agregando la cantidad apropiada (10 g) de alumbre. Con el fin de encontrar una dosis adecuada de alumbre, se prepararon varios sols de boehmite variando la cantidad de aditivo de alumbre de 5 g a 25 g. como 10 g de dosis dio la máxima eficiencia de eliminación de fluoruro (85%) y se consideró como la cantidad adecuada de aditivo., Después de la disolución, la solución se calentó a 90°C durante una hora y se agregaron 15 mL 1 m HNO3 en la suspensión. La suspensión se reflujo (en un vial cerrado) en un baño de agua a 90°C durante 10 horas para obtener boehmite Sol modificado estable. El sol se calentó en una placa de petri a 40 ° C en un horno eléctrico. El gel se dispensó gota a gota con la ayuda de una jeringa (sin aguja) en la solución de amoníaco que tenía una capa superior de aceite de parafina. Las gotitas se dejaron en la solución de amoníaco durante 45 minutos para convertirlas en gránulos sólidos., Los gránulos se lavaron minuciosamente con agua destilada y alcohol etílico, se secaron y calcinaron a 450°C durante tres horas para obtener alúmina activada inmovilizada modificada (MIAA). Para cada experimento de adsorción de lotes, se preparó un adsorbente fresco, ya que la cantidad indicada es suficiente para una prueba de lote.
el análisis del microscopio electrónico de barrido (JEOL JSM-6460, Japón) se realizó para verificar la superficie de alúmina activada inmovilizada antes y después de la adsorción.
2.3., Estudio de adsorción
Se realizaron experimentos de adsorción de fluoruro para determinar la eficiencia del adsorbente y el efecto de controlar parámetros como la dosis, el tiempo de contacto y la velocidad de agitación. La solución madre de 5 mg/L de fluoruro se preparó disolviendo 0,011 g de Naf de grado reactivo en 1000 mL de agua destilada. Todos los experimentos de adsorción se llevaron a cabo en un matraz cónico de 250 mL con 100 mL de solución de prueba a temperatura ambiente (20 ± 1°C) utilizando un agitador mecánico., Los experimentos de adsorción se realizaron a pH = 7 y a 20 ± 1 ° C solo para estar lo más cerca posible de las condiciones naturales del agua potable para la eliminación de fluoruro. La concentración de iones de fluoruro se midió mediante espectrofotómetro (DR 2010, Hach, EE.UU.) y electrodo selectivo de iones (Medidor de iones Modelo 25, Hach, EE.UU.).
el efecto de la dosis de adsorbente de adsorbente en la eliminación de fluoruro se estudió variando la dosis de 0,5 a 20 g/L en soluciones de prueba que contenían concentración inicial de fluoruro, 5 mg / L., Para determinar el tiempo de adsorción de equilibrio, los matraces que contenían soluciones de prueba de fluoruro (5 mg / L) y la dosis adsorbente óptima se agitaron en el agitador durante períodos de 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, y 120 minutos. Del mismo modo, para la determinación de la velocidad de agitación óptima, los matraces que contenían soluciones de prueba de fluoruro (5 mg/L) y la dosis óptima de adsorbente se agitaron en el agitador cambiando la velocidad de agitación de 50 a 250 rpm. El efecto de la variación de la concentración de fluoruro en la adsorción también se estudió cambiando la concentración de fluoruro de 0.,5 a 12 mg / L y empleando condiciones óptimas de adsorción. Todas las pruebas de adsorción se realizaron por triplicado para comprobar la precisión entre los resultados.
la cantidad especificada de fluoruro adsorbido (mg/g) se calculó de la siguiente manera: donde está la concentración inicial de fluoruro (mg/L), es la concentración residual de fluoruro en equilibrio (mg/L), y es la masa de adsorbente en la solución de prueba (g/L).
para comparar la eficiencia del MIAA, se eligió el carbón activado como estándar. Todas las pruebas de adsorción descritas anteriormente se realizaron de nuevo utilizando adsorbente de carbón activado.
2.4., Estudio de isotermas
la relación entre la cantidad de sustancia adsorbida y su concentración en solución de equilibrio a temperatura constante se denomina isoterma de adsorción. En el presente estudio, se utilizaron las isotermas de Langmuir y Freundlich para explicar el fenómeno de adsorción.
la ecuación de Freundlich donde (mg / g) = Cantidad de fluoruro adsorbido por unidad de masa de adsorbente, (mg/L) = concentración de equilibrio de fluoruro, y = capacidad de adsorción, 1/ = intensidad de adsorción.,
los valores de y 1 / se obtuvieron directamente de la intersección y pendiente de la gráfica lineal entre y .
la ecuación de la isoterma de Langmuir donde (mg / g) = Cantidad de fluoruro adsorbido por unidad de masa de adsorbente, (mg/L) = concentración de equilibrio de fluoruro, = capacidad de adsorción, y = energía de adsorción.
los valores de y se obtuvieron directamente de la intersección y la pendiente de la gráfica lineal entre y .
2.5. Regeneración y tratamiento real de muestras de agua
La regeneración del MIAA se realizó tanto térmica como químicamente., Para el tratamiento térmico, el adsorbente utilizado se calentó en un horno de mufla a 450°C durante 30 minutos. En caso de regeneración química, el MIAA utilizado se empapó en solución de NaOH de 0,1 M durante dos horas. El adsorbente se lavó con agua destilada hasta que el pH del agua lavada se volvió neutro. El MIAA regenerado fue probado para la eliminación de fluoruro de las soluciones de prueba de concentración inicial de fluoruro, 5 mg/L. en este sentido, se llevaron a cabo 5 ciclos de regeneración seguidos de pruebas de eliminación de fluoruro en sucesión.,
El MIAA también se estudió por sus capacidades de eliminación de fluoruro de muestras de agua reales. En este sentido, se recogieron cinco muestras de agua potable (A–E) del área afectada por el flúor (Manga Mandi, cerca de Lahore) y se realizaron pruebas de eliminación de flúor utilizando Condiciones de adsorción optimizadas.
3. Resultados y discusión
el aspecto general del AIM fue de gránulos duros blancos como se muestra en la Figura 1 (a). El tamaño de los gránulos varió de 3 a 6 mm., Se realizaron varios experimentos con el fin de encontrar las condiciones adecuadas como la dosis de adsorbente, la concentración de fluoruro, el tiempo de contacto y la velocidad de agitación (rpm) para la adsorción de fluoruro por MIAA. Las imágenes SEM del MIAA antes y después de la adsorción mostraron que había un cambio considerable en la superficie después de la adsorción de iones de fluoruro que se suponía que se adherían a la superficie del MIAA, véanse las figuras 1(b) y 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 figura 2 demuestra que hubo un aumento en la eliminación del % de fluoruro al aumentar la dosis de los adsorbentes. El aumento de la eficiencia de eliminación con el aumento de la dosis se debió al aumento de la superficie y a la disponibilidad de sitios más activos para la adsorción de fluoruro. Pero después de una dosis adsorbente especificada, el porcentaje de eliminación no aumentó considerablemente y esa dosis se consideró como la dosis óptima. La dosis óptima fue de 10 g/L para ambos adsorbentes con una eficiencia de eliminación de flúor del 95% y del 84% para el MIAA y el carbón activado, respectivamente.,
Efecto de una dosis de adsorbente en la eliminación de fluoruro a 20 ± 1°C.
3.2. Efecto del tiempo de contacto
el efecto del tiempo de contacto en la adsorción de fluoruro se muestra en la Figura 3. A medida que aumentaba el tiempo de contacto, también aumentaba la capacidad de adsorción de ambos adsorbentes. El aumento de la capacidad de adsorción en los primeros 40 minutos fue muy rápido. Esto podría deberse a la difusión de iones de fluoruro en los poros superficiales de los adsorbentes., Después de 40 minutos, el aumento fue menos rápido probablemente debido a la migración de iones de fluoruro de la superficie adsorbente superior a los poros internos. El MIAA eliminó la mayoría de los iones de fluoruro alrededor de 60 minutos y luego alcanzó el equilibrio, mientras que la adsorción de carbón activado alcanzó el equilibrio después de 90 minutos.
Efecto del tiempo de contacto en la capacidad de adsorción de MIAA y carbón activado en (20 ± 1°C).
3.3., Efecto de la velocidad de agitación
la influencia de la velocidad de agitación variable en la eficiencia de eliminación de fluoruro de MIAA y carbón activado se muestra en la Figura 4. Se observó que a rpm más bajas, la capacidad de eliminación era baja, pero a medida que las rpm aumentaban, la eliminación de fluoruro también aumentaba. Esto podría deberse al mejor contacto entre el adsorbente y el adsorbato a rpm más altas. Las velocidades óptimas de agitación para el carbón activado y el MIAA fueron de 125 rpm y 150 rpm, respectivamente.,
Efecto de la agitación de la tasa en la capacidad de adsorción de MIAA y carbón activado en (20 ± 1°C).
3.4. Efecto de la concentración inicial de fluoruro
el efecto del aumento de la concentración de fluoruro en la capacidad de adsorción de MIAA y carbón activado se muestra en la Figura 5. Para ambos adsorbentes, la capacidad de adsorción aumentó a un nivel especificado y luego alcanzó el equilibrio. La capacidad máxima de adsorción del MIAA y el carbón activado fue de 0,76 mg/g y 0.,47 mg/g, respectivamente, cuando la concentración de flúor () fue de 12 mg/L.
Efecto de la concentración inicial de fluoruro en la capacidad de adsorción de (a) MIAA y (b) carbón activado a 20 ± 1°C.
3.5. Estudio de isoterma
la isoterma de adsorción es útil en la investigación de la viabilidad de un adsorbente para un adsorbato., Las isotermas de Freundlich y Langmuir proporcionaron una visión profunda de la adsorción de fluoruro en MIAA y carbón activado, consulte las figuras 6 y 7. Los valores de las constantes de adsorción,,, y se indican en la tabla 1. El modelo de Freundlich se ajustó bien para ambos adsorbentes con el coeficiente de regresión de 0,98 y 0,97 para el MIAA y el carbón activado, respectivamente. es la constante de Freundlich que representa la afinidad de adsorción relativa del adsorbente hacia las moléculas de adsorbato, y representa la heterogeneidad del adsorbente., el valor en el caso del MIAA es casi tres veces mayor en comparación con el valor para el carbón activado. El valor de ambos adsorbentes fue mayor que la unidad, lo que indica que la cantidad adsorbida aumentó menos rápidamente que la concentración . La no linealidad de las isotermas de adsorción es evidente porque como se muestra en las figuras 6 y 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)
El de Freundlich y Langmuir isotermas de adsorción de fluoruro utilizando carbón activado a (20 ± 1°C).
la isoterma de adsorción de Langmuir se ajustó muy bien para la adsorción de fluoruro en ambos adsorbentes con el coeficiente de regresión de 0.99 como se muestra en las figuras 6 y 7., Los valores del coeficiente de adsorción y de la capacidad monocapa calculados a partir de la ecuación de Langmuir figuran en la tabla 1. Los valores de y son más altos para el MIAA en comparación con los valores para el carbón activado que indica que la adsorción de fluoruro en el MIAA es más favorable.
la constante de Langmuir se puede utilizar para predecir si un sistema de adsorción es favorable o desfavorable . Para este propósito, generalmente se emplea un factor de separación adimensional: donde = factor de separación adimensional, = concentración inicial de fluoruro (mg / L), y = constante de Langmuir.,
el parámetro indica la forma de isoterma en consecuencia.
en este trabajo, los valores de estuvieron en el rango 0,02–0,11 frente a la concentración inicial de fluoruro, = 2-12 mg/L como se indica en la Tabla 2. Los valores de sugieren que la adsorción de fluoruro en el MIAA es favorable a 20 ± 1 ° C.,
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3.6., Regeneración y tratamiento real de muestras de agua
La Figura 8 describe los resultados del estudio de regeneración del MIAA. En el caso de la regeneración térmica, la eficiencia de eliminación de MIAA es de hasta el 85% incluso después del 5º ciclo de regeneración, mientras que en el caso de la regeneración química, la eficiencia disminuye considerablemente después de cada ciclo. Puede ser debido a la fuerte lavado de MIAA después de la inmersión en NaOH para neutralizar el pH.
la Regeneración de MIAA térmicos y procesos químicos.,
La Figura 9 muestra la eliminación de fluoruro de cinco muestras de agua potable (A–E) tomadas del área afectada por fluoruro Manga Mandi usando MIAA bajo condiciones de adsorción optimizadas. La matriz de las muestras reales es compleja y puede haber varios iones competidores presentes en las muestras, pero aún así la eficiencia de eliminación osciló entre el 53% (muestra E) y el 84% (muestra A). Esto indica la eficacia del MIAA para la eliminación del fluoruro del agua potable.,
Real de las muestras de agua con la inicial de la concentración de flúor () y la concentración final ().
4. Conclusión
La alúmina activada inmovilizada modificada (MIAA) se ha utilizado eficientemente para la eliminación de fluoruro del agua potable con una eficiencia de eliminación de hasta el 95% a 20 ± 1°C. La capacidad de adsorción de MIAA fue mucho mayor (0.76 mg/g) en comparación con la capacidad de adsorción de carbón activado (0.47 mg/g) para las mismas muestras de fluoruro de concentración., Tanto las isotermas de adsorción de Langmuir como de Freundlich encajaron bien para la adsorción de fluoruro en el MIAA con el coeficiente de regresión de 0.99 y 0.98, respectivamente. El MIAA puede regenerarse térmica y químicamente. El MIAA demostró ser eficaz para el tratamiento de muestras reales de agua potable contaminada con fluoruro.
reconocimiento
los autores agradecen a la Universidad Nacional de Ciencias y Tecnología (NUST), Islamabad, Pakistán por el apoyo financiero de este trabajo.