Abstract
studiul descrie îndepărtarea fluorurii din apa de băut folosind alumină activată imobilizată modificată (MIAA) preparată prin metoda sol-gel. Modificarea a fost făcută prin adăugarea unei cantități specifice de alum în timpul etapei de formare a solurilor. Eficiența îndepărtării fluorurii de MIAA a fost de 1,35 ori mai mare comparativ cu alumina activă imobilizată normală., Un studiu de adsorbție lot a fost efectuat în funcție de doza de adsorbant, timpul de contact, rata de agitare și concentrația inițială de fluor. Mai mult de 90% îndepărtarea fluorurii a fost realizată în decurs de 60 de minute de la momentul contactului. Potențialul de adsorbție al MIAA a fost comparat cu cărbunele activat, ceea ce a arătat că eficiența eliminării a fost cu aproximativ 10% mai mare decât cărbunele activat. Atât izotermele de adsorbție Langmuir cât și Freundlich s-au potrivit bine pentru adsorbția fluorurii pe MIAA cu coeficientul de regresie R2 de 0,99 și, respectiv, 0,98., MIAA poate fi regenerată termic și chimic. Experimentele de adsorbție folosind MIAA au fost folosite pe probe reale de apă potabilă dintr-o zonă afectată de fluor. Studiul a arătat că alumina activată imobilizată modificată este un adsorbant eficient pentru îndepărtarea fluorurii.
1. Introducere
fluorul este prezent în apele subterane provenind fie din surse naturale, cum ar fi procesele de intemperii și vulcanice, fie din apele uzate din industrii precum îngrășăminte, sticlă, ceramică, cărămidă, fier și galvanizare ., Fluorul are atât efecte benefice, cât și dăunătoare asupra sănătății umane, în funcție de nivelul său. Printre efectele benefice ale fluorului în corpul uman, întărirea oaselor și prevenirea cariilor dentare sunt semnificative. Limita admisă de fluor în apa de băut este de 1,5 mg/L în conformitate cu Standardele Naționale pentru calitatea apei potabile din Pakistan și Organizația Mondială a sănătății . Peste această limită, fluorura poate duce la diverse boli, cum ar fi fluoroza scheletică și dentară, oasele fragile, cancerul, infertilitatea, leziunile cerebrale, sindromul Alzheimer și tulburarea tiroidiană .,Programul Națiunilor Unite pentru mediu (UNEP) estimează că numărul persoanelor afectate de fluoroză este de zeci de milioane în 25 de țări, atât în țările dezvoltate, cât și în cele în curs de dezvoltare . O serie de astfel de cazuri au fost identificate în Pakistan, unde oamenii au suferit de boli dăunătoare din cauza descărcării industriale a fluorurilor. În iulie 2000, o situație tragică a fost raportată în zona Manga Mandi (lângă Lahore, Punjab), unde nivelul de fluor a ajuns până la 20 mg/L în apa de băut, ceea ce a dus la deformarea oaselor și a dinților la localnici .,tehnicile disponibile pentru defluoridare includ coagularea-precipitarea, procesul de membrană, schimbul de ioni și procesele de adsorbție. Deși coagularea-precipitarea (cunoscută și sub denumirea de tehnica Nalgonda) este o metodă eficientă și ieftină, dar principalul său dezavantaj este generarea de deșeuri dăunătoare. Procesul de membrană este în principal tehnica de osmoză inversă, dar necesită costuri ridicate de întreținere datorită murdăririi, scalării și degradării membranei. În mod similar, procesul de schimb ionic este foarte costisitor ., Metoda de adsorbție este considerată mai potrivită pentru defluoridare datorită simplității, eficacității și viabilității economice .
Cel mai important adsorbanți care au fost testate pentru fluor îndepărtarea includ alumină activată , cărbune activat , zeolit , biosorbents , și nanosorbents . Cărbunele activat este considerat un adsorbant universal datorită aplicațiilor și viabilității sale. Tembhurkar și Dongre au studiat îndepărtarea fluorurii folosind cărbune activat ., Alumina activată este, de asemenea, un adsorbant eficient pentru îndepărtarea fluorurii din apa potabilă, dar are o capacitate de regenerare limitată și o rată lentă de adsorbție .
au fost efectuate mai multe studii pentru a crește eficiența aluminei activate pentru defluoridare. Într-un studiu, alumina activată impregnată cu alum a fost utilizată pentru a îndepărta fluorura din apa de băut cu o eficiență de îndepărtare de 99% la pH 6.5 . În mod similar, un alt studiu raportează echilibrul de adsorbție și cinetica îndepărtării fluorurii folosind adsorbant de alumină activat derivat din sol-gel ., În acest studiu, acoperirea cu oxid de calciu și oxid de mangan a fost realizată pe alumină activată derivată din sol-gel pentru a spori eficiența îndepărtării fluorurii.principala provocare întâlnită în timpul studiilor de adopție este separarea adsorbantului după utilizare de probele de apă. În general, filtrarea este utilizată pentru separarea adsorbanților sub formă de pulbere. Scopul prezentului studiu a fost de a prepara un adsorbant imobilizat sub formă de granule care ar putea fi ușor separate de apă fără a fi supuse proceselor de filtrare și centrifugare., În acest scop, a fost adoptată metoda sol-gel pentru prepararea aluminei activate imobilizate cu proprietăți uniforme ale suprafeței. Alumina activată imobilizată a fost modificată în continuare prin adăugarea de alum pentru a-și îmbunătăți capacitățile de adsorbție. Alumina activată imobilizată modificată (MIAA) a fost testată pentru tratarea apei din zona Manga Mandi afectată de fluor (lângă Lahore, Pakistan).
2. Materiale și metode
2.1. Materiale
2.2., Pregătirea adsorbantului imobilizat
pentru prepararea adsorbantului, metoda sol-gel de alumină activată a fost utilizată cu unele modificări. Modificat boehmite sol a fost preparată prin dizolvarea picătura 100 mL de aluminiu tri-sec butoxid în 300 mL apă distilată la 75°C pe o placă fierbinte și adăugarea de cantități adecvate (10 g) de alaun. Pentru a afla o doză adecvată de alum, s-au preparat mai mulți soli de boehmit prin modificarea cantității de aditiv de alum de la 5 g la 25 g. deoarece 10 g de doză au dat o eficiență maximă de îndepărtare a fluorurii (85%) și au fost considerate ca cantitate adecvată de aditiv., După dizolvare, soluția a fost încălzită la 90°C timp de o oră și 15 mL 1 m HNO3 a fost adăugat în suspensie. Suspensia a fost refluxată (într-un flacon închis) într-o baie de apă la 90°C timp de 10 ore pentru a obține sol boehmit modificat stabil. Sol a fost apoi încălzit într-un vas petri la 40°C într-un cuptor electric. Gelul a fost distribuit în picături cu ajutorul unei seringi (fără ac) în soluția de amoniac care avea un strat superior de ulei de parafină. Picăturile au fost lăsate în soluția de amoniac timp de 45 de minute pentru a le transforma în granule solide., Granulele au fost spălate bine cu apă distilată și alcool etilic, uscate și calcinate la 450°C timp de trei ore pentru a obține alumină activată imobilizată modificată (MIAA). Pentru fiecare experiment de adsorbție lot, a fost preparat un adsorbant proaspăt, deoarece cantitatea indicată este suficientă pentru un test de lot.analiza microscopului electronic cu baleiaj (JEOL JSM-6460, Japonia) a fost efectuată pentru a verifica suprafața aluminei activate imobilizate înainte și după adsorbție.
2. 3., Studiul de adsorbție
experimentele de adsorbție cu fluor au fost efectuate pentru a determina eficiența adsorbantului și efectul controlului parametrilor cum ar fi doza, timpul de contact și rata de agitare. Soluția stoc de 5 mg/l de fluor a fost preparată prin dizolvarea a 0,011 g de reactiv NaF în 1000 mL apă distilată. Toate experimentele de adsorbție au fost efectuate într-un balon Conic de 250 mL cu 100 mL soluție de testare la temperatura camerei (20 ± 1°C) folosind un agitator mecanic., Experimentele de adsorbție au fost efectuate la pH = 7 și la 20 ± 1°C numai pentru a fi cât mai aproape posibil de condițiile naturale de apă potabilă pentru îndepărtarea fluorurii. Concentrația ionilor de fluor a fost măsurată utilizând atât spectrofotometru (DR 2010, Hach, SUA), cât și electrod selectiv de ioni (Ion meter Model 25, Hach, SUA).efectul dozei adsorbante de adsorbant asupra îndepărtării fluorurii a fost studiat prin variația dozei de la 0,5 până la 20 g/L în soluțiile de testare care conțin concentrația inițială de fluor, 5 mg/L., Pentru a determina timpul de adsorbție de echilibru, flacoanele care conțin soluții de testare cu fluor (5 mg/ L) și doza optimă de adsorbant au fost agitate pe agitator pentru perioade de 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, și 120 de minute. În mod similar, pentru determinarea vitezei optime de agitare, flacoanele care conțin soluții de testare cu fluor (5 mg/L) și doza optimă de adsorbant au fost agitate pe agitator prin Modificarea vitezei de agitare de la 50 la 250 rpm. Efectul concentrației variabile de fluor asupra adsorbției a fost, de asemenea, studiat prin schimbarea concentrației de fluor de la 0.,5 până la 12 mg/L și care utilizează condiții optime de adsorbție. Toate testele de adsorbție au fost efectuate în trei exemplare pentru a verifica precizia dintre rezultate.cantitatea specificată de fluorură adsorbită (mg/g) a fost calculată după cum urmează: unde este concentrația inițială de fluor (mg/L), este concentrația reziduală de fluor la echilibru (mg/L) și este masa adsorbantului în soluția de testare (g/L).pentru a compara eficiența MIAA, cărbunele activat a fost ales ca standard. Toate testele de adsorbție descrise mai sus au fost efectuate din nou folosind adsorbant de cărbune activat.
2. 4., Studiul izotermei
relația dintre cantitatea de substanță adsorbită și concentrația acesteia în soluție de echilibru la temperatură constantă se numește Izotermă de adsorbție. În studiul de față, izotermele Langmuir și Freundlich au fost utilizate pentru a explica fenomenul de adsorbție.ecuația Freundlich unde (mg/g) = cantitatea de fluorură adsorbită pe unitatea de masă a adsorbantului, (mg/L) = concentrația de echilibru a fluorurii și = capacitatea de adsorbție, 1/ = intensitatea adsorbției.,valorile și 1 / au fost obținute direct de la interceptarea și panta parcelei liniare între și .
ecuația Izotermă Langmuir unde (mg / g) = cantitatea de fluorură adsorbită pe unitatea de masă a adsorbantului, (mg/L) = concentrația de echilibru a fluorurii, = capacitatea de adsorbție și = energia adsorbției.valorile și au fost obținute direct de la interceptarea și panta parcelei liniare între și .
2, 5. Regenerarea și tratarea efectivă a probelor de apă
regenerarea MIAA s-a făcut atât termic, cât și chimic., Pentru tratamentul termic, adsorbantul utilizat a fost încălzit într-un cuptor cu mufe la 450°C timp de 30 de minute. În cazul regenerării chimice, MIAA utilizat a fost înmuiat în soluție de NaOH 0,1 M timp de două ore. Adsorbantul a fost apoi spălat cu apă distilată până când pH-ul apei spălate a devenit neutru. MIAA regenerată a fost testată pentru îndepărtarea fluorurii din soluțiile de testare cu concentrație inițială de fluor, 5 mg/L. în acest sens, au fost efectuate succesiv 5 cicluri de regenerare urmate de teste de îndepărtare a fluorurii.,
MIAA a fost, de asemenea, studiat pentru capacitățile sale de îndepărtare a fluorului din probele reale de apă. În acest sens, au fost colectate cinci probe de apă potabilă (A–e) din zona afectată de fluor (Manga Mandi lângă Lahore) și au fost efectuate teste de îndepărtare a fluorului folosind condiții optimizate de adsorbție.
3. Rezultate și discuții
aspectul general al MIAA a fost granule dure albe, așa cum se arată în Figura 1(a). Dimensiunea granulelor a variat de la 3 la 6 mm., Au fost efectuate o serie de experimente pentru a găsi condițiile adecvate, cum ar fi doza de adsorbant, concentrația de fluor, timpul de contact și viteza de agitare (rpm) pentru adsorbția fluorurii de către MIAA. Imagini SEM a MIAA înainte și după adsorbție a arătat că a existat o schimbare considerabilă în suprafață după adsorbția de ioni de fluor care ar fi trebuit să adere la MIAA suprafață, consultați Figurile 1(b) și 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., Figura 2 demonstrează că a existat o creștere a eliminării fluorurii % prin creșterea dozei de adsorbanți. Creșterea eficienței îndepărtării odată cu creșterea dozei sa datorat creșterii suprafeței și a locurilor mai active pentru adsorbția fluorurii. Dar după o doză specificată de adsorbant, procentul de eliminare nu a crescut considerabil și acea doză a fost considerată ca doză optimă. Doza optimă a fost de 10 g/L atât pentru adsorbanți, cu o eficiență de eliminare a fluorurii de 95%, cât și de 84% pentru MIAA și, respectiv, pentru cărbune activat.,
Efectul unui adsorbant doza pe eliminarea fluorurilor la 20 ± 1°C.
3.2. Efectul timpului de Contact
efectul timpului de contact asupra adsorbției fluorurii este prezentat în Figura 3. Pe măsură ce timpul de contact a crescut, capacitatea de adsorbție a ambilor adsorbanți a crescut și ea. Creșterea capacității de adsorbție în primele 40 de minute a fost foarte rapidă. Acest lucru se poate datora difuziei ionilor de fluor în porii de suprafață ai adsorbanților., După 40 de minute, creșterea a fost mai puțin rapidă, probabil datorită migrării ionilor de fluor de la suprafața superioară a adsorbantului la porii interiori. MIAA a eliminat majoritatea ionilor de fluor în jur de 60 de minute și apoi a atins echilibrul, în timp ce adsorbția cărbunelui activat a atins echilibrul după 90 de minute.
Efect de timpul de contact pe capacitatea de adsorbție a MIAA și cărbune activat la (20 ± 1°C).
3. 3., Efectul vitezei de agitare
influența ratei de agitare variabile asupra eficienței de îndepărtare a fluorurii de MIAA și cărbune activat este prezentată în Figura 4. S-a observat că la rpm mai mic, capacitatea de îndepărtare a fost scăzută, dar pe măsură ce rpm-ul a crescut, îndepărtarea fluorurii a crescut și ea. Acest lucru s-ar putea datora contactului mai bun între adsorbant și adsorbant la rpm mai mare. Ratele optime de agitare pentru cărbunele activat și MIAA au fost de 125 rpm și, respectiv, 150 rpm.,
Efectul de agitare pe capacitatea de adsorbție a MIAA și cărbune activat la (20 ± 1°C).
3. 4. Efectul concentrației inițiale de fluor
efectul creșterii concentrației de fluor asupra capacității de adsorbție a MIAA și a cărbunelui activat este prezentat în Figura 5. Pentru ambele adsorbanți, capacitatea de adsorbție a crescut la un nivel specificat, apoi a atins echilibrul. Capacitatea maximă de adsorbție a MIAA și a cărbunelui activat a fost de 0,76 mg/g și 0.,47 mg/g, respectiv, atunci când inițială fluorură de concentrare () a fost de 12 mg/L.
Efect de concentrația inițială de fluor pe capacitatea de adsorbție (a) MIAA și (b) cărbune activat la 20 ± 1°C.
3.5. Studiul izotermei
izoterma de adsorbție este utilă în investigarea fezabilității unui adsorbant pentru un adsorbat., Izotermele Freundlich și Langmuir au oferit o perspectivă profundă asupra adsorbției fluorurii pe MIAA și cărbune activat, consultați figurile 6 și 7. Valorile constantelor de adsorbție,,, și sunt prezentate în tabelul 1. Modelul Freundlich s-a potrivit bine pentru ambii adsorbanți cu coeficientul de regresie de 0, 98 și 0, 97 pentru MIAA și respectiv cărbune activat. este constanta Freundlich reprezentând afinitatea relativă de adsorbție a adsorbantului față de moleculele adsorbantului și reprezintă eterogenitatea adsorbantului., valoarea în cazul MIAA este de aproape trei ori mai mare în comparație cu valoarea pentru cărbune activat. Valoarea pentru ambii adsorbanți a fost mai mare decât unitatea care indică faptul că cantitatea adsorbită a crescut mai puțin rapid decât concentrația . Neliniaritatea izotermilor de adsorbție este evidentă deoarece, așa cum se arată în figurile 6 și 7.,
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(a)
(b)
(a)
(b)
The Freundlich and Langmuir isotherms for fluoride adsorption using MIAA at (20 ± 1°C).,
(o)
(b)
(o)
(b)
Freundlich și Langmuir izotermele de fluorură de adsorbție folosind cărbune activat la (20 ± 1°C).izoterma adsorbției Langmuir s-a potrivit foarte bine pentru adsorbția fluorurii pe ambii adsorbanți cu coeficientul de regresie de 0,99 așa cum se arată în figurile 6 și 7., Valorile coeficientului de adsorbție și ale capacității monostratului calculate din ecuația Langmuir sunt prezentate în tabelul 1. Valorile și sunt mai mari pentru MIAA comparativ cu valorile de cărbune activat, care indică faptul că adsorbția de fluor pe MIAA este mai favorabil.Constanta Langmuir poate fi utilizată pentru a prezice dacă un sistem de adsorbție este favorabil sau nefavorabil . În acest scop, este utilizat în general un factor de separare fără dimensiuni: unde = factor de separare fără dimensiuni, = concentrația inițială de fluor (mg/L) și = Constanta Langmuir.,
parametrul indică forma Izotermă în consecință.
în această lucrare, valorile au fost în intervalul 0,02-0,11 față de concentrația inițială de fluor, = 2-12 mg/L așa cum este prezentat în tabelul 2. Valorile sugerează că adsorbția fluorurii pe MIAA este favorabilă la 20 ± 1°C.,
|
||||||||||||||||
3.6., Regenerarea și tratarea efectivă a probelor de apă
figura 8 descrie rezultatele studiului de regenerare a MIAA. În cazul regenerării termice, eficiența de îndepărtare a MIAA este de până la 85% chiar și după al 5-lea ciclu de regenerare, în timp ce în cazul regenerării chimice, eficiența a scăzut considerabil după fiecare ciclu. Acesta poate fi din cauza viguros spălare de MIAA după înmuiere în NaOH, în scopul de a neutraliza pH-ul.
Regenerarea MIAA prin procese termice și chimice.,figura 9 demonstrează îndepărtarea fluorurii din cinci probe de apă potabilă (A–E) prelevate din zona afectată de fluor Manga Mandi folosind MIAA în condiții optimizate de adsorbție. Matricea eșantioanelor reale este complexă și pot exista mai mulți ioni concurenți prezenți în eșantioane, dar totuși eficiența eliminării a variat de la 53% (eșantionul E) la 84% (eșantionul A). Aceasta indică eficacitatea MIAA pentru îndepărtarea fluorurii din apa potabilă.,
probe reale de apă cu concentrație inițială de fluor () și concentrație finală ().
4. Concluzia
Modificate imobilizat alumină activată (MIAA) au fost utilizate eficient pentru eliminarea fluorurilor din apa de băut cu eficiența de îndepărtare până la 95% la 20 ± 1°C. capacitatea De adsorbție a MIAA fost mult mai mare (de 0,76 mg/g) în comparație cu capacitatea de adsorbție de cărbune activat (de 0,47 mg/g) pentru aceeași concentrație de fluor probe., Atât izotermele de adsorbție Langmuir cât și Freundlich s-au potrivit bine pentru adsorbția fluorurii pe MIAA cu coeficientul de regresie de 0,99 și, respectiv, 0,98. MIAA poate fi regenerată termic și chimic. MIAA s-a dovedit eficientă pentru tratarea probelor de apă potabilă contaminată cu fluor.
recunoaștere
autorii mulțumesc Universității Naționale de științe și Tehnologie (NUST), Islamabad, Pakistan pentru sprijinul financiar al acestei lucrări.