Partículas de sílice funcionalizadas con hierro como un absorbente ingenioso para la eliminación de fluoruro del agua

May 29, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8018 (2023) Citar este artículo

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La escasez de agua potable segura sigue siendo una preocupación mundial. El fluoruro es un contaminante frecuente en las aguas subterráneas que tiene efectos adversos para la salud. Para resolver este problema, ideamos un sorbente de desfluorización a base de sílice a partir de piedra pómez obtenida del volcán Paka en el condado de Baringo, Kenia. La técnica de lixiviación alcalina se utilizó para extraer partículas de sílice de la piedra pómez, que posteriormente se modificaron con hierro para mejorar su afinidad por el fluoruro. Para evaluar su eficacia, se utilizaron muestras seleccionadas de agua de pozo. Se utilizó microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X, espectroscopía de fluorescencia de rayos X e infrarrojo transformado de Fourier para caracterizar el adsorbente. Las partículas de sílice extraídas eran puras y amorfas en un 96,71 %, mientras que las partículas de sílice funcionalizadas con hierro contenían un 93,67 % de SiO2 y un 2,93 % de Fe2O3. El pH, la dosis de sorbente y el tiempo de contacto óptimos para la desfluoración de una solución inicial de fluoruro de 20 mg/L fueron 6, 1 gy 45 min, respectivamente. La desfluoración siguió una cinética de pseudo segundo orden y se ajustó a la isoterma de Freundlich. Los niveles de fluoruro en el agua de pozo se redujeron drásticamente; Intex 4.57–1.13, Kadokoi 2.46–0.54 y Naudo 5.39–1.2 mg/L, lo que indica que el sorbente a base de sílice desarrollado a partir de piedra pómez de bajo costo, abundante y localmente disponible es eficiente para la desfluoración.

El agua subterránea es la fuente de agua potable de más fácil acceso, pero también es la más contaminada1,2. El flúor es uno de estos contaminantes, aunque en niveles bajos también es fundamental en el organismo como oligoelemento para el desarrollo de dientes y huesos3,4. La exposición prolongada a niveles altos de fluoruro puede causar fluorosis dental y esquelética, así como daños en los riñones, el hígado, el cerebro y las glándulas tiroides5,6. Más de 260 millones de personas en todo el mundo están expuestas a altos niveles de fluoruro a través de las aguas subterráneas en el Valle del Rift de África Oriental, Asia, Europa y América7,8,9. Esto se ha atribuido a procesos geogénicos como actividades volcánicas y meteorización de minerales ricos en flúor10,11. El enriquecimiento de fluoruro en las aguas subterráneas también se ve favorecido por los efluentes de las industrias de fertilizantes, cerámica, pesticidas, vidrio, aluminio y refrigerantes12,13,14. En la actualidad, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido el límite permisible de fluoruro en el agua potable en 1,5 mg/L15, por lo que los procesos de desfluorización como el intercambio iónico, la adsorción, la coagulación, la precipitación y la ósmosis inversa son cruciales para mantener los niveles de fluoruro dentro de este rango12 ,dieciséis. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas son costosas de mantener y operar. Otra limitación es la producción de lodos tóxicos a través de métodos como la precipitación, la coagulación y la filtración por membrana. Además, técnicas como la ósmosis inversa y el intercambio iónico son complicadas y caras, y requieren el uso de adsorbentes de agua17,18. La adsorción es la técnica de purificación de agua más preferida porque es económica, eficiente, no genera lodos, es simple de operar y no necesita energía eléctrica ni habilidades especializadas para operar. Además, los adsorbentes se pueden regenerar y reutilizar haciéndolos los mejores a nivel doméstico y en pequeñas comunidades en áreas rurales menos desarrolladas19. El carbón activado comercial derivado del carbón se encuentra entre los adsorbentes más efectivos para la eliminación de fluoruro del agua. Tiene un área superficial específica alta y es altamente poroso, sin embargo es extremadamente costoso y tiene dificultades de regeneración17. Otros materiales efectivos incluyen la bauxita20, la carbonilla ósea, los óxidos metálicos, los materiales poliméricos, los biosorbentes21, los desechos agrícolas6, los materiales marinos, las cenizas volantes, los materiales carbonosos22, las nanopartículas23 y los geomateriales24, todos ellos de bajo costo y fácilmente disponibles, como es el caso de la sílice. minerales (SiO2). La sílice es un material auspicioso con características distintivas que satisfacen casi todos los criterios de selección de los adsorbentes ideales para la purificación del agua, como inercia química, estabilidad estructural y térmica, alta área de superficie específica, ausencia de toxicidad, gran tamaño de poro y presencia de superficies funcionales. (–Si–OH y –Si–O–Si–) que se modifican fácilmente para mejorar la selectividad hacia un contaminante objetivo25. Además, es abundante y está ampliamente distribuido en la naturaleza, particularmente en rocas volcánicas como la piedra pómez (60-70%)26,27. Es abundante en Kenia a lo largo del Sistema del Valle del Rift en centros volcánicos como los cráteres Barrier, Namanuru, Emuruangogolak, Silali, Paka, Korosi, Menengai, Longonot y Suswa28. Mourhly et al. demostraron que es factible aislar partículas de sílice rentables de roca volcánica de piedra pómez utilizando un protocolo de extracción alcalina a bajas temperaturas. Este método produjo nanopartículas de sílice amorfa con una pureza del 94 % con una superficie específica alta (422 m2g−1) y un diámetro medio de poro de 5,5 nm que se utilizó como material de soporte para la catálisis29. Como se indicó anteriormente, la desfluoración se ha logrado usando una variedad de técnicas y adsorbentes. Sin embargo, según la revisión de la literatura, no tenemos conocimiento de ningún informe de sílice extraído de piedra pómez y luego modificado con hierro para eliminar el fluoruro del agua. Por lo tanto, en este estudio, se preparó un sorbente de desfluoración a base de sílice aislando partículas de sílice de roca pómez mediante lixiviación alcalina, luego se modificó su superficie con Fe3+ (ácido duro) para aumentar la selectividad hacia F− (base dura), y se usó para evaluar la eliminación de fluoruro de agua. Se utilizaron experimentos por lotes para evaluar la cinética y la isoterma de la adsorción de fluoruro, así como los efectos del pH, el tiempo de contacto, la dosis y la concentración inicial de fluoruro en la eliminación de fluoruro. Luego se evaluó la eficacia del adsorbente utilizando muestras de agua de pozo.

Con la ayuda de un geólogo, se recogieron al azar aproximadamente 5 kg de piedra pómez en una bolsa de muestreo de polietileno bien etiquetada del volcán Paka en el condado de Baringo, Kenia (36° 10′ 59″ E y 0° 55′ 14″ N ).

En este estudio se utilizaron los siguientes productos químicos y reactivos de grado analítico: HCl, NaOH, H2SO4, NaF, tampones de pH y tampón de ajuste de fuerza iónica total (TISAB) comprados a Sigma-Aldrich a través de Kobian Scientific Limited en Kenia y utilizados sin purificación adicional. Además, se utilizó agua desionizada en todo momento.

Los niveles de fluoruro se evaluaron utilizando un modelo de electrodo selectivo de iones (ISE) (Elit 9801) de acuerdo con el protocolo estándar de la Asociación Estadounidense de Salud Pública30.

Las muestras de piedra pómez se limpiaron minuciosamente con agua desionizada, se secaron y trituraron. Luego, el polvo molido se pasó por un tamiz de 180 μm para obtener tamaños de partículas uniformes, que posteriormente se activaron en un horno de mufla modelo (STT-1200C-3.5-12) a 500 °C durante 3 h.

Las partículas de sílice se recuperaron por triplicado de piedra pómez utilizando un protocolo de lixiviación alcalina a baja temperatura descrito por Mourhly et al.29. En resumen, 10 g de piedra pómez molida se sometieron a reflujo con 300 ml de NaOH 3 M a 100 °C durante 4 h mientras se agitaba a 300 rpm para disolver el silicato y formar una solución de Na2SiO331. Para recuperar Na2SiO3, la suspensión se filtró con papel de filtro sin cenizas (Whatman No 41). Luego, el filtrado se acidificó con gotas de H2SO4 5 M a pH 7 mientras se agitaba vigorosamente para formar gel de sílice32. Antes de la filtración y el lavado a fondo, el gel de sílice se envejeció durante la noche. Luego, el gel de sílice se secó durante la noche a 110 °C antes de calentarlo a reflujo con HCl 1 M durante 3 horas a 100 °C para eliminar cualquier mineral soluble como Fe, Al, Ca y Mg. La suspensión se filtró, se lavó minuciosamente y se secó durante la noche a 110 °C. El producto final se activó durante 3 h en un horno de mufla a 550 °C para producir polvo de partículas de sílice (SP) blancas muy finas.

La cantidad de sílice recuperada de la piedra pómez se calculó utilizando la ecuación. (1) 33.

El peso promedio de sílice en piedra pómez es el producto del peso promedio de piedra pómez utilizada en la extracción y el porcentaje promedio de SiO2 obtenido del análisis XRF.

Las partículas de sílice se recubrieron con hierro de acuerdo con la metodología establecida por Ref.34. En una solución de 50 mL que contenía 1 g de Fe(NO3)3·9H2O, se disolvieron 10 g de partículas de sílice. El pH de la solución se ajustó a 7 con NaOH 0,5 M y luego se agitó a temperatura ambiente durante 1 hora. La mezcla se centrifugó y las partículas resultantes se lavaron a fondo y se secaron durante la noche a 105 °C. Finalmente, las partículas de sílice recubiertas de Fe (FCSP) se activaron en un horno de mufla durante 6 h a 500 °C antes de almacenarse en un recipiente de plástico limpio.

La composición química a granel de la roca pómez, las partículas de sílice (SP) y las partículas de sílice recubiertas de Fe (FCSP) se determinaron utilizando un espectrofotómetro de fluorescencia de rayos X (XRF) (Rigaku ZSX Primus II). Para la identificación de fases se utilizó un difractómetro de Rayos X (XRD) modelo (Rigaku MiniFlex II) con radiación de cobre (CuKα = 1.5418 Å) operando a 15 mA y 30 kV para registrar difractogramas entre 2θ de 3° y 50°, con una tamaño de paso de 0,02 a 2 s por paso. Los grupos funcionales se identificaron utilizando un espectrofotómetro de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) Shimadzu (IRAffinity-1S) en modo de reflectancia total atenuada, con espectros registrados entre 4000 y 400 cm−1 con una resolución de 4 cm−1. La morfología de las partículas de sílice se examinó utilizando un microscopio electrónico de barrido (JCM-7000-JEOL).

Se realizó un experimento por lotes a temperatura ambiente para determinar el pH óptimo, la dosis de sorbente, el tiempo de contacto y la concentración inicial de fluoruro para la eliminación de fluoruro mediante FCSP. Las ecuaciones (2) y (3) se utilizaron para calcular la cantidad de fluoruro adsorbido en el equilibrio (\({\mathrm{q}}_{\mathrm{e}}\)) y el porcentaje de fluoruro eliminado35.

donde M (g) es la masa sorbente, V (L) es el volumen de la solución, \({\mathrm{q}}_{\mathrm{e}}\)(mg/g) es la cantidad de fluoruro adsorbida en equilibrio, \({\mathrm{C}}_{\mathrm{o}}\) y \({\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}\) (mg/L) es la concentraciones de fluoruro inicial y de equilibrio, respectivamente36.

El efecto del pH sobre la eliminación de fluoruro se investigó utilizando 1,5 g de FCSP y 250 ml de una solución de fluoruro de 20 mg/l. El pH se varió de 2 a 10 utilizando HCl 0,05 M y NaOH 0,05 M. Las soluciones se agitaron a temperatura ambiente durante 90 min antes de filtrarlas con papel de filtro Whatman No. 42. A continuación, se determinó la concentración de fluoruro residual en el filtrado utilizando un electrodo selectivo de iones (ISE).

El efecto de la dosis de sorbente sobre la desfluorización se evaluó equilibrando varias dosis de sorbente (0,2–2,5 g) con 250 ml de una solución de fluoruro de 20 mg/l al pH óptimo de 6. Las soluciones se agitaron a temperatura ambiente durante 90 min antes de ser filtrado con papel de filtro Whatman No. 42. Luego se determinó la concentración de fluoruro residual en el filtrado utilizando un ISE.

Se estudió la capacidad de adsorción de los FCSP en función del tiempo usando 250 mL de una solución inicial de fluoruro de 20 mg/L a pH óptimo (6) y dosis de adsorbente (1 g) variando el tiempo de contacto de 5 a 90 min. Después de agitar las soluciones durante un tiempo predeterminado a temperatura ambiente, se dejaron reposar durante 2 min antes de filtrarlas con papel de filtro Whatman No. 42. Luego se determinó la concentración de fluoruro residual en los filtrados usando un ISE.

Se investigó el efecto de la concentración inicial de fluoruro sobre la desfluoración usando un pH óptimo (6), dosis (1 g) y tiempo de contacto (45 min), y la concentración inicial de fluoruro se varió de 2 a 60 mg/L. Después de agitar las soluciones durante 45 min a temperatura ambiente, se dejaron reposar durante 2 min antes de filtrarlas con papel de filtro Whatman No. 42. Luego se determinó la concentración de fluoruro residual en los filtrados usando un ISE.

En este estudio, se utilizaron los modelos de Langmuir y Freundlich para interpretar los datos de adsorción37. El modelo de Freundlich generalmente describe un sistema heterogéneo basado en la suposición de que la sorción tiene lugar en varios sitios y, a medida que aumenta el número de adsorbatos, la energía de unión a la superficie disminuye exponencialmente, lo que implica una formación multicapa. El modelo se expresa mediante las Ecs. (4) y (5) 38.

donde \({\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}\) (mg/L) es la concentración de fluoruro en el equilibrio. \({\mathrm{q}}_{\mathrm{e}}\) (mg/g) es la cantidad de fluoruro adsorbido por unidad de masa de adsorbente. \({\mathrm{K}}_{\mathrm{F}}\) (mg/g) es el coeficiente de Freundlich que indica la capacidad de sorción del adsorbente. 1/n (sin unidades) es la constante, que significa heterogeneidad superficial o intensidad de adsorción con un valor que oscila entre 0,1 y 139. El modelo de Langmuir describe esencialmente un tipo de adsorción monocapa y se expresa mediante la ecuación. (6)40.

donde \({\mathrm{q}}_{\mathrm{e}}\) (mg/g) es la cantidad de fluoruro adsorbido por unidad de masa de adsorbente. \({\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}\) (mg/L) es la concentración de fluoruro en el equilibrio. \({\mathrm{q}}_{\mathrm{max}}\) (mg/g) es la capacidad máxima de adsorción de una monocapa. \({\mathrm{K}}_{\mathrm{L}}\) es la constante de Langmuir que representa la afinidad del adsorbente hacia el adsorbato.

El valor del factor de separación (RL) expresado por la Ec. (7) indica la idoneidad del modelo de Langmuir para ajustar los datos:

El valor de RL indica si la isoterma es favorable (0 < RL < 1), desfavorable (RL > 1), lineal (RL = 1) o irreversible (RL = 0).

Se utilizaron modelos cinéticos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden para investigar la tasa y el mecanismo de desfluoración39. El pseudo-primer orden es ideal para procesos de sorción simples en los que la saturación ocurre en 20-30 min41 y se expresa mediante la ecuación. (8) 42,43.

Integrando y linealizando la ecuación. (8) produce las ecuaciones. (9) o (10)44.

donde \({\mathrm{q}}_{\mathrm{t}}\) y \({\mathrm{q}}_{\mathrm{e}}\) son concentraciones de fluoruro (mg/g) a una el tiempo (t) y el equilibrio, respectivamente, y \({\mathrm{K}}_{1}\) (min−1) denota la constante de velocidad. Trazar \(\mathrm{log }\left({q}_{e }-{q}_{t}\right)\) frente al tiempo produce una línea recta y los valores para \({\mathrm{q}} _ {\mathrm{e}}\) y \({\mathrm{K}}_{1}\) se determinan a partir de la intersección y la pendiente, respectivamente43.

Se utilizaron muestras de agua de pozo recolectadas de Tiaty en el condado de Baringo, Kenia, para evaluar la eficiencia de los FCSP en la desfluoración. Aparte de la filtración con papel de filtro Whatman No. 42, las muestras se utilizaron sin ningún otro tratamiento. Se determinaron los niveles iniciales de fluoruro, luego se realizó la desfluoración utilizando la dosis de sorbente óptima (1 g) y el tiempo de contacto (45 min). Luego se determinaron los niveles de fluoruro residual.

Se realizó un experimento de desorción por lotes según Rafigue y colegas con una ligera modificación para evaluar la capacidad de los adsorbentes para regenerarse y reciclarse13. Se realizaron cinco ciclos consecutivos de experimentos de adsorción-desorción utilizando NaOH 0,1 M como agente desorbente. El sorbente gastado se empapó en NaOH durante 2 h, se lavó con agua desionizada hasta que el pH del agua lavada fue de 7 y luego se secó en un horno a 90 °C durante 4 h. Se utilizó una solución de fluoruro de 20 mg/L de concentración inicial con dosis óptima de absorbente (1 g) y tiempo de contacto (45 min).

De un promedio de 9,978 g de piedra pómez utilizada, se recuperaron 5,296 g de partículas de sílice (SP). De acuerdo con la Ec. (1). Esto implica que la extracción de partículas de sílice a partir de piedra pómez mediante lixiviación alcalina es viable. Investigaciones anteriores han revelado un resultado similar29.

La Tabla 1 muestra los componentes químicos de la piedra pómez, las partículas de sílice (SP) y las partículas de sílice recubiertas de Fe (FCSP) derivadas del análisis XRF. Los principales componentes son SiO2 (61,41%), Al2O3 (12,07%) y Fe2O3 (11,06%).

De manera similar, en investigaciones anteriores, se informó que el SiO2 es el componente más abundante de la piedra pómez, con un 61,6 %27 y un 63,4 %26. Como se demuestra en la Tabla 1, los SP aislados contenían exclusivamente SiO2. La ausencia de otros óxidos previamente presentes en la piedra pómez sin tratar, junto con el alto contenido de sílice del 96,71 %, implica que se extrajeron SP relativamente puros. Los contenidos de SiO2 y Fe2O3 en FCSP fueron 93,67% y 2,93%, respectivamente. La reducción de SiO2 del 96,71 % (SP) al 93,67 % (FCSP) con la adición de Fe2O3, que no estaba presente en los SP puros, revela que el recubrimiento de hierro de los SP fue efectivo.

Se utilizó un difractómetro de rayos X para identificar los minerales presentes en la piedra pómez, las SP y las FCSP. Según los difractogramas de la Fig. 1, la piedra pómez comprende minerales en fase cristalina, principalmente anortoclasa, feldespato y cuarzo45.

Difractogramas de rayos X de (a) roca pómez, (b) partículas de sílice y (c) partículas de sílice recubiertas de Fe.

Las partículas de sílice extraídas exhibieron un solo pico amplio de 2θ de 15° a 30°, centrado en 2θ de 22°, que es una característica distintiva de la sílice amorfa46. La ausencia de picos cristalinos observados previamente en piedra pómez confirma que las SP aisladas eran predominantemente amorfas31. Las partículas de sílice recubiertas con Fe eran igualmente amorfas.

Los grupos funcionales presentes en la piedra pómez, los SP y los FCSP se representan en la Fig. 2.

Espectro FTIR de piedra pómez (a), partículas de sílice (b) y partículas de sílice recubiertas de Fe (c).

La vibración de estiramiento del enlace O–H del grupo silanol (Si–OH) es responsable del amplio pico detectado entre 3000 y 3700 cm−1 y centrado en 3352 cm−132,33. Una banda fuerte en 1048 cm-1 corresponde al estiramiento asimétrico del enlace Si-O, mientras que las bandas en 454 y 789 cm-1 se relacionan con la flexión y las vibraciones asimétricas del enlace Si-O en el grupo siloxano, respectivamente47. Las bandas en 2985, 1741 y 1375 cm−1 en la piedra pómez se atribuyen al estiramiento C–H, estiramiento C=O y curvatura C–H, respectivamente48.

Las micrografías SEM en la Fig. 3 demuestran que las partículas de sílice extraídas eran esféricas y se aglomeraban juntas para formar grupos. Esto denota sílice amorfa y es consistente con los datos XRD (Fig. 1). Se hizo un hallazgo similar cuando se extrajeron partículas de sílice de piedra pómez29.

Micrografías SEM para partículas de sílice a diferentes aumentos (izquierda × 110 y derecha × 1500).

Se investigó el efecto del pH en la eliminación de fluoruro del agua por parte de los FCSP y los resultados se muestran en la Fig. 4.

Efecto del pH sobre la capacidad de adsorción de los FCSP (concentración inicial de fluoruro = 20 mg/L, dosis de sorbente = 1,5 g y tiempo de contacto = 90 min).

Como se ilustra en la Fig. 4, la sorción de fluoruro aumentó del 41,6 % a pH 2 a un valor óptimo del 83,4 % a pH 6, y luego disminuyó a medida que el pH aumentaba aún más. El pH de la solución es un parámetro importante en el proceso de adsorción ya que regula la carga superficial del adsorbente y el grado de ionización del adsorbato49. La capacidad de sorción reducida a pH bajo podría deberse a la generación de ácido fluorhídrico de ionización débil, que disminuye la disponibilidad de iones de fluoruro libres para interacciones electrostáticas con Fe3+ en la superficie del sorbente7,49. Las disminuciones en la capacidad de sorción de 83,4 a 19,6% con aumentos de pH de 6 a 10 pueden atribuirse a la competencia por el sitio activo en el adsorbente entre los iones OH- y F- debido a sus cargas y tamaños iónicos similares24. Además, la disminución de la capacidad de sorción a pH alcalino puede deberse a la repulsión electrostática de los iones de fluoruro con la superficie adsorbente cargada negativamente9.

Se investigó el efecto de la dosis de sorbente sobre la desfluoración variando la dosis de sorbente de 0,2 a 2,5 g al pH óptimo de 6. La figura 5 muestra los resultados.

Efecto de la dosis de sorbente sobre la capacidad de adsorción de los FCSP (concentración inicial de fluoruro = 20 mg/L, pH = 6 y tiempo de contacto = 90 min).

Los resultados muestran que el aumento de la dosis de sorbente de 0,2 a 1,0 g aumenta la eliminación de fluoruro de 56,4 a 85,8%. Según Nehra y colaboradores, lo más probable es que esto se deba a la disponibilidad de un mayor número de sitios de sorción activos desocupados y a la existencia de más áreas de superficie para la sorción50. Sin embargo, el aumento de la dosis de sorbente de 1,0 a 2,5 g no tiene un efecto perceptible sobre la capacidad de sorción, presumiblemente debido a la aglomeración o superposición del sorbente, lo que reduce la disponibilidad de sitios de sorción activos a dosis más altas de sorbente51. En estudios anteriores, la mayoría de los adsorbentes mostraron una tendencia similar14,52.

El efecto del tiempo de contacto sobre la eliminación de fluoruro se estudió variando el tiempo de contacto de 5 a 90 min utilizando un pH óptimo (6) y una dosis de sorbente (1 g). La Figura 6 representa los resultados.

Efecto del tiempo de contacto sobre la capacidad de adsorción de los FCSP (concentración inicial de fluoruro = 20 mg/L, pH = 6 y dosis de sorbente = 1 g).

La sorción de fluoruro aumentó rápidamente al principio, de 49,2 a 84,5% a los 5 y 45 min (Fig. 6). La presencia de un mayor número de sitios activos vacantes y un gradiente de concentración de fluoruro pueden ser responsables de la alta tasa inicial de sorción de fluoruro49. Después de 45 min, hubo cambios insignificantes en la absorción de fluoruro, presumiblemente debido a una disminución en el número de sitios activos y la concentración de fluoruro14.

El efecto de la concentración inicial de fluoruro en la eliminación de fluoruro se investigó a temperatura ambiente variando la concentración inicial de fluoruro de 2 a 60 mg/L mientras se utilizaba el pH óptimo (6), la dosis de sorbente (1 g) y el tiempo de contacto (45 min). La figura 7 muestra los resultados.

Efecto de la concentración inicial de fluoruro en la capacidad de sorción de los FCSP (concentración inicial de fluoruro = 20 mg/L, pH = 6 y tiempo de contacto = 45 min).

La absorción de fluoruro es mayor cuando la concentración inicial de fluoruro es menor que cuando la concentración inicial de fluoruro es mayor (Fig. 7). Esto significa que la capacidad del adsorbente disminuye a medida que aumentan las concentraciones iniciales de fluoruro. Esto podría atribuirse a la saturación del sitio activo del sorbente como resultado de una mayor proporción de fluoruro a sitio activo del sorbente53. Investigaciones anteriores también han demostrado que a medida que aumenta la concentración inicial de fluoruro, la capacidad de eliminación de fluoruro del sorbente disminuye41,54,55.

Se utilizaron los modelos de Freundlich y Langmuir para interpretar los datos del experimento de adsorción. Los gráficos se presentan en las Figs. 8 y 9, respectivamente.

Diagrama de isoterma de adsorción de Freundlich.

Diagrama de isoterma de adsorción de Langmuir.

La Tabla 2 muestra que los datos experimentales se ajustan mejor al modelo de isoterma de Freundlich (R2 = 0,989) que a la isoterma de Langmuir (R2 = 0,941). Los valores de 1/n (0,419) entre 0,1 y 1,0 y n (2,384) entre 1 y 10 confirmaron la alta fuerza de unión entre el adsorbato y el adsorbente, así como la naturaleza heterogénea de la superficie del adsorbente. Además, el valor bajo de 1/n indica la heterogeneidad de la superficie adsorbente13. El pequeño valor de la constante de Langmuir (KL), 0,277 L/mg, implica un bajo calor de adsorción56. El valor de RL de 0,15 (Cuadro 2), que está entre 0 y 1, indica condiciones experimentales favorables para la sorción. Según el modelo de Langmuir, qmax es 8,913 mg/g (Tabla 2).

La velocidad y el mecanismo de desfluoración se evaluaron utilizando modelos cinéticos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden. Los gráficos se presentan en las Figs. 10 y 11, respectivamente.

Gráfica de cinética de pseudo-primer orden.

Gráfica de cinética de pseudo-segundo orden.

Los gráficos de regresión lineal muestran que los datos experimentales se ajustan mejor al modelo de pseudo segundo orden, que tiene un coeficiente de correlación más alto de R2 = 0,992 (Tabla 3), que el modelo de pseudo primer orden (R2 = 0,988).

El ajuste de estos datos a un modelo de pseudo segundo orden muestra que la adsorción se produce a través de la quimisorción provocada por atracciones electrostáticas o, más probablemente, por procesos de intercambio iónico54,57. Estos hallazgos son consistentes con la mayoría de los estudios previos sobre la eliminación de fluoruro usando varios adsorbentes, como se muestra en la Tabla 4.

Se utilizaron muestras de agua recolectadas del condado de Tiaty Baringo en Kenia para examinar la eficacia de los FCSP en la desfluoración; los hallazgos se muestran en la Fig. 12.

Comparación de los niveles de fluoruro en agua subterránea cruda y tratada.

Los FCSP absorben una cantidad razonable de fluoruro del agua, hasta el criterio de la OMS de 1,5 mg/L61. Sin embargo, el porcentaje de eliminación de fluoruro fue inferior al que se pudo obtener con la solución modelo, lo que se atribuye a la competencia por los sitios activos del sorbente con otros aniones potenciales que se encuentran comúnmente en las aguas subterráneas, como PO43-, Cl-, SO42- y NO3-.

Se realizaron cinco ciclos de adsorción-desorción para evaluar la capacidad del adsorbente para regenerarse y reutilizarse. La eficiencia de adsorción disminuyó con el número de ciclos, pero no significativamente (Fig. 13). Esto implica que el adsorbente se puede reciclar varias veces sin perder su eficiencia, lo cual es un factor importante a considerar al elegir un adsorbente.

Regeneración de partículas de sílice funcionalizadas con hierro.

En este trabajo, se aislaron partículas de sílice amorfa de roca pómez, se recubrieron con hierro y luego se utilizaron para evaluar la eliminación de fluoruro en el agua. Los componentes principales de la piedra pómez fueron SiO2 (61,41 %), Al2O3 (12,07 %) y Fe2O3 (11,06 %). Las partículas de sílice extraídas (SP) eran puras y amorfas en un 96,71 %, mientras que las partículas de sílice recubiertas de hierro (FCSP) contenían un 93,67 % de SiO2 y un 2,93 % de Fe2O3. El pH, la dosis de sorbente y el tiempo de contacto óptimos para la desfluoración de una solución inicial de fluoruro de 20 mg/L fueron 6, 1 gy 45 min, respectivamente. La absorción de fluoruro se ajustaba al modelo de isoterma de Freundlich, lo que indicaba una absorción de fluoruro multicapa en una superficie heterogénea, mientras que la desfluoración seguía una cinética de pseudosegundo orden, lo que implicaba una quimisorción. Los niveles de fluoruro en el agua de pozo se redujeron drásticamente; Intex 4,57 a 1,13, Kadokoi 2,46 a 0,54 y Naudo 5,39 a 1,2 mg/L. Además, los estudios de regeneración demostraron que los FCSP se pueden reciclar hasta cinco veces sin perder eficiencia significativamente. Como resultado, el sorbente a base de sílice desarrollado a partir de piedra pómez fácilmente disponible es apropiado para eliminar el fluoruro del agua. Se recomienda realizar más investigaciones sobre los efectos de aniones competitivos como PO43-, Cl-, SO42- y NO3- en la eficiencia de la eliminación de fluoruro utilizando FCSP.

Los datos que sustentan los hallazgos de este trabajo son accesibles previa solicitud al autor de correspondencia.

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Descargar referencias

Los autores agradecen al Departamento de Química de la Universidad de Agricultura y Tecnología Jomo Kenyatta (JKUAT) por permitirles realizar su investigación en su laboratorio.

Departamento de Química, Escuela de Matemáticas y Ciencias Físicas, Universidad de Agricultura y Tecnología Jomo Kenyatta, PO Box 62000-00200, Nairobi, Kenia

Paul Kiprono, Jackson Kiptoo, Eunice Nyawade y Elijah Ngumba

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PK: Metodología, investigación y redacción del borrador original. Dr. JK: Conceptualización, análisis de datos, revisión y edición. Dr. ES: Conceptualización, análisis de datos, revisión y edición. Dr. ES: Conceptualización, análisis de datos, revisión y edición.

Correspondencia a Paul Kiprono.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kiprono, P., Kiptoo, J., Nyawade, E. et al. Partículas de sílice funcionalizadas con hierro como un ingenioso sorbente para la eliminación de fluoruro del agua. Informe científico 13, 8018 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34357-8

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Recibido: 10 diciembre 2022

Aceptado: 28 de abril de 2023

Publicado: 17 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34357-8

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