Частицы кремнезема, функционализированные железом, как оригинальный сорбент для удаления фторида из воды

Apr 09, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8018 (2023) Цитировать эту статью

195 Доступов

Подробности о метриках

Нехватка безопасной питьевой воды остается глобальной проблемой. Фторид является загрязнителем, распространенным в грунтовых водах, который оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье. Чтобы решить эту проблему, мы разработали сорбент для дефторирования на основе кремнезема из пемзы, полученной из вулкана Пака в округе Баринго, Кения. Метод щелочного выщелачивания использовался для извлечения частиц кремнезема из пемзы, которые впоследствии были модифицированы железом для повышения их сродства к фториду. Для оценки его эффективности были использованы отобранные пробы скважинной воды. Для характеристики сорбента использовали сканирующую электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию, инфракрасную Фурье-преобразование и рентгенофлуоресцентную спектроскопию. Экстрагированные частицы кремнезема имели чистоту и аморфность 96,71%, тогда как частицы кремнезема, функционализированного железом, содержали 93,67% SiO2 и 2,93% Fe2O3. Оптимальные pH, доза сорбента и время контакта для дефторирования исходного раствора фторида 20 мг/л составляли 6, 1 г и 45 мин соответственно. Дефторирование следовало кинетике псевдовторого порядка и соответствовало изотерме Фрейндлиха. Уровень фтора в скважинной воде резко снизился; Intex 4,57–1,13, Kadokoi 2,46–0,54 и Naudo 5,39–1,2 мг/л, что указывает на то, что сорбент на основе кремнезема, разработанный из недорогой, распространенной и местной пемзы, эффективен для дефторирования.

Подземные воды являются наиболее доступным источником питьевой воды, однако они также являются наиболее загрязненными1,2. Фторид является одним из этих загрязнителей, хотя в небольших количествах он также необходим организму в качестве микроэлемента для развития зубов и костей3,4. Длительное воздействие высоких уровней фтора может вызвать флюороз зубов и скелета, а также нанести вред почкам, печени, мозгу и щитовидной железе5,6. Более 260 миллионов человек во всем мире подвергаются воздействию высоких уровней фтора через грунтовые воды в Рифт-Валли Восточной Африки, Азии, Европы и Америки7,8,9. Это связывают с геогеническими процессами, такими как вулканическая деятельность и выветривание минералов, богатых фтором10,11. Обогащению подземных вод фтором также способствуют стоки предприятий по производству удобрений, керамики, пестицидов, стекла, алюминия и производства хладагентов12,13,14. Сегодня Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила допустимый предел содержания фтора в питьевой воде на уровне 1,5 мг/л15, следовательно, процессы дефторирования, такие как ионный обмен, адсорбция, коагуляция, осаждение и обратный осмос, имеют решающее значение для поддержания уровня фторида в этом диапазоне12. ,16. Однако большинство этих методов дороги в обслуживании и эксплуатации. Еще одним ограничением является образование токсичного ила с помощью таких методов, как осаждение, коагуляция и мембранная фильтрация. Кроме того, такие методы, как обратный осмос и ионный обмен, сложны и дороги, что требует использования водных адсорбентов17,18. Адсорбция является наиболее предпочтительным методом очистки воды, поскольку он дешев, эффективен, не образует осадка, прост в эксплуатации и не требует электроэнергии или специальных навыков для работы. Кроме того, адсорбенты можно регенерировать и использовать повторно, что делает их лучшими на бытовом уровне и в небольших сообществах в менее развитых сельских районах19. Коммерческий активированный уголь, полученный из угля, является одним из наиболее эффективных адсорбентов для удаления фторидов из воды. Он имеет высокую удельную поверхность и высокую пористость, однако чрезвычайно дорог и имеет трудности с регенерацией17. Другие эффективные материалы включают бокситы20, костный уголь, оксиды металлов, полимерные материалы, биосорбенты21, сельскохозяйственные отходы6, морские материалы, летучую золу, углеродистые материалы22, наночастицы23 и геоматериалы24, все из которых имеют низкую стоимость и легко доступны, как в случае с кремнеземом. минерал (SiO2). Кремнезем является благоприятным материалом с отличительными характеристиками, удовлетворяющими практически всем критериям выбора идеальных адсорбентов для очистки воды, таким как химическая инертность, структурная и термическая стабильность, высокая удельная поверхность, нетоксичность, большой размер пор и наличие поверхностных функциональных группы (-Si-OH и -Si-O-Si-), которые легко модифицируются для повышения селективности по отношению к целевому загрязнителю25. Более того, он обилен и широко распространен в природе, особенно в вулканических породах, таких как пемза (60–70%)26,27. Он распространен в Кении вдоль системы Рифт-Валли в вулканических центрах, таких как кратеры Барьер, Намануру, Эмуруангоголак, Силали, Пака, Короси, Мененгай, Лонгонот и Сусва28. Морли и др. продемонстрировали, что можно изолировать экономически эффективные частицы кремнезема из пемзовой вулканической породы, используя протокол щелочной экстракции при низких температурах. Этот метод позволил получить наночастицы аморфного кремнезема чистотой 94% с высокой удельной площадью поверхности (422 м2г-1) и средним диаметром пор 5,5 нм, которые использовались в качестве материала носителя для катализа29. Как указывалось ранее, дефторирование осуществлялось с использованием различных методов и адсорбентов. Однако, основываясь на обзоре литературы, нам неизвестны какие-либо сообщения о кремнеземе, извлеченном из пемзы и затем модифицированном железом для удаления фторидов из воды. Поэтому в данном исследовании сорбент для дефторирования на основе кремнезема был приготовлен путем выделения частиц кремнезема из пемзы посредством щелочного выщелачивания, затем его поверхность была модифицирована Fe3+ (жесткая кислота) для повышения селективности по отношению к F- (жесткое основание), и использована для оценки удаления фторида из вода. Периодические эксперименты использовались для оценки кинетики и изотермы адсорбции фторида, а также влияния pH, времени контакта, дозировки и начальной концентрации фторида на удаление фторида. Затем эффективность адсорбента оценивали с использованием проб скважинной воды.