Removal of fluoride ions from aqueous medium by adsorption on activated carbon

• Autorzy: Gąsior D.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2017.2.4

Warianty tytułu

PL

Usuwanie jonów fluorkowych ze środowiska wodnego w procesie adsorpcji na węglach aktywnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Environmental pollution with fluoride ions has been observed to increase with the growth of industrial activity of man and with the expansion of fluorine compounds in agriculture and dental prophylaxis. Hazards involved in the excess of fluorine, especially in the aquatic environment, is generated also in the processes of leaching and erosion of fluorine compounds from minerals which occur naturally in the soil. In a growing number of areas of Poland, especially in groundwater, the highest permissible concentrations of fluoride ions are exceeded; this is especially hazardous because of their high toxicity. The use of activated carbons in the adsorption of fluorides from aqueous solutions was described in many reports of studies on the elimination of such pollutants. Some of the physical and chemical properties of activated carbons are especially desirable in adsorption processes; they include: a well-developed specific surface, high mechanical strength and chemical resistance, ion exchange properties, susceptibility to surface modification enabling improvement of the materials in terms of selectivity to the specific pollutant. The objective of this paper was to investigate the statics and kinetics of fluoride adsorption on the commercially available activated carbons F-100 and WG-12. The study included the surface characterization of the activated carbons tested. The impact of the parameters of the activated carbons tested as well as process parameters (such as the porous structure of carbon, chemical structure of the surface, pH of the adsorption process, initial concentration of the pollutant) on the efficiency of the fluoride removal from aqueous solutions was also investigated. The fluoride content in samples of model solutions was analyzed by the potentiometric method using a fluoride ion selective electrode. The adsorption kinetics was conformable with the pseudo-second order model. The process equilibrium was reached after 1 h and 2 h for F-100 and WG-12, respectively. It was found that adsorption efficiencies for both activated carbons are strongly related to the pH of the model solution, as well as to the initial concentration of the fluorides in the model solution. Ion exchange, which strongly depends on the pH of the model solution, was one of the mechanisms controlling the course of the adsorption process. Fluoride adsorption on activated carbons was described using Freundlich isotherms. High correlation coefficients (> 0.96) were obtained for the isotherms, which seems to indicate that the course of the process was conformable with the Freundlich model assumptions.

PL

Zanieczyszczenie środowiska jonami fluorkowymi wzrasta wraz z rozwojem przemysłowej działalności człowieka i coraz powszechniejszym stosowaniem związków fluoru w rolnictwie oraz profilaktyce stomatologicznej. Zagrożenie wynikające ze zbyt dużych zawartości fluoru, zwłaszcza w środowisku wodnym, ma swoje źródło również w procesach wypłukiwania i wymywania związków fluoru z naturalnie występujących w glebie minerałów. W Polsce odnotowuje się coraz więcej obszarów, gdzie, głównie w wodach podziemnych, występują lokalne przekroczenia najwyższych dopuszczalnych stężeń jonów fluorkowych, co jest szczególnie niebezpieczne z uwagi na ich wysoką toksyczność. Zastosowanie węgli aktywnych w procesach adsorpcji fluorków z roztworów wodnych jest obiektem wielu prac badawczych dotyczących sposobów usuwania tych zanieczyszczeń. Węgle aktywne przejawiają korzystne właściwości fizykochemiczne istotne w procesach adsorpcyjnych, takie jak rozwinięta powierzchnia właściwa, wysoka wytrzymałość mechaniczna i chemiczna, właściwości jonowymienne, podatność na modyfikację powierzchni umożliwiającą uzyskanie większej selektywności tych materiałów względem określonego rodzaju usuwanego zanieczyszczenia. Celem pracy jest zbadanie statyki i kinetyki procesu adsorpcji fluorków na komercyjnie dostępnych węglach aktywnych F-100 i WG-12. W toku przeprowadzonych badań dokonano również charakterystyki powierzchni analizowanych węgli aktywnych. Oceniono wpływ parametrów badanych węgli aktywnych i parametrów procesowych (takich jak struktura porowata węgla, chemiczna budowa powierzchni, pH procesu adsorpcji, stężenie początkowe substancji zanieczyszczającej) na skuteczność usuwania fluorków z roztworów wodnych. Zawartość fluorków w próbkach roztworów modelowych analizowano metodą potencjometryczną z użyciem jonoselektywnej elektrody fluorkowej. Kinetyka adsorpcji przebiegała zgodnie z modelem pseudodrugiego rzędu, a równowaga procesu ustaliła się po czasie 1 h w przypadku węgla F-100 oraz 2 h dla węgla WG-12. Stwierdzono, iż skuteczności adsorpcji obu węgli są silnie związane z wartością pH roztworu, z którego zachodził proces, jak również ze stężeniem początkowym fluorków w roztworze modelowym. Jednym z mechanizmów regulujących przebieg procesu adsorpcji był mechanizm wymiany jonowej, silnie uzależniony od odczynu roztworu modelowego. Adsorpcja fluorków na węglach aktywnych została opisana za pomocą izoterm Freundlicha. Opierając się na uzyskanych wysokich współczynnikach korelacji wykreślonych izoterm (> 0,96), można przypuszczać, iż proces przebiegał zgodnie z założeniami modelu Freundlicha.

Słowa kluczowe

EN

adsorption; fluoride ions; water purification; activated carbons

PL

adsorpcja; jony fluorkowe; oczyszczanie wody; węgle aktywne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 20, nr 2
• Strony: 185--197
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., wykr.

Twórcy

autor

Gąsior D.

• Opole University of Technology, Department of Environmental Engineering, ul. S. Mikołajczyka 5, 45-271 Opole

Bibliografia

• [1] Błaszczyk I., Ratajczak-Kubiak E., Birkner E., Korzystne i szkodliwe działanie fluoru, Farm. Pol. 2009, 65, 9, 623-626.
• [2] Meler J., Meler G., Fluoryzacja wody pitnej - wady i zalety, J. Elementol. 2006, 11, 3, 379-387.
• [3] Stogiera A. Buczkowska-Radlińska J., Antropogeniczne źródła fluoru - wpływ na otaczające środowisko i stan zdrowia człowieka - przegląd piśmiennictwa, Dent. Forum 2014, 2, 57-62.
• [4] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, Dz.U. 2015, nr 0, poz. 1989, załącznik nr 2.
• [5] World Health Organization: Fluorine and fluorides, environmental health criteria, Geneva, Switzerland, 1984.
• [6] World Health Organization: International Standards for Drinking Water, Geneva 2008.
• [7] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 19 stycznia 2016 r. w sprawie kryteriów i sposobu oceny stanu wód podziemnych, Dz.U. 2016, nr 0, poz. 85.
• [8] Kundu N., Panigrahi M.K., Tripathy S., Munshi S., Powell M.A., Hart B.R., Geochemical appraisal of fluoride contamination of groundwater in the Nayagarh District of Orissa, India, Environ. Geol. 2001, 41, 451-460.
• [9] Paoloni J.D., Fiorentino C.E., Sequeira M.E., Fluoride contamination of aquifers in the southeast subhumid pampa, Argentina, Environ. Toxicol. 2003, 18, 5, 317-320.
• [10] Liu H., Guo H., Yang L., Wu L., Li F., Li S., Ni P., Liang X., Occurrence and formation of high fluoride groundwater in the Hengshui area of the North China Plain, Environ. Earth Sci. 2015, 74, 2329-2340.
• [11] Farooqi A., Masuda H., Siddiqui R., Naseem M., Sources of arsenic and fluoride in highly contaminated soils causing groundwater contamination in Punjab, Pakistan, Arch. Environ. Con. Tox. 2009, 56, 693-706.
• [12] Apambire W.B., Boyle D.R., Michel F.A., Geochemistry, genesis, and health implications of fluoriferous groundwaters in the upper regions of Ghana, Environ. Geol. 1997, 33, 1, 13-24.
• [13] Mourad N.M., Sharshar T., Elnimr T., Mousa M.A., Radioactivity and fluoride contamination derived from a phosphate fertilizer plant in Egypt, Appl. Radiat. Isotopes 2009, 67, 1259-1268.
• [14] CGWB, Groundwater Quality in Shallow Aquifers of India, Faridabad, 2010, 9, http://www.ctara.iitb.ac.in/tdsc/tdsc_references/waterquality/gw_quality_in_shallow_aquifers. pdf [18.06.2017].
• [15] Jacks G., Bhattacharya P., Chaudhary V., Singh K.P., Controls on the genesis of some highfluoride groundwaters in India, Appl. Geochem. 2005, 20, 2, 221-228.
• [16] Brindha K., Rajesh R., Murugan R., Elango L., Fluoride contamination in groundwater in parts of Nalgonda District, Andhra Pradesh, India, Environ. Monit. Assess. 2011, 172, 481-492.
• [17] Kozerski B., Macioszczyk A., Pazdro A., Sadurski A., Fluor w wodach podziemnych w rejonie Gdańska, Ann. Soc. Geol. Polon. 1987, 57, 349-374.
• [18] Polkowska Ż., Diduch M., Namieśnik J., Oznaczanie stężeń jonów fluorkowych w próbkach wody pitnej z terenu miasta Malborka, Chem. Inż. Ekol. 2010, 17, 3, 393-417.
• [19] Monitoring diagnostyczny stanu chemicznego wód podziemnych w województwie opolskim w 2006 roku, Opole, 2006, http://www.opole.pios.gov.pl/wms/Pliki/2006/Monit_diagn_podz_ 2006.pdf [11.03.2017].
• [20] Majewska-Nowak K., Grzegorzek M., Skuteczność usuwania fluorków z roztworów wodnych metodami konwencjonalnymi i technikami membranowymi, Ochr. Środ. 2016, 38, 1, 29-37.
• [21] Chowdhury C.R., Shahnawaz K., Kumari D., Chowdhury A., Bedi R., Lynch E., Harding S., Grootveld M., Spatial distribution mapping of drinking water fluoride levels in Karnataka, India: Fluoride-related health effects, Perspect. Public Heal. 2016, 136, 6, 353-360.
• [22] Drobnik, M., Latour, T., Sziwa, D., The assessment of health exposure resulted from barium, boron, and fluoride intake from therapeutic waters available for resident people in water abstraction points of health resorts, Rocz. Państw. Zakł. Hig. 2010, 6, 4, 373-378.
• [23] Grzegorzek M., Metody usuwania jonów fluorkowych ze środowiska wodnego, Materiały konferencyjne VII Konferencji Doktorantów i Młodych Pracowników Nauki: Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska Eko-Dok 2015, Boguszów-Gorce 2015, 125-135.
• [24] Bansal R.Ch., Goyal M., Adsorpcja na węglu aktywnym, WNT, Warszawa 2009.
• [25] Nigussie W., Zewge F., Chandravanshi B.S., Removal of excess fluoride from water using waste residue from alum manufacturing proces, J. Hazard. Mater. 2007, 147, 954-963.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).