PHREEQC表面錯体形成モデルを用いたミョウバン修飾アルミナによる地下水からのフッ素吸着の理解

ブログ

ホームページホームページ / ブログ / PHREEQC表面錯体形成モデルを用いたミョウバン修飾アルミナによる地下水からのフッ素吸着の理解

Jun 15, 2024

PHREEQC表面錯体形成モデルを用いたミョウバン修飾アルミナによる地下水からのフッ素吸着の理解

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12307 (2023) この記事を引用 329 アクセス メトリクスの詳細 フッ素は、重要な役割を果たしているため、人間と動物の成長に不可欠なイオンとして認識されています。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12307 (2023) この記事を引用

329 アクセス

メトリクスの詳細

フッ化物は骨格や歯の問題の予防に重要な役割を果たしているため、人間や動物の成長に不可欠なイオンとして認識されています。 しかし、高濃度で摂取すると歯や骨の脱灰を引き起こし、フッ素症を引き起こす可能性があるため、フッ素の治療には吸着力が高く、費用対効果の高い材料の製造が必要です。 この研究では、アルミニウム箔が酸化されてアルミナナノ粒子になります。 調製したままのアルミナを、1:0.5 および 1:1 (アルミナ対ミョウバン w/w%) の 2 つの異なる比率でミョウバンで修飾し、その後、地下水からフッ化物を除去するための吸着剤として使用しました。 吸着剤は、フーリエ変換赤外分光法、電荷ゼロ点、および X 線回折によって特性評価されました。 pH、初期濃度、接触時間、吸着剤の投与量など、フッ化物の除去効率に影響を与えるさまざまな要因が研究され、模擬フッ化物溶液を使用して最適化されました。 得られた最適条件は、実際の地下水のテストに使用されました。 静的実験条件は、PHREEQC 地球化学モデルを校正するために使用され、その後、このモデルは、さまざまな条件での改質アルミナへのフッ化物の吸着をシミュレートするために使用されました。 PHREEQC は、シミュレーションが実験室実験の結果を正確に反映する方法で、フッ化物種と吸着剤の間の表面反応の平衡定数を決定するパラメーター推定ソフトウェアとも組み合わせられました。 吸着剤について等温線研究を実施した。 ラングミュアとフロインドリッヒの非線形モデルはどちらも平衡データによく適合しました。 ただし、回帰係数が高く、カイ二乗検定値が低いため、吸着プロセスは単層表面での化学吸着の傾向が強くなります。 擬似一次モデルおよび擬似二次モデルからの非線形方程式を使用して、速度論的研究も実行されました。 擬似 2 次モデルは平衡データによく適合しました。 フッ化物イオンの吸着機構は粒子内 (IP) 拡散モデルによっても研究され、IP は律速因子ではないことが判明したため、収着プロセスの最も妥当な機構はイオン交換またはフッ化物イオンの吸着であることがわかりました。吸着剤の表面。 この研究から得られた知見は、容易に入手可能なアルミニウム廃棄物を価値化して有用な製品に変え、地下水を含む水サンプルからフッ化物を除去するのに使用できる可能性があることを示している。水サンプルにはフッ化物が多量に含まれており、一般大衆の健康に危険を及ぼす可能性がある。 。

フッ化物は骨格や歯の問題の予防に重要な役割を果たしているため、人間や動物の成長に不可欠な元素として認識されています。 しかし、高濃度で摂取すると歯や骨の脱灰を引き起こし、フッ素症を引き起こす可能性があります1。 フッ化物は、硝酸塩やヒ素に加えて、曝露によって広範な健康上の問題を引き起こす重要なイオンの 1 つです。 世界保健機関 2 およびガーナ標準局 3 が推奨する飲料水の最大許容濃度は 1.5 mg/L です。

開発途上国では、適切な水処理施設が不足しているため、高濃度のフッ化物を含む飲料水の摂取に起因する健康問題が増加しています4。 フッ化物の天然源は、それらの地域で現れるさまざまな種類の岩石や火山活動と相互に関連しています。 岩石の風化、流域や帯水層の鉱物学などの他の要因も、特定のコミュニティ内でのフッ化物濃度の高さの原因となります5。 これらの地域に住むほとんどの人々は、給水を地下水に依存しています。

The PHREEQC geochemical modelling code version 3.7.3–15,968 (2021)." href="/articles/s41598-023-38564-1#ref-CR26" id="ref-link-section-d67686656e1091"26 was used to model and simulate the adsorption of fluoride onto the modified alumina at various conditions. PHREEQC can be used to determine the concentration of adsorbate in an aqueous solution, uptake, and percent removal of an adsorbent. When all the necessary information is included in the input script, the interaction of the adsorbate and the adsorbent can be precisely determined. The input script used in the simulation is given in Table 1. The “Alum_al” denotes the AlOH functional group on the modified alumina. PHREEQC also allows the user to specify other parameters such as the number of moles surface sites (mol), specific surface area (m2/g), and dosage (g) of the adsorbent. These three parameters are necessary for defining the properties of the adsorbent. Other parameters such as temperature, feed water quality, the volume of feed, etc. are used to define the solution used in the simulation. All conditions used in the static adsorption process were used to calibrate the model. The built-in WATEQ4F database was chosen because it has all the relevant analytes and the laboratory settings that serve as a good representation of field parameters./p> 1 it shows that the adsorption process is unfavourable; 0 < 1/n < 1 means favourable adsorption process. 1/n = 0 and 1/n = 1 mean irreversible and linear adsorption processes respectively. The 1/n values are used to envisage the shape of the isotherms30. A better fit of adsorption equilibrium data to this model indicates that the sorption of the adsorbates involving multilayer adsorption on the surface of the sorbent is heterogeneous./p> pHpzc)./p>

Fluoride aqueous speciation was calculated for a solution with a total fluoride of 5 mg/L. The speciation was computed by using PHREEQC interactive geochemical modelling code version 3.7.3–15,968 (2021)." href="/articles/s41598-023-38564-1#ref-CR26" id="ref-link-section-d67686656e1796"26 with WATEQ4F thermodynamic database./p> 5./p> A3 (9.8 mg/g) > A1 (5.75 mg/g). On the contrary, a different pattern was observed in the fluoride percentage removal from an initial concentration of 1 mg/L to 30 mg/L. This is true because, at higher concentrations, the active sites on the adsorbents become saturated owing to the existence of more adsorbates than the adsorption capacity of the adsorbents. The higher ratio of the adsorbates at constant adsorbent dosage over the readily available active sites with increasing initial adsorbate concentrations saturate the surfaces which reduces the sorption capacity hence the reduction in percent removal40. At low adsorbate concentrations, there are more readily available active sites on the adsorbent than the adsorbate and hence most of the adsorbates interact with these active sites during the sorption process. The percent removal increases until equilibrium is reached. Shimelis et al.41, Gomoro et al.42 and Wambu et al.43 reported a similar trend in their adsorption experiment, pointing out that as the initial concentrations of the adsorbate were increased, the percentage removal of fluoride by the adsorbent decreased./p> pHpzc, the surface of the sorbent became negatively charged and was characterized by the presence of OH- ions. Beyond the pHpzc of the sorbents, the adsorptive capacity decreased because of the electrostatic repulsion between the F- ions and the OH- ion. The formation of HF, which reduced the coulombic attraction between fluoride and the adsorbent surface, is thought to be responsible for the low fluoride removal capacity at acidic pH as shown in Fig. 4. Tabi et al.45 studied the removal of fluoride from simulated water using zeolite modified with alum and obtained a maximum percent removal of about 98 at a pH of 6. In a defluoridation process by Zhao et al.46 using Fe3O4@Al (OH)3 magnetic nanoparticles, maximum adsorption of fluoride was achieved in a pH range of 5 to 7./p>

(2021)./p>