Partículas de sílica funcionalizadas com ferro como sorvente engenhoso para remoção de flúor da água

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8018 (2023) Citar este artigo

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A escassez de água potável continua sendo uma preocupação global. O flúor é um poluente predominante nas águas subterrâneas que tem efeitos adversos à saúde. Para resolver essa preocupação, desenvolvemos um sorvente de desfluoração à base de sílica de pedra-pomes obtida do vulcão Paka no condado de Baringo, no Quênia. A técnica de lixiviação alcalina foi usada para extrair partículas de sílica da pedra-pomes, que foram posteriormente modificadas com ferro para aumentar sua afinidade pelo flúor. Para avaliar sua eficácia, amostras selecionadas de água de poço foram usadas. Microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, infravermelho com transformada de Fourier e espectroscopia de fluorescência de raios X foram usados ​​para caracterizar o sorvente. As partículas de sílica extraídas eram 96,71% puras e amorfas, enquanto as partículas de sílica funcionalizadas com ferro continham 93,67% de SiO2 e 2,93% de Fe2O3. O pH ótimo, a dose de sorvente e o tempo de contato para desfluoração de uma solução inicial de flúor de 20 mg/L foram 6, 1 g e 45 min, respectivamente. A desfluoração seguiu a cinética de pseudo-segunda ordem e ajustou a isoterma de Freundlich. Os níveis de flúor na água do poço diminuíram drasticamente; Intex 4,57–1,13, Kadokoi 2,46–0,54 e Naudo 5,39–1,2 mg/L, indicando que o sorvente à base de sílica desenvolvido a partir de rocha-pomes de baixo custo, abundante e disponível localmente é eficiente para a desfluoração.

A água subterrânea é a fonte de água potável mais facilmente acessível, mas também é a mais poluída1,2. O flúor é um desses poluentes, embora em níveis baixos também seja essencial no organismo como oligoelemento para o desenvolvimento de dentes e ossos3,4. A exposição prolongada a altos níveis de flúor pode causar fluorose dentária e esquelética, bem como danos aos rins, fígado, cérebro e glândulas tireoides5,6. Mais de 260 milhões de pessoas em todo o mundo estão expostas a altos níveis de flúor através das águas subterrâneas no Vale do Rift, na África Oriental, na Ásia, na Europa e na América7,8,9. Isso foi atribuído a processos geogênicos, como atividades vulcânicas e intemperismo de minerais ricos em flúor10,11. O enriquecimento de flúor nas águas subterrâneas também é auxiliado por efluentes das indústrias de fertilizantes, cerâmica, pesticidas, vidro, alumínio e refrigerantes12,13,14. Hoje, a Organização Mundial da Saúde (OMS) estabeleceu o limite permitido de flúor na água potável em 1,5 mg/L15, portanto, os processos de desfluoração, como troca iônica, adsorção, coagulação, precipitação e osmose reversa, são cruciais para manter os níveis de flúor dentro dessa faixa12 ,16. No entanto, a maioria dessas técnicas é cara para manter e operar. Outra restrição é a produção de lodo tóxico por meio de métodos como precipitação, coagulação e filtração por membrana. Além disso, técnicas como osmose reversa e troca iônica são complicadas e caras, necessitando do uso de adsorventes de água17,18. A adsorção é a técnica de purificação de água mais preferida porque é barata, eficiente, não gera lodo, é simples de operar e não requer energia elétrica ou habilidades especializadas para operar. Além disso, os adsorventes podem ser regenerados e reutilizados, tornando-os melhores em nível doméstico e em pequenas comunidades em áreas rurais menos desenvolvidas19. O carvão ativado comercial derivado do carvão está entre os adsorventes mais eficazes para a remoção de flúor da água. Possui alta área superficial específica e é altamente poroso, porém é extremamente caro e apresenta dificuldades de regeneração17. Outros materiais eficazes incluem bauxita20, osso carbonizado, óxidos metálicos, materiais poliméricos, biossorventes21, resíduos agrícolas6, materiais marinhos, cinzas volantes, materiais carbonáceos22, nanopartículas23 e geomateriais24, todos de baixo custo e prontamente disponíveis, como é o caso da sílica minerais (SiO2). A sílica é um material auspicioso com características distintas que satisfazem quase todos os critérios de seleção para adsorventes de purificação de água ideais, como inércia química, estabilidade estrutural e térmica, alta área de superfície específica, não toxicidade, tamanho de poro grande e presença de superfície funcional grupos (–Si–OH e –Si–O–Si–) que são facilmente modificados para aumentar a seletividade em relação a um poluente alvo25. Além disso, é abundante e amplamente distribuído na natureza, principalmente em rochas vulcânicas como a pedra-pomes (60–70%)26,27. É abundante no Quênia ao longo do Rift Valley System em centros vulcânicos como as crateras Barrier, Namanuru, Emuruangogolak, Silali, Paka, Korosi, Menengai, Longonot e Suswa28. Mourly et ai. demonstrou que é viável isolar partículas de sílica de baixo custo de rocha vulcânica de pedra-pomes usando um protocolo de extração alcalina em baixas temperaturas. Esse método rendeu nanopartículas de sílica amorfa com 94% de pureza, com alta área superficial específica (422 m2g−1) e diâmetro médio de poro de 5,5 nm, que foi usada como material de suporte para catálise29. Como afirmado anteriormente, a desfluoração foi realizada usando uma variedade de técnicas e adsorventes. No entanto, com base na revisão da literatura, não temos conhecimento de nenhum relato de sílica extraída da pedra-pomes e depois modificada com ferro para remoção de flúor da água. Portanto, neste estudo, o sorvente de desfluoração à base de sílica foi preparado isolando as partículas de sílica da rocha-pomes por meio de lixiviação alcalina e, em seguida, sua superfície modificada com Fe3+ (ácido duro) para aumentar a seletividade para F− (base dura) e usado para avaliar a remoção de flúor de água. Experimentos em batelada foram usados ​​para avaliar a cinética e isoterma de adsorção de flúor, bem como os efeitos do pH, tempo de contato, dosagem e concentração inicial de flúor na remoção de flúor. A eficácia do adsorvente foi então avaliada usando amostras de água de poço.