Particelle di silice funzionalizzate con ferro come ingegnoso assorbente per la rimozione del fluoro dall'acqua

May 29, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8018 (2023) Citare questo articolo

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La scarsità di acqua potabile sicura rimane una preoccupazione globale. Il fluoro è un inquinante diffuso nelle acque sotterranee che ha effetti nocivi sulla salute. Per risolvere questo problema, abbiamo ideato un assorbente defluorizzante a base di silice dalla roccia pomice ottenuta dal vulcano Paka nella contea di Baringo, in Kenya. La tecnica della lisciviazione alcalina è stata utilizzata per estrarre particelle di silice dalla roccia pomice, che sono state successivamente modificate con ferro per migliorare la loro affinità per il fluoro. Per valutarne l'efficacia, sono stati utilizzati campioni selezionati di acqua di pozzo. Per caratterizzare il sorbente sono stati utilizzati il ​​microscopio elettronico a scansione, la diffrazione di raggi X, la spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier e la fluorescenza a raggi X. Le particelle di silice estratte erano pure e amorfe al 96,71%, mentre le particelle di silice funzionalizzate con ferro contenevano il 93,67% di SiO2 e il 2,93% di Fe2O3. Il pH ottimale, la dose di assorbente e il tempo di contatto per la defluorizzazione di una soluzione iniziale di fluoro da 20 mg/l erano rispettivamente 6, 1 g e 45 minuti. La defluorizzazione seguiva una cinetica di pseudo-secondo ordine e si adattava all'isoterma di Freundlich. I livelli di fluoro nell’acqua dei pozzi sono diminuiti drasticamente; Intex 4,57–1,13, Kadokoi 2,46–0,54 e Naudo 5,39–1,2 mg/L, indicando che l'assorbente a base di silice sviluppato da roccia pomice a basso costo, abbondante e disponibile localmente è efficiente per la defluorizzazione.

Le acque sotterranee sono la fonte di acqua potabile più facilmente accessibile, ma sono anche la più inquinata1,2. Il fluoro è uno di questi inquinanti, anche se a bassi livelli è anche essenziale nell'organismo come oligoelemento per lo sviluppo di denti e ossa3,4. L'esposizione prolungata a livelli elevati di fluoro può causare fluorosi dentale e scheletrica, nonché danni ai reni, al fegato, al cervello e alle ghiandole tiroidee5,6. Oltre 260 milioni di persone in tutto il mondo sono esposte a livelli elevati di fluoro attraverso le acque sotterranee nella Rift Valley dell'Africa orientale, in Asia, Europa e America7,8,9. Ciò è stato attribuito a processi geogenici come attività vulcaniche e alterazione dei minerali ricchi di fluoro10,11. L'arricchimento di fluoro nelle acque sotterranee è favorito anche dagli effluenti delle industrie dei fertilizzanti, della ceramica, dei pesticidi, del vetro, dell'alluminio e dei refrigeranti12,13,14. Oggi, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha stabilito il limite consentito di fluoro nell’acqua potabile a 1,5 mg/L15, quindi i processi di defluorizzazione come lo scambio ionico, l’adsorbimento, la coagulazione, la precipitazione e l’osmosi inversa sono cruciali per mantenere i livelli di fluoro entro questo intervallo12 ,16. Tuttavia, la maggior parte di queste tecniche sono costose da mantenere e da utilizzare. Un altro vincolo è la produzione di fanghi tossici attraverso metodi quali precipitazione, coagulazione e filtrazione su membrana. Inoltre, tecniche come l'osmosi inversa e lo scambio ionico sono complicate e costose e richiedono l'uso di adsorbenti d'acqua17,18. L'adsorbimento è la tecnica di purificazione dell'acqua più preferita perché è economica, efficiente, non genera fanghi, è semplice da utilizzare e non necessita di energia elettrica o competenze specializzate per funzionare. Inoltre, gli adsorbenti possono essere rigenerati e riutilizzati, il che li rende ottimali a livello domestico e nelle piccole comunità nelle aree rurali meno sviluppate19. Il carbone attivo commerciale derivato dal carbone è tra gli adsorbenti più efficaci per la rimozione del fluoro dall'acqua. Ha un'elevata superficie specifica ed è altamente poroso, tuttavia è estremamente costoso e presenta difficoltà di rigenerazione17. Altri materiali efficaci includono bauxite20, carbone osseo, ossidi metallici, materiali polimerici, bioassorbenti21, rifiuti agricoli6, materiali marini, ceneri volanti, materiali carboniosi22, nanoparticelle23 e geomateriali24, tutti a basso costo e facilmente disponibili, come nel caso della silice minerale (SiO2). La silice è un materiale di buon auspicio con caratteristiche distinte che soddisfano quasi tutti i criteri di selezione per gli adsorbenti ideali per la purificazione dell'acqua, come inerzia chimica, stabilità strutturale e termica, elevata area superficiale specifica, non tossicità, grande dimensione dei pori e presenza di superfici funzionali gruppi (–Si–OH e –Si–O–Si–) che sono facilmente modificabili per migliorare la selettività verso un inquinante target25. Inoltre, è abbondante e ampiamente distribuito in natura, in particolare nelle rocce vulcaniche come la pomice (60–70%)26,27. È abbondante in Kenya lungo il sistema della Rift Valley in centri vulcanici come i crateri Barrier, Namanuru, Emuruangogolak, Silali, Paka, Korosi, Menengai, Longonot e Suswa28. Mourly et al. hanno dimostrato che è possibile isolare particelle di silice economicamente vantaggiose dalla roccia vulcanica di pomice utilizzando un protocollo di estrazione alcalina a basse temperature. Questo metodo ha prodotto nanoparticelle di silice amorfa pura al 94% con un'elevata area superficiale specifica (422 m2g−1) e un diametro medio dei pori di 5,5 nm che è stato utilizzato come materiale di supporto per la catalisi29. Come precedentemente affermato, la defluorizzazione è stata realizzata utilizzando una varietà di tecniche e adsorbenti. Tuttavia, sulla base della revisione della letteratura, non siamo a conoscenza di segnalazioni di silice estratta dalla roccia pomice e poi modificata con ferro per la rimozione del fluoro dall'acqua. Pertanto in questo studio, l'adsorbente di defluorizzazione a base di silice è stato preparato isolando le particelle di silice dalla roccia pomice tramite lisciviazione alcalina, quindi la sua superficie è stata modificata con Fe3+ (acido duro) per aumentare la selettività verso F− (base dura) e utilizzato per valutare la rimozione del fluoro da acqua. Sono stati utilizzati esperimenti batch per valutare la cinetica e l'isoterma dell'adsorbimento del fluoro, nonché gli effetti del pH, del tempo di contatto, del dosaggio e della concentrazione iniziale di fluoro sulla rimozione del fluoro. L'efficacia dell'adsorbente è stata quindi valutata utilizzando campioni di acqua di pozzo.