PHREEQC 표면 착화 모델을 이용하여 명반으로 개질된 알루미나의 지하수에서 불소 흡착 이해

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12307(2023) 이 기사 인용

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불소는 골격 및 치아 문제를 예방하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 인간과 동물의 성장에 필수적인 이온으로 인식됩니다. 그러나 고농도로 섭취할 경우 치아와 뼈의 탈회를 유발하여 불소침착증을 유발할 수 있으므로 불화물 치료를 위해서는 비용 효율적인 고흡수성 물질의 생산이 필요합니다. 본 연구에서는 알루미늄 호일이 알루미나 나노입자로 가치화되었습니다. 준비된 알루미나는 1:0.5와 1:1(알루미나 대 명반 w/w%)의 두 가지 비율로 명반으로 개질되었으며 나중에 지하수에서 불화물을 제거하기 위한 흡착제로 사용되었습니다. 흡착제는 푸리에 변환 적외선 분광법, 영전하점 및 X선 회절을 통해 특성화되었습니다. pH, 초기 농도, 접촉 시간, 흡착제 투여량 등 불화물 제거 효율에 영향을 미치는 다양한 요인을 연구하고 시뮬레이션된 불화물 용액을 사용하여 최적화했습니다. 얻은 최적 조건을 사용하여 실제 지하수를 테스트했습니다. 정적 실험 조건은 나중에 다양한 조건에서 변형된 알루미나에 대한 불소 흡착을 시뮬레이션하는 데 사용된 PHREEQC 지구화학적 모델을 보정하는 데 사용되었습니다. PHREEQC는 또한 시뮬레이션이 실험실 실험 결과를 정확하게 반영하는 방식으로 불화물 종과 흡착제 사이의 표면 반응에 대한 평형 상수를 결정하기 위해 매개변수 추정 소프트웨어와 결합되었습니다. 등온선 연구가 흡착제에 대해 수행되었습니다. Langmuir와 Freundlich의 비선형 모델은 모두 평형 데이터에 잘 들어맞았습니다. 그러나 회귀 계수가 높고 카이 제곱 테스트 값이 낮을수록 흡착 공정은 단층 표면의 화학 흡착에 더 가깝습니다. 유사 1차 모델과 유사 2차 모델의 비선형 방정식을 사용하여 동역학 연구도 수행되었습니다. 유사 2차 모델은 평형 데이터에 잘 들어맞았습니다. 불화물 이온 흡착에 대한 메커니즘은 입자 내(IP) 확산 모델로도 연구되었으며 IP가 속도 결정 요인이 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 따라서 흡착 과정에 대한 가장 그럴듯한 메커니즘은 이온 교환 또는 불화물 이온의 인력이었습니다. 흡착 표면. 이 연구에서 얻은 결과는 쉽게 구할 수 있는 알루미늄 폐기물이 지하수를 포함한 물 샘플에서 불소를 제거하는 데 사용할 수 있는 유용한 제품으로 가치화될 수 있음을 보여줍니다. 불소는 너무 많은 불소를 함유하고 일반 대중의 건강에 위험을 초래할 수 있습니다. .

불소는 골격 및 치아 문제를 예방하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 인간과 동물의 성장에 필수적인 요소로 인식됩니다. 그러나 더 높은 농도로 섭취하면 치아와 뼈의 탈회를 유발하여 불소증을 유발할 수 있습니다1. 불화물은 질산염, 비소와 함께 노출을 통해 광범위한 건강상의 문제를 일으키는 중요한 이온 중 하나입니다. 세계보건기구2와 가나 표준청3에서 권장하는 식수의 최대 허용 농도는 1.5mg/L입니다.

불소 농도가 높은 식수를 섭취함으로써 발생하는 건강 문제는 적절한 수처리 시설의 부족으로 인해 개발도상국에서 증가하고 있습니다4. 불소의 천연 공급원은 해당 지역에서 나타나는 다양한 종류의 암석 및 화산 활동과 상호 연결되어 있습니다. 암석 풍화, 유역 및 대수층의 광물과 같은 기타 기여 요인 역시 특정 지역사회 내 불소 농도가 더 높은 이유를 설명합니다5. 이 지역에 거주하는 대부분의 사람들은 물 공급을 지하수에 의존합니다.

The PHREEQC geochemical modelling code version 3.7.3–15,968 (2021)." href="/articles/s41598-023-38564-1#ref-CR26" id="ref-link-section-d93984426e1091"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-d93984426e1796"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>