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

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.

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.