Este documento investiga la cinética de adsorción de fluoruro en materiales de bajo costo como la hidroxiapatita, calcita, cuarzo y espato flúor. Los resultados mostraron que la hidroxiapatita tiene la mayor capacidad de adsorción de fluoruro, mientras que la calcita tiene la menor. El espato flúor puede eliminar aproximadamente el 25% de fluoruro, y la activación del cuarzo con iones férricos mejora significativamente su capacidad de adsorción. En general, este estudio proporciona información
1. UNIVERSIDAD DE SONORA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
QUÍMICA Y METALURGIA
ZAVALA ALVAREZ MERARY CECILIA
PROFESOR: MARCO ANTONIO NÚÑEZ ESQUER
12 DE ABRIL DE 2018
TEMA: CINÉTICA DE ADSORCIÓN DE
FLUORURO EN MATERIALES DE BAJO COSTO
OPERACIONES UNITARIAS II
SEMESTRE 2018-01
2. CINÉTICA DE ADSORCIÓN DE FLUORURO EN
MATERIALES DE BAJO COSTO
X. Fan, D.J. Parker, M.D. Smith
Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Birmingham, Birmingham B15 2TT,
Reino Unido
Revisa de investigación del agua (2003)
Volumen 37, Número 20, páginas 9
ISSN: 0043-1354
5. 1. INTRODUCCIÓN
•El flúor es un componente esencial tanto para humanos como para animales, dependiendo de la
cantidad total ingerida o su concentración en el agua potable. La presencia de flúor en el agua
potable, dentro de los límites permisibles de 0.5-1.0 mg/l, es beneficiosa para la producción y
mantenimiento de huesos y dientes sanos.
•Muchos países tienen regiones donde el agua contiene más de 1,5 mg/l de flúor debido a su
presencia natural en la corteza terrestre o la descarga por actividades agrícolas e industriales,
como el acero, el aluminio, el vidrio y la galvanoplastia.
6. •Los métodos actuales utilizados para eliminar el flúor del agua se pueden dividir en dos
categorías: precipitación y adsorción.
•Se han informado muchas técnicas, como la ósmosis inversa, la electrodiálisis, el intercambio de
iones, el reactor de piedra caliza y la columna de alúmina activada.
•Este documento se concentra en investigar el comportamiento de adsorción de fluoruro de los
materiales que son de bajo costo y pueden eliminar eficazmente el fluoruro de las soluciones
acuosas a un nivel relativamente bajo.
1. INTRODUCCIÓN
8. Para comparar la capacidad de adsorción de diferentes materiales a una baja concentración de
fluoruro, se utilizó el isótopo 18 F en este estudio en lugar de 19 F.
La cantidad de 18 F adsorbida en partículas y concentración de 18 F (C) en solución acuosa se
puede calcular como:
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Por lo tanto,
N= número de moléculas 18 F
𝜆= constante de transformación
A= radioactividad de 18 F (Bq)
C= concentración de fluoruro (M)
V= volumen de soluciones acuosas (l).
9. En cada experimento, se añadieron 100 mg de partículas sólidas a un vial de vidrio, que
contenía 6 ml de agua desionizada y fluoruro.
Sus áreas de superficie específicas (BET) fueron 0.057 m2/g para calcita, 0.060 m2/g para
cuarzo, 0.048 m2/g para espato flúor y 0.052 m2/g para hidroxiapatita respectivamente.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Los materiales sólidos utilizados fueron:
Hidroxiapatita, calcita, cuarzo, cuarzo
activado por Fe 3+ y espato flúor.
11. Teóricamente, la adsorción de flúor en partículas sólidas normalmente requiere tres pasos esenciales:
a) Difusión o transporte de iones fluoruro a la superficie externa del adsorbente desde la solución a
granel a través de la capa límite que rodea la partícula adsorbente.
b) Adsorción de iones fluoruro sobre superficies de partículas.
c) Los iones fluoruro adsorbidos probablemente se intercambian con los elementos estructurales dentro
de las partículas adsorbentes dependiendo de la química de los sólidos, o los iones fluoruro adsorbidos
se transfieren a las superficies internas para materiales porosos (difusión intrapartícula).
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
12. Fig. 1. Curvas cinéticas de adsorción de fluoruro en hidroxiapatita
con un rango de tamaño de 212 a 250 𝜇m a pH 6.0 y una
concentración inicial de 3x10 -5 mg/l.
Fig. 2. Curvas cinéticas de adsorción de fluoruro en espato flúor
con un rango de tamaño de 212 a250 𝜇m a pH 6.0 y una
concentración inicial de 3x10 -5 mg/l.
Fig. 3. Curvas cinéticas de adsorción de fluoruro en calcita con un
rango de tamaño de 212 a 250 𝜇m a pH 6.0 y una concentración
inicial de 3x10 -5 mg/l.
Fig. 4. Curvas cinéticas de adsorción de fluoruro en cuarzo con un
rango de tamaño de 212 a 250 𝜇m a pH 6.0 y una concentración
inicial de 3x10 -5 mg/l.
13. La adsorción de flúor en espato flúor, calcita y cuarzo fue 1.41x1013, 3.62x1012 y
1.57x1012 moléculas de fluoruro por gramo de partículas sólidas con un rango de tamaño de 215
a 250 𝜇m con una concentración de flúor inicial de 3x10-5 mg/l respectivamente.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
14. El análisis cinético de los datos de adsorción se basa en la cinética de reacción de mecanismos
de pseudo primer orden y pseudo segundo orden.
Adsorción de pseudo primer orden:
𝑑𝑞 𝑡
𝑑𝑡
= 𝑘1(𝑞 𝑒 − 𝑞𝑡)
La ecuación de velocidad de pseudo primer orden integrada se escribe como
log 𝑞 𝑒 − 𝑞𝑡 = log 𝑞 𝑒 − 𝑘1 𝑡
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
15. Adsorción de pseudo segundo orden:
Integrando en condiciones de contorno ( t=0 a t = t y 𝑞𝑡 = 0 𝑎 𝑞𝑡 = 𝑞𝑡 ) da:
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
• q e, qt = cantidad de fluoruro
adsorbido en equilibrio y cualquier
tiempo t (mg/g de material sólido)
• k 1 (min1), k 2 (g mg1 min1)= constante
de velocidad de equilibrio
• t = tiempo de agitado (min).
16. Fig. 5 moléculas de fluoruro adsorbidas en materiales
seleccionados a pH 6.0 y una concentración inicial de
3x10 -5 mg/l.
Fig. 6. Variaciones en las concentraciones de
fluoruro con el tiempo.
Fig. 7. Gráfica de pseudo primer orden de la cinética de
adsorción de fluoruro en los materiales seleccionados a pH
6 y una concentración inicial de 3x10 -5 mg/l.
Fig. 8. Gráfica de pseudo segundo orden de adsorción de
flúor cinética en los materiales seleccionados a pH 6 y
una inicial concentración de 3 x10-5 mg/l.
17. 3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Tabla 1. Constantes de velocidad de pseudo primer orden
Tabla 2. Constantes de velocidad de pseudo segundo orden
18. El análisis de la capacidad de adsorción se basa en las isotermas de Langmuir y Freundlich.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Isoterma de Langmuir Isoterma de Freundlich q e = fluoruro adsorbido en equilibrio
(mg/g)
C e = concentración de fluoruro en
equilibrio
Q 0 ,K F = son la medida de la
capacidad de adsorción (mg/g)
b= constante relacionada con la
afinidad de los sitios de unión
1/n = intensidad de adsorción.
Los experimentos para los cálculos de capacidad se llevaron a cabo a aproximadamente
10 concentraciones iniciales diferentes en un intervalo de 2,5x10-5 a 6,34x10-2 mg/l. Los
tiempos de adsorción diseñados para alcanzar el equilibrio fueron 180 min para la
hidroxiapatita y 60 min para el cuarzo, la calcita y el espato flúor en base a los resultados
presentados en la figura 5.
19. 3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Tabla 3. Isotermas de adsorción de fluoruro en los materiales probados
Fig. 9. Isotermas de adsorción de
Freundlich de adsorción de fluoruro.
Fig. 10. Isoterma Langmuir de adsorción
de fluoruro en hidroxiapatita.
Fig. 11. Isotermas de Langmuir de adsorción
de flúor en espato flúor, calcita y cuarzo.
20. A una concentración inicial de fluoruro de 0.064 mg/l, los límites de adsorción fueron 0.022 mg/g
en hidroxiapatita, 0.0071 mg/g en espato flúor, 0.005 mg/g en cuarzo activado, 0.0035 mg/g en
calcita y 0.0013 mg/g en cuarzo.
En estudios extensos recientes, se usó hidroxiapatita como implantes óseos y dentales ya que su
composición química y estructura cristalográfica es similar a la de los tejidos duros humanos.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
21. Estudios previos mostraron que, después de tratar utilizando un lecho fijo lleno de calcita o uno
llamado reactor de calcita, el nivel de flúor en el agua podría reducirse a 4 mg/l. Sin embargo,
nuestros datos experimentales sugieren que, entre los materiales seleccionados, la calcita es un
adsorbente de flúor que tiene poca capacidad de eliminación de flúor en un rango de
concentración de fluoruro de de 2.5 x10-5 a 6.34x 10-2 mg/l sólo es mejor que el cuarzo.
El espato flúor presentó la segunda capacidad más alta en la eliminación de flúor entre los cuatro
materiales, y adsorbió 25% de fluoruro en una concentración inicial de flúor de 3x10-5 mg/l.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
22. El cuarzo muestra la capacidad de adsorción de F más pobre. A una concentración inicial de flúor
de 3 x10 -5 mg/l, la adsorción de flúor fue de solo 1,8x10 12 moléculas de F por gramo de cuarzo
en equilibrio. Sin embargo, la activación del cuarzo usando Fe 3+ dio como resultado un aumento
significativo en la capacidad de adsorción de fluoruro.
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
Fig. 12. Efecto de los iones Fe 3+ en el
potencial zeta del cuarzo.
Los iones férricos adsorbidos podrían actuar como
un puente para conectar el fluoruro a la superficie
de cuarzo y mejorar la adsorción de fluoruro.
24. 4. CONCLUSIONES
La transferencia de masa externa es una etapa muy lenta y de determinación de velocidad
durante la eliminación de fluoruro de soluciones acuosas.
La hidroxiapatita tiene la mayor capacidad de adsorción de flúor.
El espato flúor puede eliminar aproximadamente el 25% de flúor de la solución.
Calcita puede eliminar 12% de flúor y solo es mejor que el cuarzo. La activación de iones
férricos en el cuarzo puede mejorar significativamente la capacidad de adsorción del cuarzo.
Después de la activación, la eliminación de flúor aumentó de 5.6% a 20%.
