물에서 불소를 제거하기 위한 독창적인 흡착제로서 철 기능화된 실리카 입자

Aug 30, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8018(2023) 이 기사 인용

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안전한 식수의 부족은 여전히 ​​세계적인 문제입니다. 불소는 건강에 해로운 영향을 미치는 지하수에 널리 퍼져 있는 오염물질입니다. 이러한 우려를 해결하기 위해 우리는 케냐 바링고 카운티의 파카 화산에서 얻은 부석을 원료로 실리카 기반의 탈불소 흡착제를 고안했습니다. 알칼리 침출 기술은 부석에서 실리카 입자를 추출하는 데 사용되었으며, 이후 불소에 대한 친화력을 높이기 위해 철로 수정되었습니다. 그 효능을 평가하기 위해 선택된 시추공 물 샘플을 사용했습니다. 주사 전자 현미경, X선 회절, 푸리에 변환 적외선 및 X선 형광 분광법을 사용하여 흡착제를 특성화했습니다. 추출된 실리카 입자는 96.71% 순수하고 비정질인 반면, 철 기능화된 실리카 입자는 93.67% SiO2 및 2.93% Fe2O3를 함유했습니다. 20mg/L 초기 불소 용액의 탈불소화를 위한 최적의 pH, 흡착제 용량 및 접촉 시간은 각각 6분, 1g 및 45분이었습니다. 탈불소화는 유사 2차 동역학을 따랐으며 Freundlich 등온선을 적용했습니다. 시추공 물의 불소 수치가 급격히 감소했습니다. Intex 4.57–1.13, Kadokoi 2.46–0.54 및 Naudo 5.39–1.2 mg/L는 저렴하고 풍부하며 지역적으로 이용 가능한 경석에서 개발된 실리카 기반 흡착제가 탈불소화에 효율적임을 나타냅니다.

지하수는 가장 쉽게 접근할 수 있는 식수원이지만 오염도가 가장 높은 곳이기도 합니다1,2. 불소는 이러한 오염 물질 중 하나이지만 낮은 수준에서는 치아와 뼈의 발달을 위한 미량 원소로서 신체에 필수적입니다3,4. 높은 불소 농도에 장기간 노출되면 치아 및 골격 불소증을 유발할 수 있을 뿐만 아니라 신장, 간, 뇌 및 갑상선에 해를 끼칠 수 있습니다5,6. 전 세계적으로 2억 6천만 명이 넘는 사람들이 동아프리카 리프트 밸리, 아시아, 유럽 및 미국의 지하수를 통해 높은 수준의 불소에 노출되어 있습니다7,8,9. 이는 화산 활동 및 불소가 풍부한 광물의 풍화와 같은 지질 과정에 기인합니다10,11. 지하수의 불소 농축은 비료, 세라믹, 살충제, 유리, 알루미늄 및 냉매 산업에서 나오는 폐수에 의해서도 도움이 됩니다12,13,14. 오늘날 세계보건기구(WHO)는 식수의 불소 허용 한도를 1.5 mg/L15로 설정했습니다. 따라서 이온 교환, 흡착, 응고, 침전 및 역삼투와 같은 탈불소화 과정은 불소 수준을 이 범위 내로 유지하는 데 중요합니다12 ,16. 그러나 이러한 기술의 대부분은 유지 관리 및 운영 비용이 많이 듭니다. 또 다른 제약은 침전, 응고, 막여과 등의 방법을 통해 유독성 슬러지가 생성된다는 점이다. 또한 역삼투 및 이온 교환과 같은 기술은 복잡하고 비용이 많이 들기 때문에 수분 흡착제를 사용해야 합니다. 흡착식은 가격이 저렴하고, 효율적이며, 슬러지가 발생하지 않고, 조작이 간편하고, 전력이나 전문기술이 필요하지 않기 때문에 가장 선호되는 정수기술이다. 또한, 흡착제는 재생 및 재사용이 가능하여 가구 수준과 덜 개발된 농촌 지역의 소규모 공동체에서 최고의 성능을 발휘합니다19. 석탄에서 추출한 상업용 활성탄은 물에서 불소를 제거하는 데 가장 효과적인 흡착제 중 하나입니다. 비표면적이 크고 다공성이 높지만 가격이 매우 비싸고 재생이 어렵습니다17. 기타 효과적인 물질로는 보크사이트20, 골탄, 금속 산화물, 고분자 물질, 생체 흡착제21, 농업 폐기물6, 해양 물질, 비산회, 탄소질 물질22, 나노 입자23 및 지질 물질24이 있으며, 모두 실리카와 마찬가지로 비용이 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다. 광물(SiO2). 실리카는 화학적 불활성, 구조적 및 열적 안정성, 높은 비표면적, 무독성, 큰 기공 크기 및 표면 기능성 존재 등 이상적인 정수 흡착제의 선택 기준을 거의 모두 충족하는 독특한 특성을 지닌 상서로운 물질입니다. 그룹(-Si-OH 및 -Si-O-Si-)은 쉽게 변형되어 대상 오염물질에 대한 선택성을 향상시킵니다25. 더욱이 자연계, 특히 부석(60~70%)과 같은 화산암에 풍부하고 널리 분포되어 있습니다. 케냐의 열곡계를 따라 Barrier, Namanuru, Emuruangogolak, Silali, Paka, Korosi, Menengai, Longonot 및 Suswa 분화구와 같은 화산 중심지에 풍부합니다28. Mourhlyet al. 저온에서 알칼리 추출 프로토콜을 사용하여 경석 화산암에서 비용 효율적인 실리카 입자를 분리하는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 이 방법을 통해 높은 비표면적(422m2g-1)과 5.5nm의 평균 기공 직경을 갖는 94% 순수 비정질 실리카 나노입자가 생성되었으며 이는 촉매작용을 위한 지지 물질로 사용되었습니다. 이전에 언급한 바와 같이, 탈불소화는 다양한 기술과 흡착제를 사용하여 수행되었습니다. 그러나 문헌 검토에 따르면 부석에서 추출한 실리카를 물에서 불소 제거를 위해 철로 변형했다는 보고는 전혀 없습니다. 따라서 본 연구에서는 알칼리 침출을 통해 경석에서 실리카 입자를 분리한 후 F-(경질 염기)에 대한 선택성을 높이기 위해 표면을 Fe3+(경산)로 개질하여 실리카 기반 탈불소 흡착제를 제조하고, 경석암에서 불소 제거를 평가하는 데 사용했습니다. 물. 배치 실험을 사용하여 불소 흡착의 동역학 및 등온선은 물론 불소 제거에 대한 pH, 접촉 시간, 투여량 및 초기 불소 농도의 영향을 평가했습니다. 그런 다음 시추공 물 샘플을 사용하여 흡착제의 효능을 평가했습니다.