Electroadsorción de fluoruros por electrodos de carbón activado modificados con Lantano(III)

Abstract

"El consumo crónico de fluoruro en agua por encima de estándares internacionales implica degeneración dela salud. La electroadsorción en un acercamiento interesante para el tratamiento de agua con bajas concentraciones de iones orgánicos e inorgánicos, tales como el fluoruro, y consiste en la polarización eléctrica de un adsorbente conductor con alta área específica y volumen de poro. Este trabajo reporta primeramente el efecto de la distribución del tamaño de poro de dos carbones activados comerciales, concha de coco (95% microporoso y 5% mesoporoso) y carbón bituminoso (25% de mesoporos). La electroadsorción se evaluó a diferentes potenciales (Ecelda = 1.2, 1.6, 2 and 2.4 V). La remoción de fluoruro sin polarizar fue realmente baja e incrementó en diferentes grados en función de incrementar el potencial aplicado. Al polarizar a 2 Vcelda, la capacidad de los carbones incrementó ~6 veces, comparado con la adsorción convencional, mientras que la velocidad del carbón bituminoso fue ~4 veces más rápida que la de concha de coco a tiempos cortos y a todos los potenciales. Entonces, el carbón bituminoso se desempeñó mejor como electrodo, lo cual se atribuyó a la presencia de mesoporos, ya que mejoran el transporte de masa y permiten un mejor acomodo de la doble capa eléctrica. Posteriormente, el carbón activado bituminoso se impregnó con 3 porcentajes de La(III): La-0.5%, La-1.5% and La-2.0%. Los clústers formados disminuyeron el área superficial y el volumen de poro de los adsorbentes, lo cual también disminuyó su superficie polarizable. Además, la desprotonación de los hidroxilos proporcionados por los clústers de La(III) incrementaron las cargas negativas en la superficie del electrodo. La electroadsorción se evaluó aplicando 0.8 V (vs. Ag/AgCl/NaCl 3M) en dos perfiles: (i) polarizando desde el inicio y (ii) polarizando después del equilibrio de adsorción. Información obtenida in situ ayudó a explicar y corroborar los procesos que tuvieron lugar durante ambos perfiles. También se evaluó la desorción de fluoruro por despolarización y por inversión de la polarización a potenciales negativos. En último apartado se estudió la electroadsorción de fluoruro en presencia de aniones de relevancia ambiental (cloruro, nitrato, sulfato, fosfato y arseniato) con los electrodos La- 0.5% y La-1.5% (p/p%). Esto se realizó utilizando concentraciones equimolares iniciales (0.263 mM de cada anión estudiado) en soluciones binarias (F- vs. anión de competencia) y en una mezcla compleja que contenía a todos los aniones de forma simultánea. Para La- 0.5%, la presencia de nitrato y cloruro no modificó de forma significativa su remoción de fluoruro, mientras que sí disminuyeron el desempeño de La-1.5% a la mitad. En general, los aniones divalentes compitieron mucho más durante las cinéticas. La discusión de los resultados no sólo se centró en la carga y el radio hidratado de los aniones, sino que la discusión se basó en otros parámetros termodinámicos que también denotan selectividad, como las energías de hidratación y parámetros de transporte de masa."

"Chronic and excessive fluoride consumption in drinking waters above the international standards has implications for human health. Electrosorption is an interesting option for water treatment and consists in the electrical polarization of a conductive adsorbent with high surface area and pore volume. This work first reports the effect of the pore-size distribution of two commercial activated carbons, a coconut-shell carbon (95% microporous) and a bituminous carbon (25% of mesopores). Electrosorption was evaluated at several potentials (Ecell = 1.2, 1.6, 2 and 2.4 V). The fluoride removal capacity and rate without polarizing was really low and increased at different degrees as a function of increasing the applied potential for both carbons. At 2 Vcell, the removal capacity of the carbons increased ~6 times, compared to that of conventional adsorption, while the removal rate of the bituminous carbon was ~4 times faster than that of the coconut-shell carbon at short times (<30 minutes) and at all potentials. Then, the bituminous carbon performed better as an electrode, which was attributed to the presence of mesopores, as they enhance the mass-transport and allow a better allocation of the electrical double-layer. Then, the bituminous activated carbon was impregnated with 3 La(III) percentages (w/w): La-0.5%, La-1.5% and La-2.0%. The formed La(III) clusters decreased the surface area and pore volume of the adsorbents, which also decreased their polarizable surface. In addition, the deprotonation of the hydroxyls provided by the La(III) clusters increased the input of negative charges on the carbon surface. Electrosorption was evaluated by applying 0.8 V (vs. Ag/AgCl/3M NaCl) in two profiles: (i) polarizing from the beginning and (ii) polarizing after the adsorption equilibrium. In situ information helped to explain and corroborate the processes taking place during both profiles. Further studies comprised the evaluation of fluoride desorption by depolarizing at the open circuit potential and by reversing the polarization at negative potentials, in which the surface of the carbons oxidized after each polarization. The last step comprised the evaluation of fluoride electrosorption in the presence of competing anions of environmental relevance (chloride, nitrate, sulfate, phosphate and arsenate) by La-0.5% and La-1.5% (w/w%) using equimolar initial concentrations (0.263 mM of each studied anion) in both binary solutions (F- vs. competing anion) and in a complex mixture comprising all anions. For La-0.5%, the presence of nitrate and chloride did not significantly modify its fluoride removal, while these same anions decreased the fluoride removal of La-1.5% by half. In general, the divalent anions competed the most during the kinetics. The discussion of the results was not only centered in the charge and hydrated radius of the anions, but is was expanded to other thermodynamic parameters that also denote selectivity, as the hydration energies and mass-transport parameters."