Розробка ферумвмісних адсорбентів для видалення фторид-іонів

Автор(и)

  • Євгеній Геннадійович Костенко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-0872-2764
  • Аркадій Маркусович Шахновський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-2963-4026
  • Тетяна Іванівна Обушенко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-0731-0370
  • Ольга Вікторівна Сангінова Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-6378-7718
  • Наталія Михайлівна Толстопалова Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-7240-5344

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.331608

Ключові слова:

видалення фторид-іонів, ферум, гранульовані адсорбенти, шлами водоочищення, кінетичні моделі, ізотерми

Анотація

Потрапляння занадто великої кількості фторид-іонів через питну воду може серйозно завдати шкоди здоров'ю людини. Адсорбція є одним із найбільш ефективних підходів, які були запропоновані для видалення фторид-іонів із водного середовища. Аналіз сучасних публікацій свідчить, що пошук нових ефективних сорбентів, отриманих за ресурсозберігаючими технологіями – актуальна науково-практична проблема. Запропоновано використовувати в якості сорбентів осади станцій знезалізнення підземних вод. Ці шлами утворюються в значній кількості та створюють суттєві екологічні проблеми. Отже, об'єктом дослідження є зразки агломерованих ферумвмісних адсорбентів.

Досліджено два зразка сорбентів з різним вмістом феруму. Було проаналізовано вплив різних параметрів на ефективність адсорбції фторид-іонів: час контакту, початкова концентрація фториду та доза адсорбенту, значення рН вихідного розчину, наявність конкуруючих іонів.

Експериментальні дані добре відповідають кінетичній моделі псевдодругого порядку (коефіцієнт детермінації R2 = 0,8581 для зразка А03 і R2 = 0,9947 для А06). Найкраща кореляція експериментальних даних з моделлю Ленгмюра – коефіцієнт детермінації R2 = 0,965 для А03 і для А06 R2 = 0,970. Було виявлено, що максимальна ефективність досягалась за рН 4. При підвищенні початкової концентрації фторидів, сорбційна ємність зростає, а ефективність видалення спочатку збільшується, а потім зменшується.

Для сорбенту А03 оптимальна доза становить 5 г/дм3, а для А06 – 6 г/дм3. Дослідження впливу сторонніх іонів на сорбцію фторид-іонів на сорбенті показало, що всі досліджені іони певною мірою погіршують ефективність знефторення.

Використання запропонованого сорбенту дозволить вирішити такі екологічні питання: поповнення переліку дешевих українських сорбентів для видалення фторидів та утилізації шламів станцій знезалізнення.

Спонсор дослідження

  • Дослідження проводилося без фінансової підтримки за ініціативними темами з Державними реєстраційними номерами: 0124U001966, 0124U002058.

Біографії авторів

Євгеній Геннадійович Костенко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Аркадій Маркусович Шахновський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Тетяна Іванівна Обушенко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Старший викладач

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Ольга Вікторівна Сангінова, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Наталія Михайлівна Толстопалова, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Посилання

  1. Zhao, M., Wang, Q., Krua, L. S. N., Yi, R., Zou, R., Li, X., Huang, P. (2023). Application Progress of New Adsorption Materials for Removing Fluorine from Water. Water, 15 (4), 646. https://doi.org/10.3390/w15040646
  2. Mariappan Santhi, V., Periasamy, D., Perumal, M., Sekar, P. M., Varatharajan, V., Aravind, D. et al. (2024). The Global Challenge of Fluoride Contamination: A Comprehensive Review of Removal Processes and Implications for Human Health and Ecosystems. Sustainability, 16 (24), 11056. https://doi.org/10.3390/su162411056
  3. Zhao, X., Li, Y., Carroll, K. C., Li, F., Qiu, L., Huo, Z. (2021). Mesoporous goethite for rapid and high-capacity fluoride removal from drinking water. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9 (4), 105278. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105278
  4. Chiavola, A., D’Amato, E., Di Marcantonio, C. (2022). Comparison of Adsorptive Removal of Fluoride from Water by Different Adsorbents under Laboratory and Real Conditions. Water, 14 (9), 1423. https://doi.org/10.3390/w14091423
  5. Bhatnagar, A., Kumar, E., Sillanpää, M. (2011). Fluoride removal from water by adsorption – A review. Chemical Engineering Journal, 171 (3), 811–840. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.05.028
  6. Ahmad, S., Singh, R., Arfin, T., Neeti, K. (2022). Fluoride contamination, consequences and removal techniques in water: a review. Environmental Science: Advances, 1 (5), 620–661. https://doi.org/10.1039/d1va00039j
  7. El Messaoudi, N., Franco, D. S. P., Gubernat, S., Georgin, J., Şenol, Z. M., Ciğeroğlu, Z. et al. (2024). Advances and future perspectives of water defluoridation by adsorption technology: A review. Environmental Research, 252, 118857. https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.118857
  8. Gebrewold, B. D., Werkneh, A. A., Kijjanapanich, P., Rene, E. R., Lens, P. N. L., Annachhatre, A. P. (2024). Low cost materials for fluoride removal from groundwater. Journal of Environmental Management, 370, 122937. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122937
  9. Kurylenko, V., Tolstopalova, N., Sanginova, O., Obushenko, T. (2023). Review of fluorine removal methods from aqueous solutions. Proceedings of the NTUU “Igor Sikorsky KPI”. Series: Chemical Engineering, Ecology and Resource Saving, 1, 52–69. https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2023.276447
  10. Kurylenko, V., Tolstopalova, N., Obushenko, T., Sanginova, O., Dontsova, T. (2023). Fluoride ions removal efficiency of natural/activated zeolite and bentonite sorbents. Water and water purification technologies. scientific and technical news, 36 (2), 27–39. https://doi.org/10.20535/2218-930022023300526
  11. Siaurusevičiūtė, I., Albrektienė, R. (2021). Removal of Fluorides from Aqueous Solutions Using Exhausted Coffee Grounds and Iron Sludge. Water, 13 (11), 1512. https://doi.org/10.3390/w13111512
  12. Mesbah, M., Hamedshahraki, S., Ahmadi, S., Sharifi, M., Igwegbe, C. A. (2020). Hydrothermal synthesis of LaFeO3 nanoparticles adsorbent: Characterization and application of error functions for adsorption of fluoride. MethodsX, 7, 100786. https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.100786
  13. Obushenko, T., Tolstopalova, N., Sanginova, O., Kostenko, E., Bolielyi, O., Kurylenko, V. (2022). Study of adsorption of phosphate ions from aqueous solutions. Technology Audit and Production Reserves, 4 (3 (66)), 35–37. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2022.264669
  14. Patel, D., Kulwant, M., Shirin, S., Varshney, R., Pandey, G., Yadav, A. K.; Yadav, A. K., Shirin, S., Singh, V. P. (Eds.) (2023). Fluoride Removal from Aqueous Solution Using Iron-Based Materials: Preparation, Characterization, and Applications. Advanced Treatment Technologies for Fluoride Removal in Water. Cham: Springer, 71–92. https://doi.org/10.1007/978-3-031-38845-3_4
  15. Revellame, E. D., Fortela, D. L., Sharp, W., Hernandez, R., Zappi, M. E. (2020). Adsorption kinetic modeling using pseudo-first order and pseudo-second order rate laws: A review. Cleaner Engineering and Technology, 1, 100032. https://doi.org/10.1016/j.clet.2020.100032
  16. Musah, M., Azeh, Y., Mathew, J., Umar, M., Abdulhamid, Z., Muhammad, A. (2022). Adsorption Kinetics and Isotherm Models: A Review. Caliphate Journal of Science and Technology, 4 (1), 20–26. https://doi.org/10.4314/cajost.v4i1.3
  17. Chen, X. (2015). Modeling of Experimental Adsorption Isotherm Data. Information, 6 (1), 14–22. https://doi.org/10.3390/info6010014
  18. Prathna, T. C., Sharma, S. K., Kennedy, M. (2017). Development of iron oxide nanoparticle adsorbents for arsenic and fluoride removal. Desalination and Water Treatment, 67, 187–195. https://doi.org/10.5004/dwt.2017.20464
  19. Babaeivelni, K., Khodadoust, A. P. (2013). Adsorption of fluoride onto crystalline titanium dioxide: Effect of pH, ionic strength, and co-existing ions. Journal of Colloid and Interface Science, 394, 419–427. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.11.063
  20. Nur, T., Loganathan, P., Nguyen, T. C., Vigneswaran, S., Singh, G., Kandasamy, J. (2014). Batch and column adsorption and desorption of fluoride using hydrous ferric oxide: Solution chemistry and modeling. Chemical Engineering Journal, 247, 93–102. https://doi.org/10.1016/j.cej.2014.03.009
  21. de Carvalho Costa, L. R., Jurado-Davila, I. V., Oliveira, J. T. D., Nunes, K. G. P., Estumano, D. C., de Oliveira, R. A. et al. (2024). Exploring Key Parameters in Adsorption for Effective Fluoride Removal: A Comprehensive Review and Engineering Implications. Applied Sciences, 14 (5), 2161. https://doi.org/10.3390/app14052161
  22. Adamu, D. B., Zereffa, E., Segne, T. A., Razali, M. H., Lemu, B. R. (2023). Synthesis of iron-substituted hydroxyapatite nanomaterials by co-precipitation method for defluoridation. Materials Research Express, 10 (4), 045006. https://doi.org/10.1088/2053-1591/acca65
  23. Azari, A., Kalantary, R. R., Ghanizadeh, G., Kakavandi, B., Farzadkia, M., Ahmadi, E. (2015). Iron–silver oxide nanoadsorbent synthesized by co-precipitation process for fluoride removal from aqueous solution and its adsorption mechanism. RSC Advances, 5 (106), 87377–87391. https://doi.org/10.1039/c5ra17595j
  24. Cai, H., Chen, G., Peng, C., Xu, L., Zhu, X., Zhang, Z. et al. (2015). Enhanced removal of fluoride by tea waste supported hydrous aluminium oxide nanoparticles: anionic polyacrylamide mediated aluminium assembly and adsorption mechanism. RSC Advances, 5 (37), 29266–29275. https://doi.org/10.1039/c5ra01560j
  25. Emamjomeh, M. M., Sivakumar, M., Varyani, A. S. (2011). Analysis and the understanding of fluoride removal mechanisms by an electrocoagulation/flotation (ECF) process. Desalination, 275 (1-3), 102–106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.02.032
  26. Jeyaseelan, A., Viswanathan, N., Kumar, I. A., Naushad, Mu. (2023). Design of hydrotalcite and biopolymers entrapped tunable cerium organic cubic hybrid material for superior fluoride adsorption. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 224, 113190. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2023.113190
  27. Jin, Z., Jia, Y., Zhang, K.-S., Kong, L.-T., Sun, B., Shen, W. et al. (2016). Effective removal of fluoride by porous MgO nanoplates and its adsorption mechanism. Journal of Alloys and Compounds, 675, 292–300. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.03.118
  28. Hernández-Campos, M., Polo, A. M. S., Sánchez-Polo, M., Rivera-Utrilla, J., Berber-Mendoza, M. S., Andrade-Espinosa, G., López-Ramón, M. V. (2018). Lanthanum-doped silica xerogels for the removal of fluorides from waters. Journal of Environmental Management, 213, 549–554. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.02.016
Development of iron-containing adsorbents for fluoride ion removal

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-06-04

Як цитувати

Костенко, Є. Г., Шахновський, А. М., Обушенко, Т. І., Сангінова, О. В., & Толстопалова, Н. М. (2025). Розробка ферумвмісних адсорбентів для видалення фторид-іонів. Technology Audit and Production Reserves, 3(3(83), 38–47. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2025.331608

Номер

Том 3 № 3(83) (2025): Хімічна інженерія

Розділ

Екологія та технології захисту навколишнього середовища

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Evgeniy Kostenko, Arcady Shakhnovsky, Tetiana Obushenko, Olga Sanginova, Nataliia Tolstopalova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.