Optimizing the fluoride removal from water using a novel adsorbent prepared from Waste Cerastoderma edule shell with Kinetic, Equilibrium, and Thermodynamic studies

Resumen Técnico: Optimización de la eliminación de fluoruro utilizando conchas de Cerastoderma edule activadas química y térmicamente

Planteamiento del problema
La contaminación por fluoruro en las aguas subterráneas plantea riesgos significativos para la salud, incluyendo la fluorosis dental y esquelética, lo que requiere métodos de defluoración eficaces. Si bien existen diversas técnicas, muchas están limitadas por sus altos costos, complejidad o toxicidad. La adsorción se reconoce como una alternativa superior debido a su simplicidad y rentabilidad. Sin embargo, existe una necesidad creciente de desarrollar adsorbentes de bajo costo y sostenibles a partir de materiales de desecho abundantes para reemplazar los sorbentes convencionales y costosos. Esta investigación aborda el desafío de convertir los desechos marinos, específicamente las conchas de Cerastoderma edule (berberecho), en un adsorbente funcional para la eliminación de fluoruro.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de múltiples etapas que involucró la síntesis de materiales, la optimización de procesos y un análisis integral de cinética y termodinámica:

1. Preparación del adsorbente: Las conchas de Cerastoderma edule fueron trituradas, tamizadas (180–500 µm) y tratadas químicamente con H₃PO₄ 0.1 N, seguido de un ajuste de pH a 10 mediante NaOH 1 N. El material fue secado y posteriormente calcinado a 800 °C durante 3 horas para producir el adsorbente activado final.
2. Caracterización: El adsorbente fue analizado mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS) y Espectroscopía de Transformada de Fourier de Infrarrojos (FTIR) para evaluar la morfología superficial, la composición elemental y los grupos funcionales antes y después de la adsorción.
3. Diseño experimental: Se realizaron experimentos de adsorción por lotes utilizando un arreglo ortogonal Taguchi L16 (4⁵) para optimizar cinco parámetros de proceso: Temperatura (10–40 °C), Concentración Inicial de Fluoruro (5–20 ppm), pH (3–7.5), Dosis de Adsorbente (1–4 g/L) y Tiempo de Contacto (30–120 min). Se utilizó la relación señal-ruido (S/N) "Mayor cuanto mejor" para la optimización.
4. Estudios Mecanísticos: Bajo condiciones optimizadas, se realizaron estudios de equilibrio, cinética y termodinámica. Los datos de isoterma se ajustaron a los modelos de Langmuir y Freundlich. Los datos cinéticos se analizaron mediante los modelos de pseudo-primer orden (PFO) y pseudo-segundo orden (PSO). Los parámetros termodinámicos (ΔG, ΔH, ΔS) se calcularon utilizando la ecuación de Van't Hoff en un rango de temperatura de 10–50 °C.

Resultados Clave

• Optimización: El análisis de Taguchi identificó las condiciones óptimas para la máxima eliminación de fluoruro como: pH 3, dosis de adsorbente de 4 g/L, concentración inicial de fluoruro de 20 ppm, temperatura de 30 °C y un tiempo de contacto de 60 minutos. Bajo estas condiciones, la eficiencia de eliminación alcanzó el 94%, con una capacidad de adsorción de 4.8 mg/g.
• Significancia de los parámetros: El Análisis de Varianza (ANOVA) reveló que el pH fue el parámetro más influyente (contribución del 25.49%), seguido de la dosis de adsorbente (18.81%), la concentración inicial (16.78%), el tiempo de contacto (11.45%) y la temperatura (5.24%).
• Hallazgos de caracterización:
  • SEM/EDS: Las imágenes post-adsorción mostraron una transición de una superficie dentada y con huecos a una superficie uniforme y llena. El EDS confirmó la adsorción de fluoruro, con el porcentaje de peso de fluoruro aumentando del 0% al 1.76%.
  • FTIR: Los espectros indicaron que, si bien la integridad estructural general se mantuvo similar, los desplazamientos en las bandas de carbonato y de metal-oxígeno (Ca-O) sugirieron cambios en la estructura de la red inducidos por el fluoruro.
• Equilibrio y Cinética:
  • La isoterma de Freundlich proporcionó el mejor ajuste (R² = 0.9874), indicando una adsorción multicapa en una superficie heterogénea.
  • El modelo cinético de pseudo-segundo orden (PSO) describió mejor el proceso de adsorción (R² = 0.99), con una capacidad teórica (4.62 mg/g) que coincide estrechamente con el valor experimental (4.8 mg/g).
• Termodinámica: Se encontró que el proceso es espontáneo (ΔG negativo), endotérmico (ΔH positivo = 291.56 J·K⁻¹·mol⁻¹) y dirigido por la entropía (ΔS positivo = 79.45 J·K⁻¹·mol⁻¹). El cambio de entropía positivo sugiere un aumento del desorden en la interfaz sólido-solución, probablemente debido a la liberación de moléculas de agua durante la sustitución de grupos hidroxilo por iones de fluoruro.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que la concha de Cerastoderma edule, tratada química y térmicamente, es un adsorbente eficaz, de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente para la defluoración. El estudio demuestra una vía viable de "desecho a recurso", convirtiendo los desechos biológicos marinos en un material con una capacidad de adsorción de fluoruro comparable o superior a varios otros adsorbentes basados en conchas y modificados reportados en la literatura (por ejemplo, conchas de ostras trituradas modificadas).

La investigación destaca que el adsorbente funciona de manera óptima en condiciones ácidas y a temperaturas más altas, impulsado por mecanismos de quimisorción. Mediante la utilización de la optimización de Taguchi, el estudio proporciona un marco estadísticamente robusto para determinar los parámetros del proceso con un número mínimo de corridas experimentales. Los autores concluyen que este novedoso adsorbente ofrece una solución sostenible para la eliminación de fluoruro, siendo particularmente adecuado para áreas rurales remotas donde se requieren métodos operativos sencillos y de bajo costo.