Fluoride removal from water using process residues from the cement, aggregate, and ceramic industries

Abstract

The escalating demand for drinking water, coupled with the contamination of surface water sources, has intensified interest in harnessing groundwater for water supply. Elevated fluoride levels in groundwater, surpassing recommended limits (1.5 mgL-1), pose a significant challenge, prohibiting the supply of water to the public. Various techniques exist for fluoride removal, with adsorption standing out for its versatility, simplicity, cost-effectiveness, and efficiency. This study assessed the kinetics and adsorption capacity of residues from the ceramic and cement industries, specifically process residues (PR) from red roof tiles, bricks, and cellular concrete. These materials, derived from the construction industry's waste, were chosen for their accessibility and low-cost preparation. Characterization through X-ray diffractometry, X-ray fluorescence spectroscopy, and isothermal nitrogen adsorption revealed cellular concrete PR as the most promising adsorbent due to its larger specific surface area (28.2 m2 g-1) compared to brick PR (12.6 m2 g-1), and roof tile PR (2.366 m2 g-1). Adsorption capacity followed the order: cellular concrete PR > brick PR > roof tile PR. Kinetics adhered to pseudo-first-order and pseudo-second-order models, while equilibrium studies aligned with Langmuir, Freundlich, and Sips models. Langmuir's Qmax values were 1.04, 0.709, and 1.66 (mg g-1) for cellular concrete PR, brick PR, and roof tile PR, respectively, illustrating the correlation between adsorption capacity and specific surface area.

La demanda creciente de agua potable, junto con la contaminación de las fuentes de agua superficial, ha intensificado el interés en aprovechar el agua subterránea para el suministro de agua. Los niveles elevados de flúor en el agua subterránea, que superan los límites recomendados (1.5 mgL-1), representan un desafío significativo, prohibiendo el suministro de agua al público. Existen varias técnicas para la eliminación de flúor, destacándose la adsorción por su versatilidad, simplicidad, rentabilidad y eficiencia. Este estudio evaluó la cinética y la capacidad de adsorción de residuos de las industrias cerámica y del cemento, específicamente residuos de proceso (RP) de tejas, ladrillos y concreto celular. Estos materiales, derivados de los desechos de la industria de la construcción, fueron elegidos por su accesibilidad y bajo costo de preparación. La caracterización mediante difractometría de rayos X, espectroscopía de fluorescencia de rayos X y adsorción de nitrógeno isoterma reveló que el RP de concreto celular es el adsorbente más prometedor debido a su mayor área superficial específica (28.2 m2 g-1) en comparación con el RP de ladrillo (12.6 m2 g-1) y el RP de teja (2.366 m2 g-1). La capacidad de adsorción siguió el orden: RP de concreto celular > RP de ladrillo > RP de teja. La cinética se ajustó a los modelos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden, mientras que los estudios de equilibrio se alinearon con los modelos de Langmuir, Freundlich y Sips. Los valores de Qmax de Langmuir fueron 1.04, 0.709 y 1.66 (mg g-1) para el RP de concreto celular, RP de ladrillo y RP de teja, respectivamente, ilustrando la correlación entre la capacidad de adsorción y el área superficial específica.