Sorption of fluoride by quartz sand: batch tests

Abstract

Despite the many efforts of scientists, in particular those from the field of soil science, the fate and distribution of fluorine (F) species in soils and aquifers remain relatively unraveled. As for groundwater systems, such a shortcoming makes difficult the finding and development of safe water supplies. Likewise, the use of transport models does not render acceptable results because of the many uncertainties related to the behavior of F in aqueous media. This paper presents the results of four batch test in which solutions of different pH and [F ] (concentration of fluoride) were in contact during 48 hours with clean quartz sand grains. The resulting data were fitted by linear versions of the Freundlich, the Langmuir, and the Langmuir-Freundlich models. The [F ] was varied between 0,5 and 10 mg L1, except in one batch where a large initial concentration of F was used (45 mg L1), and the range of pH used was 2,95 to 5,02. From a sieve analysis, the quartz grains had a medium size (d50) of 0,25 mm, and a uniformity coefficient (d40/d90) of 1,65. According to the fits and some dedicated goodness of fit indices, the Langmuir-Freundlich approach gave the best results for the batch test at the lowest pH, whereas the three remaining tests data were fitted by the Freundlich equation. It has to be mentioned that the pH of the equilibrium solutions were higher than the pH of the initial solutions, which was interpreted as an exchange process of OH' by F' on the quartz sand surface. However, such an exchange does not stand out as the exclusive mechanism promoting the F' disappearance from solution. It is deemed that the obtained results can be used as initial estimates of parameters in models used for calibrating the transport of F' in aquifers.

A pesar de los muchos esfuerzos de los científicos, en particular de aquellos dedicados a las ciencias del suelo, el destino y la distribución de las especies de F (flúor) en suelos y acuíferos continúan siendo aspectos no mayormente dilucidados. Con referencia a los sistemas hidrológicos, tales indefiniciones plantean dificultades con respecto a la identificación y desarrollo de fuentes seguras de agua para abastecimiento. De igual modo, los modelos de transporte no brindan resultados aceptables por las incertidumbres relacionadas con el comportamiento del F en medios acuosos saturados. Este trabajo presenta los resultados de cuatro ensayos en lote en los que soluciones de diferente pH y [F ] (concentración de fluoruro) permanecieron en contacto durante 48 horas con granos limpios de arena cuarzosa. Los datos resultantes se analizaron con referencia a versiones lineales de los modelos de Freundlich, Langmuir y Langmuir-Freundlich. La [F ] varió entre 0,5 y 10 mg L1, excepto en un ensayo granos de arena cuarzosa poseen un tamaño medio (d50) de 0,25 mm, y un coeficiente de uniformidad (d40/ d90) de 1,65. De acuerdo con los ajustes y el uso de índices de bondad de los ajustes, el modelo de Langmuir-Freundlich fue seleccionado para el ensayo a valores de pH más bajo, en tanto que la ecuación de Freundlich ajustó los tres ensayos restantes. Debe mencionarse que el pH de las soluciones de equilibrio resultó mayor que el pH de las soluciones iniciales, y que tal característica se interpretó como un proceso de intercambio de OH' por F' en la superficie de los granos de arena cuarzosa. Sin embargo, tal intercambio no es el único mecanismo que produce la desaparición de F' de las soluciones. Se considera que los resultados obtenidos pueden utilizarse como estimaciones iniciales de los parámetros en modelos dedicados a la calibración del transporte de F' en acuíferos.