Fluoride retardation from quartz sand-packed column tests

Abstract

Puesto que tanto valores bajos como altos de F- en las aguas subterráneas tienen efectos adversos en la salud de los humanos (mayor cantidad de caries, y manchas del esmalte dental e incluso deformaciones óseas, respectivamente), han sido muchos los esfuerzos destinados a dilucidar el movimiento de especies fluoradas en ambientes acuosos. Ello es así porque el consumo de agua por parte de seres humanos representa la mayor fuente de ingreso de F-. Este trabajo presenta los resultados de siete experimentos dinámicos en los que soluciones de diferentes [F-], pH y velocidades de flujo percolaron a través de columnas empacadas con arena cuarzosa. Los datos de la curva de salida fueron analizados con un programa que permite la estimación de parámetros del transporte de solutos en condiciones de equilibrio o no equilibrio a partir de experimentos de columnas, en un campo de flujo homogéneo y en estado estacionario, creado por un impulso acotado o continuo del trazador de interés. Se halló que los mayores valores del factor de retardo (R) se asociaron a bajos valores de pH, bajas concentraciones de F- de las soluciones de inicio, y mayores velocidades de flujo. Los resultados se relacionaron con la forma de las especies de F, el débil enlace entre la especie adsorbida y la superficie de los granos de la arena cuarzosa, y la mayor repulsión aniónica a bajas velocidades porales. Los valores estimados de R variaron entre 1,22 y 1,50, en tanto que los coeficientes de distribución estuvieron en el rango de 0,1 a 0,05 L kg-1. Debe indicarse que las curvas de salida muestran cierto efecto de histéresis, que hace que el fenómeno de desorción se produzca más rápidamente que el de adsorción.

Inasmuch as both low and high concentrations of F- in groundwater have different detrimental effects on human health (increased dental caries, and mottled enamel or even severe structural bone deformations, respectively), many efforts have focused on the movement of such anion in aqueous systems. It is so because water drinking is the main intake of F- by humans. This paper presents the results of seven dynamic experiments in which solutions of varying [F-], pH, and flow velocities circulated through columns packed with clean quartz sand. The breakthrough data were analyzed by means of a computer code adapted to the estimation of equilibrium and non-equilibrium solute transport parameters from miscible displacement experiments in a steady-state, uniform flow field using a pulse-type or continuous source. It was found that larger retardation factors (R) are associated with low pH, low [F-] in the feed solutions, and larger flow velocities. Such results appear to be related to the form of the F species, the rather weak bond between the adsorbate and the quartz sand, and stronger anion repulsion at low pore velocities. The estimated values for R vary between 1,22 and 1,50, whereas the distribution coefficients were in the range of 0,1 to 0,05 L kg-1. It should be said that the breakthrough curves display hysteresis, leading to a desorption behavior that proceeds faster than the adsorption process.