Nanocompósito de polietileno de ultra alto peso molecular com nanohidroxiapatita e bentonita organofílica como adsorvente de tetraciclina em meio aquoso

Abstract

O principal meio de introdução de produtos farmacêuticos no meio aquático é através das estações de tratamento de esgoto que recebem águas residuais de residências e hospitais. Esses contaminantes afetam substancialmente o meio ambiente, e devido a isso, seu tratamento tem sido objeto de estudo. Nas últimas décadas, os adsorventes de compósitos poliméricos surgiram como alternativas potenciais aos adsorventes tradicionais em termos de sua vasta área superficial, química superficial ajustável, perfeita rigidez mecânica e distribuição do tamanho dos poros. Portanto, neste estudo foi avaliada a aplicação de um novo nanocompósito de polietileno de ultra alto peso molecular (PEUAPM) com nanohidroxiapatita (HA) e bentonita organofílica (BO) para a adsorção do fármaco tetraciclina (TC). O nanocompósito foi preparado combinando a moagem de alta energia e o tratamento térmico em mufla. Seu processamento foi investigado através de planejamento experimental completo (23), variando quantidade de BO, temperatura e tempo de tratamento térmico. A morfologia e estrutura do PEUAPM/HA/BO foram caracterizadas utilizando-se da Espectroscopia na Região do Infravermelho tratada com Transformadas de Fourier (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). A adsorção de TC no nanocompósito foi investigada em experimentos em batelada e em coluna de leito fixo. Para os experimentos em batelada, o nanocompósito PEUAPM/HA/BO (15 mg) adsorveu 8,72 mg·g-1 da TC de solução (20 mg·L-1) a 55 ºC, em pH neutro e em 24 h de reação. Os dados experimentais de adsorção para a cinética foram melhor descritos pelo modelo de pseudo-segunda ordem (R2 = 0,989) e as isotermas seguiram o modelo de Freundlich (R2 = 0,996). O estudo termodinâmico indicou que a adsorção foi uma reação endotérmica e que existe afinidade entre o adsorvente e o adsorvato. Os experimentos de coluna de leito fixo foram executados em coluna com diâmetro interno de 4 cm e profundidade de leito de 12 cm, a uma vazão constante de 3,53 mL·min-1. A curva de breakthrough foi plotada, os parâmetros característicos da coluna foram avaliados e o modelo de Yan se ajustou melhor aos dados experimentais (R2 = 0,980). Com base nos resultados deste estudo, o nanocompósito é bastante promissor para a remoção de contaminantes emergentes em meio aquoso.

Abstract: The principal way of introducing pharmaceuticals into the aquatic environment is through sewage treatment plants that receive wastewater from homes and hospitals. These contaminants substantially affect the environment; thus, their treatment has been the object of study. In recent decades, polymeric composites adsorbents have emerged as potential alternatives to traditional adsorbents due to their wide surface area, adjustable surface chemistry, perfect mechanical stiffness and pore size distribution. Therefore, in this study, the application of a new nanocomposite of ultrahigh-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) with nanohydroxyapatite (HA) and organophilic bentonite (OB) for the adsorption of the drug tetracycline (TC) was evaluated. The nanocomposite was prepared by combining the high energy grinding and the muffle heat treatment. The processing was investigated through complete experimental design (23), varying the OB amount, temperature of thermal treatment time. The morphology and structure of the UHMWPE/HA/OB were characterized using Fourier Transform-Infrared Spectrometer (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The TC adsorption in the nanocomposite was investigated in batch and fixed bed experiments. For the batch experiments, the UHMWPE/HA/OB nanocomposite (15 mg) adsorbed 8.72 mg·g-1 of the TC solution (20 mg·L-1) at 55 ºC and neutral pH for 24 h with occasional shaking. The adsorption kinetics experimental data were best described by the pseudo-second-order model (R2 = 0.989), and the Freundlich model (R2 = 0.996) fitted better to the experimental data for the isotherms. The thermodynamic study indicated that the adsorption was an endothermic reaction and also showed that there is an affinity between the adsorbent and the adsorbate. The fixed-bed column experiments were performed on a column with internal diameter equals to 4 cm, 12 cm of bed depth, and a constant flow rate of 3.53 mL·min-1. The breakthrough curve was plotted, the column characteristic parameters were evaluated, and the experimental data were best described by the Yan model (R2 = 0.980). Based on the results of this study, the nanocomposite is very promising for the emerging contaminants removal in the aqueous medium.