Avaliação da remoção de amoxicilina por adsorção em carvão ativado de origem mineral

Abstract

RESUMO: Os métodos tradicionais de purificação de efluentes não são eficazes na remoção de fármacos e estes compostos, em especial os antibióticos, quando presentes no ambiente aquático são responsáveis pela resistência bacteriana e pela morte de microrganismos essenciais. A amoxicilina é um dos antibióticos mais consumidos mundialmente devido ao amplo espectro de ação antimicrobiana e sua fácil absorção no corpo humano. Neste contexto, o objetivo do trabalho foi avaliar o processo em batelada de adsorção de solução sintética de amoxicilina em carvão ativado de origem mineral. A amoxicilina em pó foi diluída em água destilada e a concentração da mesma foi aferida em espectrofotômetro UV-Vis. O adsorvente foi caracterizado por análise granulométrica, ponto de carga zero (PCZ), isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Os testes preliminares de adsorção foram realizados para avaliação da influência do pH inicial de solução, da porcentagem de carvão ativado e da velocidade de agitação. Em seguida, foram obtidos os dados de cinética e equilíbrio de adsorção e modelos matemáticos disponíveis na literatura foram ajustados a estes dados. A partir das isotermas foram determinadas as propriedades termodinâmicas ?Go, ?Ho e ?So e caracterizado o carvão ativado por análise termogravimétrica (TGA) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS) antes e depois da adsorção e avaliada a capacidade de dessorção de amoxicilina. As leituras da solução de amoxicilina em espectrofotômetro apresentaram máxima dissolução de 600 mg L-1 e a faixa de pH até 7 para adsorção. Por meio da caracterização do adsorvente observou-se granulometria variada, na qual as faixas de diâmetro médio com maior percentual mássico foram selecionadas e o diâmetro médio de Sauter obtido foi de 1,46 mm. O PCZ do carvão ativado de origem mineral foi de 7,2 e verificou-se pelo MEV estrutura porosa e irregular. A adsorção e dessorção de nitrogênio possibilitou classificar o adsorvente como microporoso com mesoporos associados, com área específica de 930,3 m2 g-1 e volume de poros de 0,2651 cm3 g-1, em sua maioria microporos. No FTIR o carvão ativado apresentou vibrações nos comprimentos de onda correspondentes aos grupos fenólicos, o que confere a este adsorvente alta versatilidade. Para a adsorção, os melhores resultados dos testes preliminares foram pH 7, 0,01 % de carvão ativado (m v-1) e velocidade de agitação de 120 rpm. Nas curvas cinéticas de adsorção foram obtidos melhores ajustes para o modelo de pseudo-segunda ordem nas concentrações de 50 e 150 mg L-1 e pseudo-primeira ordem para a concentração de 250 mg L-1. Foram realizados os ajustes aos modelos de Freundlich, Langmuir, Sips e Dubinin-Radushkevich dos dados experimentais, cujas isotermas apresentaram melhor ajuste aos modelos de Sips e Langmuir que indicam quimissorção. As propriedades termodinâmicas indicaram adsorção espontânea, endotérmica e aumento da aleatoriedade do sistema na interface sólido-líquido. O TGA do carvão ativado apresentou mudança no perfil de degradação térmica do material após a adsorção, o que indica a presença da amoxicilina na superfície do sólido. O EDS apresentou os elementos em maior proporção na superfície do adsorvente antes da adsorção (carbono, oxigênio e ferro) e após a adsorção (carbono, oxigênio e enxofre), evidenciando a presença de amoxicilina no sólido. Por fim, o segundo ciclo de adsorção foi realizado após a dessorção do carvão ativado com etanol, metanol, etanol:água e metanol:água, no qual a capacidade de adsorção reduziu em média 59,3 % quando comparado com o primeiro ciclo. De maneira geral, foi possível avaliar a remoção de amoxicilina com carvão ativado de origem mineral com elevada capacidade de adsorção experimental (313,30 mg g-1 a 50 °C) e natureza química em monocamada predominante entre adsorvato e adsorvente

ABSTRACT: Traditional effluent purification methods are ineffective in drug removal and these compounds, especially antibiotics, when present in the aquatic environment are responsible for bacterial resistance and death of essential microorganisms. Amoxicillin is one of the most widely consumed antibiotics worldwide due to the wide spectrum of antimicrobial action and its easy absorption in the human body. In this context, the objective of this work was to evaluate the batch process of adsorption of synthetic solution of amoxicillin in activated carbon of mineral origin. The amoxicillin powder was diluted in distilled water and the concentration of the same was measured in a UV-Vis spectrophotometer. The adsorbent was characterized by particle size analysis, zero load point (PCZ), adsorption and nitrogen desorption isotherms, scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Preliminary adsorption tests were performed to evaluate the influence of the initial pH of the solution, the percentage of activated carbon and the rate of agitation. Then, the kinetics and adsorption equilibrium data were obtained and mathematical models available in the literature were adjusted to these data. From the isotherms the thermodynamic properties ?Go, ?Ho and ?So were determined and the activated charcoal was determined by thermogravimetric analysis (TGA) and dispersive energy spectroscopy (EDS) before and after adsorption and the desorption capacity of amoxicillin was evaluated. The readings of the amoxicillin solution in spectrophotometer showed maximum dissolution of 600 mg L-1 and the pH range up to 7 for adsorption. The adsorbent characterization showed a varied granulometry, in which the mean diameter bands with the highest mass percentage were selected and the average Sauter diameter obtained was 1.46 mm. The PCZ of the activated carbon of mineral origin was of 7.2 and it was verified by the MEV porous and irregular structure. Nitrogen adsorption and desorption made it possible to classify the adsorbent as microporous with associated mesopores, with a specific area of 930.3 m2 g-1 and a pore volume of 0.261 cm3 g-1, mostly micropores. In the FTIR activated carbon presented vibrations at the wavelengths corresponding to the phenolic groups, which gives this adsorbent high versatility. For adsorption, the best preliminary test results were pH 7, 0.01% activated charcoal (m v-1) and stirring speed of 120 rpm. In the adsorption kinetic curves, better adjustments were obtained for the pseudo-second order model at concentrations of 50 and 150 mg L-1 and pseudo-first order for the concentration of 250 mg L-1. Adjustments of the Freundlich, Langmuir, Sips and Dubinin-Radushkevich models to the experimental data were performed, in which the isotherms presented better fit in Sips and Langmuir models indicating chemisorption. The thermodynamic properties indicated spontaneous, endothermic adsorption and increased randomness of the system at the solid-liquid interface. The TGA of the activated carbon showed a change in the thermal degradation profile of the material after the adsorption, indicating the presence of amoxicillin on the surface of the solid. EDS presented the elements in a greater proportion on the surface of the adsorbent before adsorption (carbon, oxygen and iron) and after adsorption (carbon, oxygen and sulfur), evidencing the presence of amoxicillin in the solid. Finally, the second adsorption cycle was performed after desorption of the activated carbon with ethanol, methanol, ethanol:water and methanol:water, in which the adsorption capacity reduced on average 59.3 % when compared to the first cycle. In general, it was possible to evaluate the removal of amoxicillin with activated carbon of mineral origin with high adsorption capacity (313,30 mg g-1 at 50 °C) and predominant monolayer chemical nature between adsorbate and adsorbent