Funcionalização ácida de carvão ativado para remoção de fármacos

Abstract

RESUMO: Fármacos são compostos orgânicos com estrutura química complexa e propriedades ativas desenvolvidos para promover efeitos biológicos específicos nos organismos humanos. Os fármacos são frequentemente encontrados em diferentes corpos hídricos em concentrações na ordem de ng L-1 a mg L-1. Uma das principais preocupações é a remoção destes contaminantes do ambiente, uma vez que os tratamentos convencionais utilizados em estações de tratamentos não removem completamente os fármacos. Uma técnica complementar aos tratamentos convencionais é a adsorção em carvão ativado. Dentro deste contexto, o objetivo geral deste trabalho foi investigar o comportamento da adsorção de paracetamol e ácido acetilsalicílico em carvão de casca de coco de dendê e dos carvões funcionalizados com ácidos. O carvão ativado de dendê (CAD) foi funcionalizado com ácido sulfúrico (CADSO4), ácido nítrico (CADNO3) e ácido clorídrico (CADCL). Foram realizadas caracterizações químicas e físicas nas amostras de carvões ativados, além de estudos cinéticos e de equilíbrio em sistema monocomponente e bicomponente. A molécula de paracetamol possui forma neutra na faixa de pH 2,0-10,0 e forma aniônica acima de pH 10,0, enquanto que a molécula de AAS possui forma neutra na faixa entre pH 2,0 a 3,0 e acima de pH 3,5 têm forma aniônica. Para os carvões funcionalizados ocorreu o bloqueio dos microporos pela formação de grupos funcionais ácidos introduzidos pelos tratamentos químicos, resultando na diminuição na área específica. No método de Boehm, as amostras funcionalizadas aumentaram a quantidade de grupos ácidos, sendo que este aumento influenciou no pH=pHPCZ em que os valores de 6,5, 3,61, 3,57 e 3,76 para CAD, CADSO4, CADNO3 e CADCL, respectivamente. Pela análise no infravermelho observou-se que as amostras apresentam regiões similares, mas para as amostras funcionalizadas CADNO3 e CADSO4 a funcionalização inseriu grupos –NO2, -SO2, respectivamente. Para os ensaios de adsorção verificou-se que em meio ácido a adsorção de paracetamol e AAS foi superior em pH 10, pois neste pH ocorrem repulsões eletrostáticas entre a superfície com cargas negativas do carvão ativado e a forma aniônica dos fármacos. O modelo cinético de pseudo-segunda ordem e o modelo proposto por Langmuir foram os que melhor se ajustaram aos dados experimentais em todas as amostras, indicando a contribuição de quimissorção o que foi confirmado por meio da energia de adsorção, superior a 8 kJ mol-1 obtida pela isoterma de Dubinin-Raduskevivich. O mecanismo proposto para a adsorção dos fármacos nos carvões ativados foi a interação entre os grupos ácidos da superfície do carvão ativado com os grupos CH3, H-N, O-H e o anel aromático para a molécula de paracetamol, e o grupo CH3 e anel aromático para a molécula de ácido acetilsalicílico. Para as isotermas de adsorção multicomponente verificou-se que ambos os fármacos apresentam afinidade pela superfície do carvão ativado, e que estes competem pelos mesmos sítios de adsorção

ABSTRACT: Drugs are organic compounds with complex chemical structure and active properties designed to promote specific biological effects on human organisms. The drugs are often found at different concentrations in hydric bodies approximately ng L-1 to mg L-1. A major concern is the removal of environmental contaminants, since conventional treatments used in treatment plants do not remove completely drugs. A complementary technique to conventional treatments is adsorption on activated carbon. Inside this context, the objective this study was to functionalize the dende activated carbon with acids and investigate adsorption mechanism to paracetamol (PARA) and acetylsalicylic acid (ASA). Dende activated carbon (DAC) was functionalized with sulfuric acid (DACSO4), nitric acid (DACNO3) and hydrochloric acid (DACCL). Chemical and physical characterization was performed on samples of activated carbons and kinetic and equilibrium studies of monocomponent and bicomponent system. The paracetamol molecule has neutral form in the range pH 2.0 -10.0 and anionic form above pH 10.0, whereas ASA molecule has neutral form in the range pH 2.0 to 3.0 and above pH 3.5 have anionic form. For functionalized carbons occurred blocking of micropores by the formation of acidic functional groups introduced by chemical treatment, resulting in a decrease in the specific area. In Boehm method was observed that for samples functionalized increased amount of acid groups, and this increase influence in pH=pHPCZ on the values of 6.5, 3.61, 3.57, and 3.76 for DAC, DACSO4, CADCNO3 and DACCL respectively. By infrared analysis, it was observed that the samples have similar regions, but for samples functionalized CADNO3 and CADSO4 functionalization inserted groups –NO2, - SO2 respectively. For the adsorption studies verified that in acidic adsorption of paracetamol and ASA was more than pH 10, since this pH occurs electrostatic repulsion between the negatively charged surface of the activated carbon and the anionic form of the drug. The kinetic model of pseudo-second order and the model proposed by Langmuir were the best fit to the experimental data in all samples, indicating the chemisorption contribution. The chemisorption was also confirmed by the adsorption energy obtained by the Dubinin-Raduskevivich isotherm in that the energy absorption was more than 8 kJ mol-1. The proposed mechanism of adsorption of drugs on activated carbons is the interaction between the acid groups of the activated carbon surface with groups CH3, H-N, O-H and the aromatic ring to the paracetamol molecule, and the group CH3 and aromatic ring to acetylsalicylic acid molecule. For multicomponent adsorption isotherms was found that both drugs have affinity for the surface of the activated carbon and that they compete for the same adsorption sites