Degradação fotocatalítica da metformina utilizando catalisadores sintetizados por uma nova rota sol-gel

Abstract

RESUMO: De acordo com estudos recentes, a metformina, antidiabético de primeira escolha para tratar a diabete Mellitus 2, foi detectada em águas de rios, lençóis freáticos, águas residuais, entre outros. A resistência desse contaminante denominado de preocupação emergente aos tratamentos convencionais motiva o estudo de tratamentos terciários para sua degradação. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de catalisadores à base de óxido de zinco puro e dopados com diferentes cargas metálicas de ferro (2, 5, 8 e 10% em massa) e sua utilização na degradação fotocatalítica da metformina presente em solução aquosa. Os catalisadores foram sintetizados a partir de uma nova rota sol-gel utilizando amido de mandioca, um produto natural, como agente polimerizante e caracterizados por diferentes técnicas. Os ensaios fotocatalíticos foram realizados na presença dos catalisadores em suspensão, em um sistema batelada sob irradiação de luz ultravioleta (UV) artificial e a reação foi acompanhada por meio de cromatografia de alta eficiência (HPLC). Os resultados dos ensaios de fotólise e adsorção atingiram os valores máximos de 17% e 5%, respectivamente. Os resultados dos ensaios de fotocatálise heterogênea foram tratados estatisticamente por meio do planejamento experimental de delineamento de composto central em que as três variáveis de estudos (concentração de catalisador, concentração de dopante e pH) apresentaram p-valor menor que 0,05, sendo consideradas estatisticamente significativas. Por meio dessas análises foi possível determinar o ponto ótimo operacional que foram: concentração de dopante = 2%, concentração de catalisador = 0,1368 g L-1 e pH = 7,5. O resultado do ensaio otimizado para reação de 60 minutos foi de 88%, que condiz com o modelo estatístico estudado. Observou-se ainda que a degradação fotocatalítica da metformina gerou subprodutos de reação e suas áreas do pico de cromatograma se mantiveram estáveis durante uma reação de 180 minutos. O modelo de pseudo primeira ordem descreveu o comportamento cinético de degradação da metformina. Utilizando as mesmas condições operacionais ótimas obtidas pela estatística, foram realizados testes de degradação sob irradiação solar, obtendo-se uma degradação de 78% do contaminante em 60 minutos de reação. Para verificar a eficácia de reuso do catalisador, esferas de alginato foram confeccionadas com base no ponto ótimo operacional e se mostrou uma técnica simples e reprodutível, em que se pode observar por imagens de microscopia eletrônica de varredura uma superfície rugosa e uma dispersão homogênea do fotocatalisador. Os ensaios de reuso do catalisador mostraram que no terceiro uso o fotocatalisador perdeu significativamente sua eficiência. Por fim, os testes ecotoxicológicos realizados mostram que após o tratamento feito com o ponto ótimo do catalisador em suspensão, os subprodutos de degradação da metformina não apresentaram toxicidade frente aos bioindicadores Lactuca sativa e Artemia salina

ABSTRACT: According to recent studies, metformin, the first-choice antidiabetic to treat diabetes Mellitus 2, has been detected in river waters, groundwater, wastewater, among others. The resistance of this contaminant called emerging concern to conventional treatments motivates the study of tertiary treatments for its degradation. In this context, this work presents the development of catalysts based on pure zinc oxide and doped with different metallic charges of iron (2, 5, 8 and 10% by mass) and their use in the photocatalytic degradation of metformin present in aqueous solution. The catalysts were synthesized from a new sol-gel route using cassava starch, a natural product, as a polymerizing agent and characterized by different techniques. The photocatalytic tests were carried out in the presence of catalysts in suspension, in a batch system under artificial ultraviolet light irradiation (UV) and the reaction was followed by means of high-performance liquid chromatography (HPLC). The results of the photolysis and adsorption tests reached the maximum values of 17% and 5%, respectively. The results of the heterogeneous photocatalysis tests were statistically treated through the experimental planning of central compound design in which the three study variables (catalyst concentration, dopant concentration and pH) presented p-value less than 0.05, being considered statistically significant. Through these analyses, it was possible to determine the optimal operational point, which were: dopant concentration = 2%, catalyst concentration = 0.1368 g L-1 and pH = 7.5. The result of the assay optimized for a 60-minute reaction was 88%, which is in agreement with the studied statistical model. It was also observed that the photocatalytic degradation of metformin generated reaction by-products and its chromatogram peak areas remained stable during a reaction of 180 minutes. The pseudo first order model described the kinetic behavior of metformin degradation. Using the same optimal operating conditions obtained by statistics, degradation tests were carried out under solar irradiation, obtaining a degradation of 78% of the contaminant in 60 minutes of reaction. To verify the effectiveness of catalyst reuse, alginate beads were made based on the operational optimum and proved to be a simple and reproducible technique, in which a rough surface and a homogeneous dispersion of the photocatalyst can be observed by scanning electron microscopy images. The catalyst reuse tests showed that in the third use the photocatalyst significantly lost its efficiency. Finally, the ecotoxicological tests carried out show that after the treatment carried out with the optimum point of the catalyst in suspension, the by-products of metformin degradation did not show toxicity against the bioindicators Lactuca sativa and Artemia salina