Desenvolvimento e aplicação de materiais adsorventes de fonte natural e sintética para remoção de fármacos

Abstract

RESUMO: A contaminação de corpos hídricos por fármacos tem se tornado um desafio ambiental de grande relevância, especialmente devido ao aumento do consumo global de medicamentos, ao uso inadequado de práticas de automedicação pela população e à ineficiência das estações de tratamento de águas residuais (ETARs) em remover completamente esses compostos. Nesta tese, foram desenvolvidos e avaliados materiais adsorventes de origem natural e sintética para a remoção de dois contaminantes emergentes: ivermectina e cloroquina, ambos amplamente utilizados pela população mundial durante a pandemia de COVID-19 em tratamentos precoce da doença. No primeiro estudo, investigou-se o uso da casca da semente de Moringa oleifera Lam. funcionalizada com nanopartículas de óxido de ferro para a adsorção de ivermectina. O processo de adsorção atingiu o equilíbrio de adsorção em 400 minutos com capacidade adsortiva de 89,41 mg g?¹, ajustando-se ao modelo cinético de pseudo-primeira ordem. A isoterma de equilíbrio foi melhor descrita pelo modelo de Langmuir, com capacidade máxima de 143,76 mg g?¹. A análise termodinâmica indicou um processo espontâneo, exotérmico e reversível. O material manteve desempenho satisfatório após cinco ciclos de reuso, evidenciando seu potencial para aplicação em sistemas de tratamento de efluentes contendo ivermectina. Já o segundo estudo concentrou-se na síntese, caracterização e aplicação das sílicas mesoporosas MCM-41 e MCM-48 funcionalizadas com nanopartículas de óxido de cobalto para a remoção de cloroquina. Os materiais sintéticos desenvolvidos apresentaram alta cristalinidade, grande área superficial (SBET > 369 m² g?¹) e estruturas mesoporosas uniformes. A adsorção foi melhor descrita pelo modelo cinético de Elovich, com capacidades de equilíbrio de 25,30 mg g?¹ (MCM-41-CoO) e 24,04 mg g?¹ (MCM-48-CoO), sendo regida por quimissorção e difusão intrapartícula em múltiplas etapas. As isotermas ajustaram-se melhor ao modelo de Sips, com capacidades máximas de 24,78 mg g?¹ e 24,00 mg g?¹, respectivamente. A análise termodinâmica revelou um processo espontâneo, endotérmico e com baixa aleatoriedade, sugerindo adsorção em monocamada seguida de interações eletrostáticas. Apesar da reutilização limitada, os resultados reforçam o potencial das sílicas modificadas como adsorventes eficientes para contaminantes farmacêuticos. Os achados desta tese contribuem significativamente para o avanço do conhecimento sobre a remoção de fármacos em meio aquoso, demonstrando que materiais alternativos, de baixo custo ou com estrutura controlada, podem ser aplicados de forma eficaz no enfrentamento da poluição por contaminantes emergentes.

ABSTRACT: Water contamination by pharmaceuticals has become a highly relevant environmental challenge, especially due to the increase in global drug consumption, the population's inadequate use of self-medication practices, and the inefficiency of wastewater treatment plants (WWTPs) in completely removing these compounds. In this thesis, adsorbent materials of natural and synthetic origin were developed and evaluated to remove two emerging contaminants: ivermectin and chloroquine, both widely used by the world population during the COVID-19 pandemic in early treatment of the disease. The first study investigated the use of Moringa oleifera Lam. seed husk functionalized with iron oxide nanoparticles for ivermectin adsorption. The adsorption process reached equilibrium in 400 minutes with an adsorptive capacity of 89.41 mg g?¹, fitting the pseudo-first-order kinetic model. The Langmuir model best described the equilibrium isotherm with a maximum capacity of 143.76 mg g?¹. Thermodynamic analysis indicated a spontaneous, exothermic and reversible process. The material maintained satisfactory performance after five reuse cycles, evidencing its potential for application in effluent treatment systems containing ivermectin. The second study focused on synthesizing, characterizing, and applying mesoporous silicas MCM-41 and MCM-48 functionalized with cobalt oxide nanoparticles to remove chloroquine. The developed synthetic materials presented high crystallinity, large surface area (SBET > 369 m² g?¹) and uniform mesoporous structures. The adsorption was best described by the Elovich kinetic model, with equilibrium capacities of 25.30 mg g?¹ (MCM-41-CoO) and 24.04 mg g?¹ (MCM-48-CoO), being governed by chemisorption and multistep intraparticle diffusion. The isotherms best fitted the Sips model, with maximum capacities of 24.78 mg g?¹ and 24.00 mg g?¹, respectively. Thermodynamic analysis revealed a spontaneous, endothermic process with low randomness, suggesting monolayer adsorption followed by electrostatic interactions. Despite the limited reusability, the results reinforce the potential of the modified silicas as efficient adsorbents for pharmaceutical contaminants. The findings of this thesis contribute significantly to the advancement of knowledge on the removal of drugs in aqueous media, demonstrating that alternative materials of low cost or with controlled structure can be applied effectively in dealing with pollution by emerging contaminants.