Avaliação de zeólitas naturais e modificadas na remoção de fármacos de águas contaminadas

Abstract

RESUMO: A contaminação das matrizes hídricas por fármacos tem se tornado uma preocupação global devido aos impactos ambientais e riscos à saúde humana. A presença desses compostos em corpos hídricos decorre do descarte inadequado e da eliminação metabólica após o consumo, tornando-os poluentes emergentes de difícil remoção. Além disso, a pandemia de COVID-19 intensificou o consumo de diversas classes de fármacos, incluindo antimaláricos, como a cloroquina (CQN), antibióticos, como a cefalexina (CFX), e antidepressivos, como a fluoxetina (FLX) e a sertralina (STL). Como os tratamentos convencionais são insuficientes para a remoção completa desses contaminantes, a adsorção surge como uma alternativa promissora devido à simplicidade do processo, facilidade de operação e baixo custo de implementação. Zeólitas naturais e modificadas destacam-se como adsorventes eficientes devido à sua estrutura porosa, seletividade, estabilidade térmica e capacidade de troca iônica. Os materiais foram caracterizados por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (DRX), fluorescência de raios X (FRX), análise termogravimétrica (TGA), potencial zeta, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). No primeiro estudo, avaliou-se o uso de zeólitas naturais (ZN) e modificadas (ZF) na remoção de CQN e CFX de meio aquoso. Os dados cinéticos seguiram o modelo de pseudossegunda ordem para ambos os fármacos. As isotermas de adsorção revelaram que o modelo de Langmuir representou melhor os dados de CQN, enquanto o modelo de Sips foi o que melhor se ajustou aos dados de CFX, com capacidades máximas de adsorção de 29.26 mg g-1 e 94.83 mg g-1, respectivamente. A adsorção ocorreu por ligações de hidrogênio, interações eletrostáticas e troca iônica. Os adsorventes foram reutilizados por cinco ciclos. Em misturas sintéticas, ZN removeu 50% dos contaminantes enquanto ZF removeu 15%. O segundo estudo comparou a adsorção de FLX em zeólitas modificadas com soluções de AgNO3, MgCl2, FeSO4 e FeCl3. A zeólita modificada com prata (ZN-AgNO3) obteve o melhor desempenho e foi selecionada para os experimentos subsequentes. O modelo cinético de pseudossegunda ordem e a isoterma de Langmuir representaram melhor os dados experimentais, com capacidade máxima de 36.36 mg g-1 . Os estudos de dessorção indicaram que o adsorvente pode ser reutilizado por quatro ciclos. ZN-AgNO3 também inibiu o crescimento de E. coli., demonstrando dupla funcionalidade. O terceiro estudo investigou o uso de zeólitas como suporte para nanopartículas de ferro obtidas por síntese verde (ZN-MO-Fe) na remoção de STL. O modelo cinético de pseudossegunda ordem e a isoterma de Sips foram os que melhor se ajustaram aos dados experimentais, com capacidade adsortiva máxima de 54,77 mg g -1 . Os parâmetros termodinâmicos indicaram que a adsorção foi espontânea, endotérmica e energeticamente favorável. O material foi regenerado por cinco ciclos, demonstrando ser um adsorvente sustentável e promissor para a descontaminação de águas. Este estudo evidenciou o potencial das zeólitas naturais e modificadas na remoção de fármacos do meio aquoso, destacando sua viabilidade e versatilidade como adsorventes para o tratamento de águas contaminadas.

ABSTRACT: The contamination of water matrices by pharmaceuticals has become a global concern owing to its environmental impact and risks to human health. The presence of these compounds in water bodies results from improper disposal and metabolic excretion after consumption, making them emerging pollutants that are difficult to remove. Furthermore, the COVID-19 pandemic has intensified the consumption of various pharmaceutical classes of drugs, including antimalarials such as chloroquine (CQN), antibiotics such as cephalexin (CFX), and antidepressants, including fluoxetine (FLX) and sertraline (STL). As conventional treatments are insufficient for the complete removal of these contaminants, adsorption has emerged as a promising alternative owing to its simplicity, ease of operation, and low implementation cost. Natural and modified zeolites are efficient adsorbents owing to their porous structures, selectivities, thermal stabilities, and ion-exchange capacities. The materials were characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy, X-ray diffraction, X-ray fluorescence spectroscopy, thermogravimetric analysis, zeta potential analysis, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and transmission electron microscopy. The first study evaluated natural (ZN) and modified (ZF) zeolites for the removal of CQN and CFX from aqueous media. The experimental data were best fitted to a pseudo-second-order kinetic model for both pharmaceuticals. Adsorption isotherms revealed that CQN followed the Langmuir model, whereas CFX was better described by the Sips model, with maximum adsorption capacities of 29.26 mg g-1 and 94.83 mg g-1, respectively. Adsorption occurs through hydrogen bonding, electrostatic interactions, and ion exchange. The adsorbent was reused for five cycles. In the synthetic mixtures, ZN removed 50% of the contaminants, and ZF removed 15%. The second study compared the adsorption of FLX on zeolites modified with AgNO3, MgCl2, FeSO4, and FeCl3 solutions. The Ag-modified zeolite (ZN-AgNO3) exhibited the best performance and was selected for subsequent experiments. The pseudo-second-order kinetic model and Langmuir isotherm best fit the experimental data, with a maximum adsorption capacity of 36.36 mg g-1 . Desorption studies indicate that the adsorbent can be reused for four cycles. ZN-AgNO3 also inhibits E. coli growth, demonstrating its dual functionality. The third study investigated the use of zeolites as supports for Fe nanoparticles obtained via a green synthesis (ZN-MO-Fe) to remove STL. The data were best fitted to the pseudo-second-order kinetic model and Sips isotherm, with a maximum adsorption capacity of 54.77 mg g-1 . Thermodynamic parameters indicated that the adsorption process was spontaneous, endothermic, and energetically favorable. This material could be regenerated over five cycles, demonstrating its potential as a promising sustainable adsorbent for water decontamination. This study highlights the potential of natural and modified zeolites for the removal of pharmaceuticals from aqueous media, emphasizing their viability and versatility as adsorbents for treating contaminated water.