Comprimento da cadeia alquila do SBA quaternizado

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5170 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Santa Barbara Amorphous-15 (SBA) é um material de sílica estável e mesoporoso. SBA-15 quaternizado com cadeias alquílicas (QSBA) exibe atração eletrostática para moléculas aniônicas através da porção N+ do grupo amônio, enquanto seu comprimento de cadeia alquílica determina suas interações hidrofóbicas. Neste estudo, QSBA com diferentes comprimentos de cadeia alquílica foram sintetizados usando os grupos trimetil, dimetiloctil e dimetioctadecil (C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA, respectivamente). A carbamazepina (CBZ) é um composto farmacêutico amplamente prescrito, mas é difícil de remover com tratamentos convencionais de água. As características de adsorção CBZ do QSBA foram examinadas para determinar seu mecanismo de adsorção, alterando o comprimento da cadeia alquílica e as condições da solução (pH e força iônica). Uma cadeia alquílica mais longa resultou em uma adsorção mais lenta (até 120 min), enquanto a quantidade de CBZ adsorvida foi maior para cadeias alquílicas mais longas por unidade de massa de QSBA em equilíbrio. As capacidades máximas de adsorção de C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA foram 3,14, 6,56 e 24,5 mg/g, respectivamente, obtidas pelo modelo de Langmuir. Para as concentrações iniciais de CBZ testadas (2–100 mg/L), a capacidade de adsorção aumentou com o aumento do comprimento da cadeia alquílica. Como o CBZ não se dissocia prontamente (pKa = 13,9), foi observada adsorção hidrofóbica estável apesar das alterações no pH (0,41–0,92, 1,70–2,24 e 7,56–9,10 mg/g para C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA, respectivamente); a exceção foi o pH 2. O aumento da força iônica de 0,1 para 100 mM aumentou a capacidade de adsorção do C18QSBA de 9,27 ± 0,42 para 14,94 ± 0,17 mg/g porque as interações hidrofóbicas foram aumentadas enquanto a atração eletrostática do N+ foi reduzida. Assim, a força iônica foi um fator de controle mais forte na determinação da adsorção hidrofóbica de CBZ do que o pH da solução. Com base nas alterações na hidrofobicidade, que depende do comprimento da cadeia alquílica, foi possível aumentar a adsorção de CBZ e investigar detalhadamente o mecanismo de adsorção. Assim, este estudo auxilia no desenvolvimento de adsorventes adequados para produtos farmacêuticos com controle da estrutura molecular do QSBA e das condições de solução.

A crescente produção, consumo e liberação no meio ambiente de produtos farmacêuticos e de cuidados pessoais (PPCPs) tornou-se uma preocupação global1,2. A carbamazepina (CBZ) é um dos quatro medicamentos mais prescritos para o tratamento da epilepsia e psicose3,4. O uso extensivo e a longa durabilidade/baixa degradabilidade do CBZ resultaram na sua detecção em esgotos, águas superficiais, subterrâneas e água potável4,5. A CBZ não pode ser tratada adequadamente com tratamentos convencionais de água. Portanto, estão em andamento esforços de pesquisa para remover o CBZ da fase aquosa utilizando métodos avançados, como filtração6,7,8, processos biológicos9, métodos avançados de oxidação5,8,9,10,11,12, coagulação/floculação/sedimentação13,14, e adsorção3,14,15,16,17,18,19,20. Entre os vários métodos explorados, a adsorção é particularmente atraente porque é de design simples, fácil de executar, econômica e livre de subprodutos15,16.

Como os materiais à base de carbono (CBMs) possuem altas áreas superficiais específicas e características hidrofóbicas, eles estão sendo explorados para uso em diversos campos21,22,23. Também foram amplamente estudados para uso como adsorventes com alta capacidade de sorção de compostos orgânicos24,25,26,27,28. Zhu et al.29 relataram que o coeficiente de distribuição octanol/água em relação à dissociação em pH 7 é proporcional ao desempenho de adsorção do adsorvente poroso ou CBM utilizado. Eles sugeriram que as interações hidrofóbicas ou π-π são os principais mecanismos de adsorção de PPCP. Assim, as interações hidrofóbicas entre o PPCP em questão e o adsorvente utilizado têm um efeito determinante no processo de adsorção. O pKa de uma molécula orgânica determina o pH específico no qual ocorre a protonação ou desprotonação. Assim, os PPCPs desprotonam e formam íons negativos em pH  0.967), which were acceptable for model fitting. This was probably because the experiments were not performed using high CBZ concentrations. The Langmuir model assumes monolayer adsorption, while the Freundlich model assumes multilayer adsorption32. However, both the Freundlich and Langmuir models showed linear adsorption characteristics within a certain early concentration range. Detailed characterization of the adsorption models, such as considering single and multiple layers, is not possible owing to the limited solubility of CBZ. Thus, the standard Langmuir model is a suitable one because QSBA would have a larger surface available for adsorption compared with that of CBZ. The adsorption characteristics of a number of PPCPs with limited solubility have been described previously using the Langmuir model, including CBZ50,51,52, ibuprofen29, levofloxacin53, sulfamethoxazole54,55,56, tylosin55, and 17β-estradiol56./p> 4.15 (pKa = 4.15)35. Consequently, the pH controls both the hydrophobic and hydrophilic interactions and determines the adsorption efficiency of DCF by QSBA. Figure 4 shows the effect of the initial pH on CBZ removal by QSBA. Despite the variations in the initial pH, stable adsorption capacities were observed (0.41–0.92, 1.70–2.24, and 7.56–9.10 mg/g for C1QSBA, C8QSBA, and C18QSBA, respectively); the exception was when the pH was 2 and C18QSBA was used. Thus, the pH had a limited effect on the interactions between CBZ and QSBA. However, C18QSBA showed an improved adsorption capacity of 12.06 ± 0.07 mg/g at pH 2. The pH of the CBZ solution was adjusted using HCl and NaOH. Thus, it was expected that an extremely low pH would improve the hydrophobic interactions at high concentrations of H+ and Cl-. The H+ and Cl− concentrations at pH 2 were 10 mM. It is known that when ions and proteins are present in high concentrations, they compete to interact with the water molecules, and unreacted proteins are precipitated by the hydrophobic interactions57. Similarly, Bautista-Toledo et al.58 explained that the enhancement in the adsorption of sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) on activated carbon with increasing ionic strength was owing to the decreased solvation of SDBS because of the high ionic strength, which increased the hydrophobic-interaction-based adsorption. Likewise, the high concentrations of H+ and Cl− may have enhanced the hydrophobic interactions between C18QSBA and CBZ in the present study. Similarly, the Na+ and OH− ions probably also aided the enhancement in the hydrophobic interactions when present in a high concentration at pH 10. However, the concentrations of Na+ and OH− were 0.1 mM at pH 10 and only 1/100th of those of H+ and Cl− at pH 2. The effect of the ion strength on the hydrophobic interactions between CBZ and QSBA was verified using NaCl, as described in the next section./p>