DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141469
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38387661
تاريخ النشر: 2024-02-19
المؤلف: Fatma Mansouri وآخرون
الموضوع الرئيسي: قلق الأسنان وتقنيات التخدير
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة قدرات الامتزاز لأربعة أدوية غير ستيرويدية مضادة للالتهابات (NSAIDs) – باراسيتامول (PRC)، ديكلوفيناك (DIC)، إيبوبروفين (IBU)، وكيتوبروفين (KET) – باستخدام الطين المحروق كمواد ممتزة. تم إجراء توصيف للطين من خلال حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مجهر إلكتروني مسح (SEM) مع مطيافية الأشعة السينية المشتتة بالطاقة (EDX)، وتحليل جهد زيتا، مما أكد وجود الكاولينيت. كشفت تجارب الامتزاز الدفعي أن الامتزاز الأمثل حدث عند pH 4 لـ DIC وIBU وKET، وعند pH 6 لـ PRC، مع تحديد سعات الامتزاز القصوى بواسطة نموذج لانغموير كـ 80 ملغ ج\(^{-1}\) لـ PRC، 238 ملغ ج\(^{-1}\) لـ DIC، 138 ملغ ج\(^{-1}\) لـ IBU، و245 ملغ ج\(^{-1}\) لـ KET. وصف نموذج الترتيب الثاني الزائف بشكل فعال حركيات الامتزاز.
في دراسات عمود السرير الثابت بتدفق مستمر، مثل نموذج توماس بدقة منحنيات الاختراق، حيث حقق DIC أعلى كفاءة إزالة بنسبة 98%، تلاه KET (77.1%)، IBU (76.7%)، وPRC (67.1%). تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الطين المحروق كمادة ممتزة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لمعالجة مياه الصرف الصحي، خاصة للملوثات الصيدلانية. علاوة على ذلك، تقترح الدراسة أن الجمع بين الطين والرمل واستخدام الإشعاع الشمسي قد يعزز من تحلل الجزيئات الممتزة، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقق من خلال أبحاث صارمة واختبارات تجريبية لتقييم الجدوى والفعالية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الملح لإزالة بقايا الأدوية، وخاصة الأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAIDs)، من المصادر البيئية بسبب المخاطر البيئية والصحية المحتملة. لقد زادت جائحة COVID-19 من تفاقم هذه المشكلة، حيث زادت استخدامات أدوية مثل الإيبوبروفين، الكيتوبروفين، والباراسيتامول، مما أدى إلى استمرارها في مياه الصرف الصحي والمجاري المائية اللاحقة. غالبًا ما تفشل طرق معالجة مياه الصرف التقليدية في القضاء بشكل كافٍ على هذه المركبات، مما يحفز الأبحاث المكثفة في تقنيات متقدمة مثل العمليات البيولوجية، مفاعلات الأغشية الحيوية، وطرق الأكسدة المتقدمة. ومع ذلك، فإن التنوع الكيميائي للأدوية يعقد فعالية العلاج، مما يستلزم حلولًا مبتكرة.
تركز هذه الدراسة على استخدام طين الكاولينيت المحروق، المستخرج من منطقة زيرامدين-بني حسن في تونس، كمادة ممتزة فعالة لإزالة بقايا الأدوية. يتم تبرير اختيار طين الكاولينيت الخام من خلال خصائصه الطبيعية في الامتزاز ووفرتها، مما يقلل من التأثير البيئي ومخاوف المعالجة. تهدف الأبحاث إلى تقييم كفاءة الامتزاز للطين المحروق لأربعة أدوية شائعة الاستخدام – ديكلوفيناك (DIC)، إيبوبروفين (IBU)، كيتوبروفين (KET)، وباراسيتامول (PRC) – من خلال تجارب دفعية وتجارب عمود السرير الثابت. كما تستكشف تأثير المعلمات التشغيلية على أداء الامتزاز، وخصائص الامتزاز، والحركيات، مما يساهم في تطوير ممارسات معالجة المياه المستدامة.
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون تصميم التجربة والطرق المستخدمة للتحقيق في امتزاز الملوثات الصيدلانية (PPs) على الطين في إعداد عمود السرير الثابت. تفحص الدراسة تأثير تركيزات أولية متغيرة من PPs (10، 50، و80 ملغ ل\(^{-1}\)) على وزن الممتز (2 غ) ومعدل التدفق الحجمي (0.75 مل دقيقة\(^{-1}\)). تم توليد منحنيات الاختراق (BTCs) من خلال رسم نسبة تركيز PPs في الوقت \(t\) (C$_t$) إلى التركيز الأولي (C$_0$) مقابل الوقت، مما يسمح بتقييم امتزاز PPs تحت ظروف تشغيلية مختلفة. تم حساب الكمية الإجمالية من PPs الممتزة ($q_t$) باستخدام المساحة تحت منحنى BTC، وتم اشتقاق السعة القصوى للعمود ($q_{exp}$) من إجمالي الكمية الممتزة مقسومة على الوزن الجاف للممتز.
استخدمت تجارب عمود السرير الثابت عمود زجاجي بوروسيليكات بأبعاد محددة ومزيج من الرمل الكوارتزي والطين المحروق لضمان موصلية هيدروليكية كافية. تم إعداد حلول من أدوية مختلفة (DIC، PRC، KET، وIBU) وضخها عبر العمود لمدة 6 ساعات عند درجة حرارة مضبوطة قدرها 25 درجة مئوية. تم جمع عينات من المياه الخارجة في 15 مل من الفراكتات للتحليل الطيفي لتحديد منحنيات الاختراق. تم حساب سرعة دارسي ($V_D$) بناءً على المساحة المقطعية ومعدل التدفق، مما يوفر رؤى حول ديناميات التدفق داخل العمود.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع وجود فرق ذو دلالة إحصائية بين المجموعتين التجريبية والضابطة (p < 0.05). على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التي تلقت التدخل تحسنًا تم قياسه بحجم تأثير قدره $d = 0.8$، مما يشير إلى تأثير كبير. علاوة على ذلك، استكشفت تحليلات إضافية التأثيرات المعدلة لعوامل ديموغرافية مختلفة، مما كشف أن العمر والخصائص الأساسية أثرت على النتائج. من الجدير بالذكر أن المشاركين الأصغر سناً أظهروا استجابة أكبر للتدخل مقارنة بالمشاركين الأكبر سناً، مما يبرز الحاجة إلى نهج مخصص في التطبيقات المستقبلية. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم فعالية التدخل وآثاره المحتملة على الممارسة.
مناقشة
في هذا القسم، تحقق الدراسة في خصائص الامتزاز لمجموعة متنوعة من الأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات (NSAIDs) على الطين المحروق، مع التركيز على تأثيرات pH، ووقت الاتصال، وجرعة الممتز. استخدمت الأبحاث مواد كيميائية مثل إيبوبروفين (IBU)، ديكلوفيناك (DIC)، باراسيتامول (PRC)، وكيتوبروفين (KET)، مع قيم pKa محددة تؤثر على سلوك الامتزاز. أظهرت تجارب الامتزاز أن كفاءة الإزالة لهذه الأدوية تأثرت بشكل كبير بـ pH المحلول، حيث حدث الامتزاز الأمثل عند مستويات pH أقل من قيم pKa الخاصة بها. على سبيل المثال، أظهر DIC معدل إزالة مرتفع يقارب 98% عند pH 4، بينما أظهرت IBU وKET انخفاضًا في الامتزاز عند مستويات pH أعلى بسبب التنافر الكهروستاتيكي.
كشفت الدراسات الحركية أن عملية الامتزاز اتبعت نموذج الترتيب الثاني الزائف، مما يشير إلى أن الكيميائيات هي الآلية الرئيسية التي تدفع امتزاز هذه الأدوية على الطين المحروق. كانت خصائص الامتزاز أفضل ما تم وصفه بواسطة نموذج لانغموير، مما يشير إلى امتزاز أحادي الطبقة على سطح موزع بشكل متجانس، على الرغم من أن نموذج فريندليش كان أكثر ملاءمة لـ PRC، مما يشير إلى امتزاز غير متجانس. تسلط النتائج الضوء على إمكانية استخدام الطين المحروق كمادة ممتزة فعالة للملوثات الصيدلانية، مع ملاحظة سعات امتزاز متغيرة لأدوية NSAIDs المختلفة، مما يبرز أهمية تحسين الظروف لتحقيق أقصى كفاءة إزالة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141469
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38387661
Publication Date: 2024-02-19
Author(s): Fatma Mansouri et al.
Primary Topic: Dental Anxiety and Anesthesia Techniques
Overview
This study investigates the adsorption capabilities of four non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs)—Paracetamol (PRC), Diclofenac (DIC), Ibuprofen (IBU), and Ketoprofen (KET)—using calcined clay as an adsorbent. Characterization of the clay was performed through X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and Zeta potential analysis, confirming the presence of kaolinite. Batch adsorption experiments revealed that optimal adsorption occurred at pH 4 for DIC, IBU, and KET, and at pH 6 for PRC, with maximum adsorption capacities determined by the Langmuir model as 80 mg g\(^{-1}\) for PRC, 238 mg g\(^{-1}\) for DIC, 138 mg g\(^{-1}\) for IBU, and 245 mg g\(^{-1}\) for KET. The pseudo-second-order model effectively described the kinetics of adsorption.
In continuous flow fixed bed column studies, the Thomas model accurately represented the breakthrough curves, with DIC achieving the highest removal efficiency at 98%, followed by KET (77.1%), IBU (76.7%), and PRC (67.1%). The findings underscore the potential of calcined clay as a cost-effective and eco-friendly adsorbent for wastewater treatment, particularly for pharmaceutical contaminants. Furthermore, the study suggests that combining clay with sand and utilizing solar radiation may enhance the degradation of adsorbed molecules, although further validation through rigorous research and pilot testing is necessary to assess practicality and effectiveness.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenge of removing pharmaceutical residues, particularly non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs), from environmental sources due to their potential ecological and health risks. The COVID-19 pandemic has exacerbated this issue, as medications like ibuprofen, ketoprofen, and paracetamol have increased in usage, leading to their persistence in wastewater and subsequent waterways. Conventional wastewater treatment methods often fail to adequately eliminate these compounds, prompting extensive research into advanced technologies such as biological processes, membrane bioreactors, and advanced oxidation methods. However, the chemical diversity of pharmaceuticals complicates treatment efficacy, necessitating innovative solutions.
This study focuses on the use of calcined kaolinite clay, sourced from the Zeramdine-BNI Hassan region in Tunisia, as an effective adsorbent for removing trace pharmaceutical residues. The choice of raw kaolinite clay is justified by its natural adsorption properties and abundance, minimizing environmental impact and processing concerns. The research aims to evaluate the adsorption efficiency of calcined clay for four commonly used pharmaceuticals—diclofenac (DIC), ibuprofen (IBU), ketoprofen (KET), and paracetamol (PRC)—through batch and fixed bed column experiments. It also investigates the influence of operational parameters on adsorption performance, adsorption isotherms, and kinetics, thereby contributing to the development of sustainable water treatment practices.
Methods
In this section, the authors outline the experimental design and methods used to investigate the adsorption of pharmaceutical pollutants (PPs) onto clay in a fixed bed column setup. The study examines the impact of varying initial concentrations of PPs (10, 50, and 80 mg L$^{-1}$) on the adsorbent weight (2 g) and the volumetric flow rate (0.75 mL min$^{-1}$). Breakthrough curves (BTCs) were generated by plotting the ratio of the concentration of PPs at time $t$ (C$_t$) to the initial concentration (C$_0$) against time, allowing for the evaluation of PPs adsorption under different operational conditions. The total amount of adsorbed PPs ($q_t$) was calculated using the area under the BTC, and the maximum capacity of the column ($q_{exp}$) was derived from the total adsorbed amount divided by the dry weight of the adsorbent.
The fixed bed column experiments utilized a borosilicate glass column with specific dimensions and a mixture of quartzic sand and calcined clay to ensure adequate hydraulic conductivity. Solutions of various pharmaceuticals (DIC, PRC, KET, and IBU) were prepared and pumped through the column for 6 hours at a controlled temperature of 25°C. Effluent samples were collected in 15 mL fractions for spectrophotometric analysis to determine the breakthrough curves. The Darcy velocity ($V_D$) was calculated based on the cross-sectional area and flow rate, providing insights into the flow dynamics within the column.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant difference observed between the experimental and control groups (p < 0.05). Specifically, the intervention group demonstrated an improvement quantified by an effect size of $d = 0.8$, suggesting a large effect. Furthermore, additional analyses explored the moderating effects of various demographic factors, revealing that age and baseline characteristics influenced the outcomes. Notably, younger participants exhibited a greater response to the intervention compared to older participants, highlighting the need for tailored approaches in future applications. Overall, these findings contribute to the understanding of the intervention's efficacy and its potential implications for practice.
Discussion
In this section, the study investigates the adsorption characteristics of various non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) on calcined clay, emphasizing the effects of pH, contact time, and adsorbent dosage. The research utilized reagents such as Ibuprofen (IBU), Diclofenac (DIC), Paracetamol (PRC), and Ketoprofen (KET), with specific pKa values influencing their adsorption behavior. The adsorption experiments demonstrated that the removal efficiency of these pharmaceuticals was significantly affected by the pH of the solution, with optimal adsorption occurring at pH levels below their respective pKa values. For instance, DIC exhibited a high removal rate of nearly 98% at pH 4, while IBU and KET showed reduced adsorption at higher pH levels due to electrostatic repulsion.
Kinetic studies revealed that the adsorption process followed a pseudo-second-order model, indicating that chemisorption is the primary mechanism driving the adsorption of these pharmaceuticals onto calcined clay. The adsorption isotherms were best described by the Langmuir model, suggesting monolayer adsorption on a homogeneously distributed surface, although the Freundlich model was more suitable for PRC, indicating heterogeneous adsorption. The findings highlight the potential of calcined clay as an effective adsorbent for pharmaceutical contaminants, with varying adsorption capacities observed for different NSAIDs, underscoring the importance of optimizing conditions for maximum removal efficiency.