Lunghezza della catena alchilica dell'SBA quaternizzato

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5170 (2023) Citare questo articolo

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Santa Barbara Amorphous-15 (SBA) è un materiale di silice stabile e mesoporoso. L'SBA-15 quaternizzato con catene alchiliche (QSBA) mostra attrazione elettrostatica per le molecole anioniche attraverso la porzione N+ del gruppo ammonio, mentre la lunghezza della sua catena alchilica determina le sue interazioni idrofobiche. In questo studio, QSBA con diverse lunghezze di catena alchilica sono stati sintetizzati utilizzando i gruppi trimetil, dimetilottile e dimetiottadecile (rispettivamente C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA). La carbamazepina (CBZ) è un composto farmaceutico ampiamente prescritto, ma è difficile da rimuovere utilizzando i trattamenti convenzionali dell’acqua. Le caratteristiche di adsorbimento CBZ di QSBA sono state esaminate per determinare il suo meccanismo di adsorbimento modificando la lunghezza della catena alchilica e le condizioni della soluzione (pH e forza ionica). Una catena alchilica più lunga ha comportato un adsorbimento più lento (fino a 120 minuti), mentre la quantità di CBZ adsorbita era maggiore per catene alchiliche più lunghe per unità di massa di QSBA all'equilibrio. Le capacità massime di adsorbimento di C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA erano rispettivamente 3,14, 6,56 e 24,5 mg/g, come ottenuto utilizzando il modello di Langmuir. Per le concentrazioni iniziali di CBZ testate (2–100 mg/L), la capacità di adsorbimento aumentava con l'aumentare della lunghezza della catena alchilica. Poiché CBZ non si dissocia facilmente (pKa = 13,9), è stato osservato un adsorbimento idrofobico stabile nonostante le variazioni di pH (0,41–0,92, 1,70–2,24 e 7,56–9,10 mg/g per C1QSBA, C8QSBA e C18QSBA, rispettivamente); l'eccezione era pH 2. L'aumento della forza ionica da 0,1 a 100 mM ha migliorato la capacità di adsorbimento di C18QSBA da 9,27 ± 0,42 a 14,94 ± 0,17 mg/g perché le interazioni idrofobiche erano aumentate mentre l'attrazione elettrostatica dell'N+ era ridotta. Pertanto, la forza ionica era un fattore di controllo più forte nel determinare l'adsorbimento idrofobico di CBZ rispetto al pH della soluzione. Sulla base dei cambiamenti nell'idrofobicità, che dipende dalla lunghezza della catena alchilica, è stato possibile migliorare l'adsorbimento di CBZ e studiare in dettaglio il meccanismo di adsorbimento. Pertanto, questo studio aiuta lo sviluppo di adsorbenti adatti per prodotti farmaceutici con il controllo della struttura molecolare del QSBA e delle condizioni della soluzione.

La produzione, il consumo e il rilascio nell’ambiente di prodotti farmaceutici e per la cura personale (PPCP) in continua crescita sono diventati una preoccupazione globale1,2. La carbamazepina (CBZ) è uno dei quattro farmaci più prescritti per il trattamento dell'epilessia e della psicosi3,4. L'uso estensivo e la lunga durata/bassa degradabilità del CBZ hanno portato al suo rilevamento nelle acque reflue, nelle acque superficiali, nelle acque sotterranee e nell'acqua potabile4,5. La CBZ non può essere trattata adeguatamente utilizzando i trattamenti convenzionali dell'acqua. Pertanto, sono in corso sforzi di ricerca per rimuovere CBZ dalla fase acquosa utilizzando metodi avanzati, come filtrazione6,7,8, processi biologici9, metodi avanzati di ossidazione5,8,9,10,11,12, coagulazione/flocculazione/sedimentazione13,14, e adsorbimento3,14,15,16,17,18,19,20. Tra i vari metodi esplorati, l'adsorbimento è particolarmente interessante perché è semplice nel design, facile da eseguire, economico e privo di sottoprodotti15,16.

Poiché i materiali a base di carbonio (CBM) hanno aree superficiali specifiche elevate e caratteristiche idrofobiche, vengono esplorati per l'uso in vari campi21,22,23. Sono stati ampiamente studiati anche per l'uso come adsorbenti con elevate capacità di assorbimento per composti organici24,25,26,27,28. Zhu et al.29 hanno riferito che il coefficiente di distribuzione ottanolo/acqua rispetto alla dissociazione a pH 7 è proporzionale alla prestazione di adsorbimento dell'adsorbente poroso o del CBM utilizzato. Hanno suggerito che le interazioni idrofobiche o π–π siano i principali meccanismi di adsorbimento del PPCP. Pertanto le interazioni idrofobiche tra il PPCP interessato e l'adsorbente utilizzato hanno un effetto determinante sul processo di adsorbimento. Il pKa di una molecola organica determina il pH specifico al quale avviene la protonazione o la deprotonazione. Pertanto, i PPCP si deprotonano e formano ioni negativi a pH < pKa, che inibiscono le interazioni idrofobiche tra il CBM utilizzato e il PPCP30,31. Inoltre, la forza ionica della fase acquosa influenza anche le interazioni idrofile e idrofobiche32. Pertanto, l'efficienza di adsorbimento del CBZ, che è un PPCP persistente rappresentativo e non subisce facilmente degradazione biologica e fisico-chimica33,34, può essere controllata in base all'idrofobicità dell'adsorbente utilizzato e alle condizioni ambientali come pH e forza ionica.

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>

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