Eliminación multicomponente de sulfonamidas del agua mediante carbón activado

Abstract

El aumento del consumo de antibióticos es una problemática que afecta hoy en día a todos los seres vivos, debido a que sólo un porcentaje de éstos son asimilados por el organismo, lo que incrementa su presencia de manera continua en las aguas residuales. Dentro de los antibióticos más comúnmente aplicados están las sulfonamidas, las cuales son empleadas en humanos para curar enfermedades infecciosas y en animales como suplemento alimenticio. Por lo tanto, en este trabajo se investigó el equilibrio, velocidad y adsorción en régimen dinámico de tres sulfonamidas (sulfametoxazol (SMX), sulfametazina (SMT) y sulfadiazina (SMD)). Los estudios se realizaron de manera individual y multicomponente empleando como adsorbente carbón activado granular F400. El equilibrio de adsorción multicomponente se llevó a cabo mediante la aplicación de un diseño de experimentos de superficie de respuesta, empleando el pH, temperatura, y concentraciones iniciales de las sulfonamidas como factores de entrada, y las capacidades de adsorción como respuestas. El carbón activado se caracterizó química y texturalmente para obtener el área específica y el contenido de grupos funcionales. Los resultados evidenciaron que el carbón activado tiene un área específica BET de 691 m2/g y está constituido principalmente por microporos. Además, se encontró que posee una mayor cantidad de sitios básicos (0.486 meq/g) resultando en un punto de carga cero de 9.43. Los resultados del equilibrio de adsorción individual se interpretaron de una mejor manera con el modelo de Prautnitz-Radke. Las máximas capacidades de adsorción encontradas fueron de 1.3 mmol/g para SMX, 0.71 mmol/g para SMT y 1.0 mmol/g para SMD a pH de 6 y T de 25 °C. Por consiguiente, el carbón F400 presentó una mayor afinidad hacia el SMX debido a que es una molécula aceptora de electrones por los grupos funcionales que contiene (anillo N y O-heteroaromático) y que el mecanismo está dado por interacciones ᴨ-ᴨ a las condiciones antes mencionadas. Por otro lado, en el estudio de adsorción multicomponente se encontró una capacidad de adsorción total de 2.41 mmol/g, es decir, capacidades mucho mayores que las obtenidas individualmente, lo cual sugiere que la adsorción se lleva a cabo por un mecanismo de adsorción en multicapa. Además, se confirmó que el carbón F400 presentó una afinidad superior para el SMX, seguido por el SMD y SMT, respectivamente. El estudio cinético de adsorción individual demostró que los datos experimentales se interpretaron de una mejor manera con el modelo cinético de pseudo segundo orden, cuyas constantes de velocidad variaron de 0.0544 a 0.0051 g/mmol min, 0.0224 a 0.0044 g/mmol min y 0.0503 a 0.0055 g/mmol min para SMD, SMT y SMX; respectivamente. En el estudio multicomponente se encontraron valores similares de estas constantes, concluyendo que la velocidad de adsorción no se afecta por la presencia de más de una sulfonamida. El estudio dinámico permitió la caracterización de la columna de adsorción individual obteniendo capacidades de adsorción hasta el punto de saturación de 1.011 mmol/g para SMD, 0.655 para SMT y 1.146 para SMX, mientras que para el estudio multicomponente se obtuvieron valores de 0.306 mmol/g para el SMT, 0.278 mmol/g para el SMD y 0.260 mmol/g para el SMX. Los datos experimentales de las curvas de ruptura se interpretaron adecuadamente con el modelo de Yan, debido a que este modelo toma como referencia una cinética de segundo orden. La razón del uso del adsorbente (Ur) demostró que el CAG F400 es más eficiente para remover SMX seguido de SMD y SMT en forma individual, mientras que para la mezcla multicomponente es mejor para remover SMT seguido de SMD y SMX.

Nowadays, the increase of the antibiotics demand is a problem that affects all the live organisms, because only a certain percentage of them are absorbed by the organism, which increases their presence in the wastewater in a continuous way. Among the most commonly applied antibiotics are sulfonamides, which are used in humans to cure infectious diseases and in animals as a food supplement. Therefore, in this work was investigated the equilibrium, rate and adsorption in dynamic regime of three sulfonamides (sulfamethoxazole (SMX), sulfametazine (SMT) and sulfadiazine (SMD)). The studies were carried out in a single and multicomponent mode using granular activated carbon F400. The multicomponent adsorption equilibrium was carried out by the application of a response surface experiment design, using as input factors the pH, temperature, and initial concentrations of the sulfonamides, and the adsorption capacities as responses. The activated carbon was chemically and texturally characterized to obtain the surface area and the functional group content. The results showed that the activated carbon has a BET area of 691 m2/g and is mainly composed by micropores. In addition, it was found to have a higher number of basic sites (0.486 meq/g) resulting in a point of zero charge of 9.43. The results of the single adsorption equilibrium were interpreted in a better way with the Prautnitz Radke model. The maximum adsorption capacities found were 1.3 mmol/g for SMX, 0.71 mmol/g for SMT and 1.0 mmol/g for SMD at pH 6 and T 25 °C. Consequently, the F400 carbon exhibited a higher affinity towards SMX due to its ability to accept electrons by the functional groups it contains (N and O-ring heteroaromatic) and that the adsorption mechanism is given by - interactions. On the other hand, the multicomponent adsorption study resulted with a total adsorption capacity of 2.41 mmol/g, i.e. much higher capacities than those obtained individually, suggesting that adsorption is carried out by a multilayer adsorption mechanism. In addition, it was confirmed that F400carbon had a higher affinity for SMX, followed by SMD and SMT, respectively. The single adsorption kinetic study showed that the experimental data were better interpreted with the pseudo second order kinetic model, whose rate constants varied from 0.0544 to 0.0051 g/mmol min, 0.0224 to 0.0044 g/mmol min and 0.0503 to 0.0055 g/mmol min for SMD, SMT and SMX; respectively. Similar values of these constants were found in the multicomponent study, concluding that the adsorption rate is not affected by the presence of more than one sulfonamide. The dynamic study allowed the characterization of the individual adsorption column obtaining adsorption capacities up to the saturation point of 1.011 mmol/g for SMD, 0.655 for SMT and 1.146 for SMX, while for the multicomponent study values of 0.306 mmol/g for SMT, 0.278 mmol/g for SMD and 0.260 mmol/g for SMX were obtained. The experimental data of the breakthrough curves were properly interpreted with the Yan model, because this model takes as reference a second order kinetics. The use ratio of the adsorbent (Ur) showed that the F400 CAG is more efficient for removing SMX followed by SMD and SMT individually, while for the multicomponent mixture it is better for removing SMT followed by SMD and SMX.