Investigation of pharmaceuticals adsorption performance of a novel functionalized cellulose based adsorbent - Kalule, Samuel (My University, 2024)
İlaçlardan oluşan giderek artan sayıda organik kirletici, çevre ve toplum için endişe verici bir tehdit haline gelmiştir. İlaçlar genellikle çok küçük konsantrasyonlarda bulunur ve atık su arıtma tesislerinden geçerek çevreye yayılabilirler. Bu çalışmada, selüloz bazlı yenilikçi bir adsorban ile sudan adsorpsiyon yolu ile giderimini araştırmak için üç yaygın ilaç türü seçilmiştir. Farmasötik içeren çeşitli ilaçlar, kişisel bakım ürünleri veya endüstri bileşikleri atık su sistemlerine atılmaktadır. Organik mikrokirleticilerin sulardan uzaklaştırılması için çeşitli teknolojiler ve yöntemler tasarlanmış ve uygulanmıştır. Farmasötik kirleticilerin atık sulardan uzaklaştırılması için gelişmiş yöntemler ve mekanizmalar uygulanmaktadır. Bu teknolojiler arasında olumlu etkisi olan, aynı zamanda maliyeti uygun adsorpsiyon yöntemi de bulunmaktadır. Bu çalışmada, ticari selülozdan selüloz bazlı bir adsorban sentezlenerek, çözelti içinde organik mikrokirleticilerle reaksiyona girme yeteneğini artıran adsorban yüzeyi olarak fonksiyonel gruplar ve hidroksil grupları oluşturmak üzere etkinleştirilmiştir. Adsorbanın adsorpsiyon kapasitesinin değerlendirilmesi için sentezlenen iki adsorban seçilmiştir. Sentezlenen adsorbanlar CAc-PPUF ve CMC-HMPUF, adsorpsiyon kapasitelerini belirlemek için toplu adsorpsiyon deneyleri sırasında test edilmiştir. Her iki adsorban da farmasötiklerin sudan adsorpsiyonu için afiniteye sahiptir ancak CAc-PPUF, üç hedef bileşiğin tümü ile daha yüksek bir adsorpsiyon kapasitesi göstermiştir. CAc-PPUF bileşiğinin yapısı ve özellikleri, Fourier Dönüşümü Kızılötesi Analizi (FTIR), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), BET yüzey alanı (BET), XRD analizi ve Zeta Potansiyeli kullanılarak analiz edilmiştir. İncelenmekte olan yapı FTIR analizi ile doğrulanmıştır. SEM ve BET analizinden elde edilen veriler sırasıyla 4-9 nm gözenek yarıçapına sahip yüksek gözenekli bir yapı göstermiştir. Hücresel yapıdaki adsorbanın kristal kafesini gösteren XRD verilerine ek olarak, zeta potansiyeli ölçümleri, CAc PPUF'un sucul ortamda, çeşitli pH değerlerinde, negatif yüzey potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. İzotermleri incelemek ve değerlendirmek ve en uygun izoterm modelini elde etmek için Langmuir, Freundlich, Sips ve Dubinin-Astakhov izoterm modelleri kullanılmıştır. Tüm izotermlerin deney sonuçlarını tahmin etme potansiyellerinin oldukça benzer olduğu görülmüştür. Diklofenak ve karbamazepin için elde edilen denge sorpsiyon verileri, doğrusal olmayan regresyon yöntemi kullanılarak iki parametre izotermleri (Langmuir ve Freundich) ve üç parametre izotermleri (Sips ve Dubinin-Astakhov) ile test edilmiştir. Kirletici maddelerin konsantrasyonunun artmasıyla birlikte CAc-PPUF'un denge adsorpsiyon kapasitesindeki yüksek artışın, adsorpsiyon kapasitelerini etkilediği görülmüştür. Ancak daha sonra çözeltilerdeki denge konsantrasyonlarına göre adsorpsiyon kapasitelerindeki artış yavaşlamaktadır. Test edilen tüm modeller, 0,889'dan büyük R2 değerlerine ve 0,12'den küçük NRMSE değerlerine sahiptir. Ancak Sips modeli ile daha iyi bir uyum elde edildiği görülmüştür. Adsorpsiyon kinetiği, sabit farmasötük başlangıç konsantrasyonunda, zamana göre CAc-PPUF'un giderilme hızını incelemek amacıyla değerlendirilmiştir. Diklofenak ve ibuprofenin CAc-PPUF üzerindeki adsorpsiyon kinetiğini karakterize etmek için PSO ve Elovich adsorpsiyon mekanizmaları kullanılmıştır. CMC-PPUF ve CAc-PPUF adsorpsiyonları, FTIR ölçümleri ile de desteklendiği gibi nispeten karşılaştırılabilir sonuçlar vermiştir. Dolayısıyla her iki adsorbanın aynı kinetiğe sahip olduğu tahmin edilmektedir. CAc-PPUF tarafından farmasötik adsorpsiyonun hızlı kinetiği, başlangıç zamanında yeterli verinin toplanmasını engellemektedir. PSO kinetik denklemi sonuçları daha yüksek tahmin verimliliğine sahiptir ve PSO modeli temel fonksiyonu ile elde edilen tahmin sonuçları deneysel veriler ile oldukça tutarlıdır. CAc-PPUF'un rejenerasyonu ve yeniden kullanımı, karbamazepin, ibuprofen ve diklofenakın metanol, etanol ve su ile 4:1:1 oranında desorbe edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Rejenerasyon ve yeniden kullanım döngülerinden sonra karbamazepin, ibuprofen ve diklofenakın giderilme oranları sırasıyla %86-71, %73-66 ve %64-57’dir. Elde edilen veriler, adsorban malzemenin beş rejenerasyon döngüsünden sonra bile adsorpsiyon kapasitesini koruduğunu göstermiştir. CAc-PPUF, mükemmel yeniden kullanılabilirlik ve farmasötiklerin etkili bir şekilde uzaklaştırılması özelliklerine sahiptir.

An increasing number of organic pollutants comprising of pharmaceuticals have become an alarming threat to the environment and the community. Pharmaceuticals are usually in very small concentrations and can go through wastewater treatments plants through disposal to the environment. In this study, three common pharmaceuticals were selected to investigate the adsorption from water with a cellulose based adsorbent. Various medications, personal care products or industry compounds contain pharmaceuticals thereby are disposed of to the wastewater systems. Various technologies and methods have been designed and applied for the removal of organic micropollutants from water. Advanced methods and mechanisms have been applied for removal of pharmaceuticals pollutants from wastewater. Among these technologies, is adsorption method which have a positive impact at the same time cost effective. In this study, a cellulose based adsorbent was synthesized from commercial cellulose and activated to create functional groups and hydroxyl groups as the adsorbent surface that enhanced the ability to react in solution with the organic micropollutants. Two synthesized adsorbents were selected for the evaluation of adsorption capacity of the adsorbent. Synthesized adsorbents CAc-PPUF and CMC- HMPUF were tested during batch adsorption experiments to determine their adsorption capabilities. Both adsorbents had the affinity for the adsorption of pharmaceuticals from water, however, CAc-PPUF showed a higher adsorption capability with all the three target compounds. CAc-PPUF compound structure and characteristics were analyzed using Fourier Transform Infrared Analysis (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), BET surface area (BET), XRD analysis and Zeta Potential. The structure being studied was confirmed by FTIR analysis. Data from SEM and BET analysis showed a high porous structure with pore radius of 4-9 nm respectively. The zeta potential indicated a negative potential of CAc-PPUF and additional to the XRD data that show the crystal lattice of the cellular based adsorbent. Different isotherm models of Langmuir, Freundlich, Sips and Dubinin-Astakhov were used to study and evaluate the isotherms and get the best fit isotherm model. The results of the analysis of all the isotherms showed that the predictions were very comparable. Equilibrium sorption data obtained for diclofenac, and carbamazepine were tested for two parameter isotherms (Langmuir &Freundich) and three-parameter isotherms (Sips and Dubinin-Astakhov) using non-linear regression method. A high increase in the equilibrium sorption capacity of the CAc-PPUF with increasing concentration of the pollutants was found to impact the adsorption capacities. However, later, increase in adsorption capacities with respect to equilibrium concentrations in solutions slows down. All models tested fit with R2 values greater than 0.889 and NRMSE values less than 0.12. However, a slightly better fitting was achieved by Sips model. Adsorption kinetics were evaluated to demonstrate the rate of the removal of CAc-PPUF with respect to time at constant initial pharmaceuticals concentration. Adsorption mechanisms, PSO and Elovich were employed to characterize the adsorption kinetics of diclofenac and ibuprofen on CAc-PPUF. CMC-PPUF and CAc-PPUF adsorptions are relatively comparable as indicted by FTIR, hence predicted to have identical kinetics. Rapid kinetics of pharmaceutical adsorption by CAc-PPUF hinder the collection of adequate data initially. PSO kinetics equation results were in greater prediction efficiency and the data collected was consistent with the experimental data with a PSO model base function. Regeneration and reuse of CAc-PPUF was carried out by desorbing carbamazepine, ibuprofen and diclofenac with methanol, ethanol, and water in the ratio of 4:1:1. After regeneration and reuse cycles, the removal rates of carbamazepine, ibuprofen and diclofenac were 86-71%, 73-66% and 64-57% respectively. The data collected showed that the adsorbent material retained its adsorption capacity even after five regeneration cycles. CAc-PPUF exhibits excellent reusability performance and effective removal of pharmaceuticals.
Fonksiyonelleştirilmiş selüloz esaslı yenilikçi bir adsorbentin farmasötik adsorpsiyon performansının incelenmesi
Keywords: Adsorpsiyon; Carbamazepine; Cellulose; Çevre mühendisliği; Diclofenac; Diclofenak; Environmental engineering; Farmasötikler; Hazardous waste; Ibruprofen; Ibuprofen; Karbamazepin Adsorption; Pharmaceutical; Selüloz; Tehlikeli atıklar