Longueur de la chaîne alkyle du SBA quaternisé

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5170 (2023) Citer cet article

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Santa Barbara Amorphous-15 (SBA) est un matériau de silice stable et mésoporeux. Le SBA-15 quaternisé avec des chaînes alkyle (QSBA) présente une attraction électrostatique pour les molécules anioniques via le fragment N+ du groupe ammonium, tandis que la longueur de sa chaîne alkyle détermine ses interactions hydrophobes. Dans cette étude, des QSBA avec différentes longueurs de chaîne alkyle ont été synthétisés en utilisant les groupes triméthyle, diméthyloctyle et diméthyoctadécyle (C1QSBA, C8QSBA et C18QSBA, respectivement). La carbamazépine (CBZ) est un composé pharmaceutique largement prescrit, mais il est difficile à éliminer à l’aide de traitements conventionnels de l’eau. Les caractéristiques d'adsorption CBZ du QSBA ont été examinées pour déterminer son mécanisme d'adsorption en modifiant la longueur de la chaîne alkyle et les conditions de la solution (pH et force ionique). Une chaîne alkyle plus longue entraînait une adsorption plus lente (jusqu'à 120 min), tandis que la quantité de CBZ adsorbée était plus élevée pour les chaînes alkyles plus longues par unité de masse de QSBA à l'équilibre. Les capacités d'adsorption maximales de C1QSBA, C8QSBA et C18QSBA étaient respectivement de 3,14, 6,56 et 24,5 mg/g, obtenues à l'aide du modèle de Langmuir. Pour les concentrations initiales de CBZ testées (2 à 100 mg/L), la capacité d’adsorption augmentait avec l’augmentation de la longueur de la chaîne alkyle. Étant donné que le CBZ ne se dissocie pas facilement (pKa = 13,9), une adsorption hydrophobe stable a été observée malgré les changements de pH (0,41 à 0,92, 1,70 à 2,24 et 7,56 à 9,10 mg/g pour C1QSBA, C8QSBA et C18QSBA, respectivement) ; l'exception était le pH 2. L'augmentation de la force ionique de 0,1 à 100 mM a amélioré la capacité d'adsorption du C18QSBA de 9,27 ± 0,42 à 14,94 ± 0,17 mg/g car les interactions hydrophobes ont augmenté tandis que l'attraction électrostatique du N+ a été réduite. Ainsi, la force ionique était un facteur de contrôle plus important déterminant l’adsorption hydrophobe du CBZ que le pH de la solution. Sur la base des changements d’hydrophobie, qui dépendent de la longueur de la chaîne alkyle, il a été possible d’améliorer l’adsorption du CBZ et d’étudier le mécanisme d’adsorption en détail. Ainsi, cette étude facilite le développement d’adsorbants adaptés aux produits pharmaceutiques avec un contrôle de la structure moléculaire du QSBA et des conditions de solution.

La production, la consommation et le rejet sans cesse croissants dans l’environnement de produits pharmaceutiques et de soins personnels (PPCP) sont devenus une préoccupation mondiale1,2. La carbamazépine (CBZ) est l'un des quatre produits pharmaceutiques les plus largement prescrits pour le traitement de l'épilepsie et de la psychose3,4. L'utilisation intensive et la longue durabilité/faible dégradabilité du CBZ ont permis sa détection dans les eaux usées, les eaux de surface, les eaux souterraines et l'eau potable4,5. Le CBZ ne peut pas être traité adéquatement à l’aide de traitements d’eau conventionnels. Par conséquent, des efforts de recherche sont en cours pour éliminer le CBZ de la phase aqueuse à l'aide de méthodes avancées, telles que la filtration6,7,8, les processus biologiques9, les méthodes d'oxydation avancées5,8,9,10,11,12, la coagulation/floculation/sédimentation13,14, et adsorption3,14,15,16,17,18,19,20. Parmi les différentes méthodes explorées, l’adsorption est particulièrement intéressante car elle est de conception simple, facile à mettre en œuvre, rentable et exempte de sous-produits15,16.

Étant donné que les matériaux à base de carbone (CBM) ont des surfaces spécifiques élevées et des caractéristiques hydrophobes, leur utilisation est étudiée dans divers domaines21,22,23. Ils ont également été largement étudiés pour leur utilisation comme adsorbants dotés de capacités de sorption élevées pour les composés organiques24,25,26,27,28. Zhu et al.29 ont rapporté que le coefficient de distribution octanol/eau par rapport à la dissociation à pH 7 est proportionnel à la performance d'adsorption de l'adsorbant poreux ou du CBM utilisé. Ils ont suggéré que les interactions hydrophobes ou π – π constituent les principaux mécanismes d'adsorption du PPCP. Ainsi, les interactions hydrophobes entre le PPCP considéré et l'adsorbant utilisé ont un effet déterminant sur le processus d'adsorption. Le pKa d'une molécule organique détermine le pH spécifique auquel se produit la protonation ou la déprotonation. Par conséquent, les PPCP déprotonnent et forment des ions négatifs à un pH < pKa, ce qui inhibe les interactions hydrophobes entre le CBM utilisé et le PPCP30,31. De plus, la force ionique de la phase aqueuse affecte également les interactions hydrophiles et hydrophobes32. Par conséquent, l’efficacité d’adsorption du CBZ, qui est un PPCP persistant représentatif et ne subit pas facilement de dégradation biologique et physicochimique33,34, peut être contrôlée en fonction de l’hydrophobie de l’adsorbant utilisé et des conditions environnementales telles que le pH et la force ionique.

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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