The Kinetics of the ZnO Catalysed Photodegradation of Aspirin under UV Irradiation

Wasser, das durch unsere Städte und Flüsse fließt, führt zunehmend Spuren der Medikamente mit sich, die wir einnehmen. Wenn wir eine Tablette gegen Schmerzen oder Entzündungen schlucken, verarbeitet unser Körper diese, aber nicht alles davon wird abgebaut. Der Rest verlässt unser System und gelangt in das Abwasser, wo er in der Umwelt bestehen bleiben kann, was das Leben im Wasser potenziell schädigt und Ökosysteme stört. Eines der am häufigsten in diesen Gewässern gefundenen Medikamente ist Aspirin, ein Arzneimittel, das von Millionen Menschen zur Schmerzbekämpfung und zum Herzschutz verwendet wird. Während es in kontrollierten Dosen für Menschen sicher ist, stellt sein Vorhandensein in natürlichen Gewässern ein wachsendes Problem für Umweltwissenschaftler dar. Die Herausforderung besteht darin, einen Weg zu finden, diese hartnäckigen chemischen Verbindungen in harmlose Substanzen wie Wasser und Kohlendioxid zu zerlegen, ohne dabei neue Toxine zu erzeugen.

Um dies anzugehen, wenden sich Forscher an einen Zweig der Wissenschaft namens Photokatalyse. Stellen Sie sich ein Material vor, das wie eine winzige, solarbetriebene Maschine fungiert. Wenn Licht auf dieses Material trifft, erzeugt es eine elektrische Ladung, die in der Lage ist, komplexe Moleküle auseinanderzureißen. Zinkoxid, ein weißes Pulver, das häufig in Sonnencremes und Farben verwendet wird, ist ein solches Material. Wenn es zu Nanopartikeln gemahlen wird – Partikel, die so klein sind, dass sie in Milliardstel eines Meters gemessen werden – wird es bei dieser Aufgabe unglaublich effizient. Das Ziel ist es, diese Nanopartikel unter ultraviolettem Licht zu verwenden, um als Katalysator zu wirken, der den Abbau von Aspirin beschleunigt und ein hartnäckiges Schadmittel in etwas Unbedenkliches verwandelt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Wissenschaftler der Aligarh Muslim University in Indien genau, wie gut dieser Prozess für Aspirin funktioniert. Sie begannen damit, ihre eigene Charge von Zinkoxid-Nanopartikeln herzustellen. Mit einer Methode, die das Mischen chemischer Lösungen und Erhitzen beinhaltete, produzierten sie ein feines Pulver. Um sicherzustellen, dass sie das richtige Material geschaffen hatten, untersuchten sie es mit leistungsstarken Mikroskopen und lichtbasierten Scannern. Diese Werkzeuge bestätigten, dass es sich bei den Partikeln tatsächlich um Zinkoxid handelte, das in einer spezifischen Kristallstruktur angeordnet war, mit einer durchschnittlichen Größe von 32 Nanometern. Die Forscher überprüften auch die Oberfläche der Partikel und fanden heraus, dass sie mit winzigen Wassermolekülen bedeckt waren und die erwarteten chemischen Bindungen aufwiesen, was bestätigte, dass sie bereit für das Experiment waren.

Das Team gab diese Nanopartikel dann in einen Behälter mit Wasser, das mit Aspirin vermischt war, und bestrahlte die Lösung mit ultraviolettem Licht. Sie wussten aus früheren Arbeiten, dass ultraviolettes Licht allein Aspirin nicht abbauen konnte, und dass die Nanopartikel allein, ohne Licht, auch nicht viel bewirken würden. Es war die Kombination aus beiden, auf die es ankam. Als das Licht auf das Zinkoxid traf, löste es eine Reaktion aus, die hochreaktive Teilchen, sogenannte Hydroxylradikale, erzeugte. Diese Radikale sind wie winzige, aggressive Reiniger, die die Aspirinmoleküle angreifen, ihre chemischen Bindungen aufbrechen und sie schließlich in einfache, harmlose Bestandteile verwandeln.

Um den besten Weg für diesen Reinigungsprozess zu finden, testeten die Forscher mehrere Variablen. Zuerst untersuchten sie, wie viel des Zinkoxidpulvers zu verwenden ist. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von mehr Pulver anfangs half, die Reaktion zu beschleunigen, da es mehr Oberflächen gab, auf die das Licht treffen konnte, und mehr Orte, an denen sich die Reinigungradikale bilden konnten. Es gab jedoch eine Grenze. Sobald sie mehr als 50 Milligramm des Pulvers zu ihrer 50-Milliliter-Probe hinzufügten, verlangsamte sich die Geschwindigkeit der Reaktion tatsächlich. Die Wissenschaftler erklärten, dass das Wasser trüb wird, wenn zu viel Pulver hinzugefügt wird. Diese Trübung blockiert das Licht, sodass es die Partikel tief in der Mischung nicht erreicht, und die Partikel selbst können verklumpen, wodurch ihre aktiven Oberflächen verborgen bleiben. Es ist ein wenig so, als versuche man, durch einen zu dichten Nebel zu sehen; das Licht kann nicht eindringen, um seine Arbeit zu tun.

Als Nächstes testeten sie, wie die Menge an Aspirin im Wasser diesen Prozess beeinflusst. Sie variierten die Konzentration des Medikaments von einem sehr geringen bis zu einem höheren Wert. Sie beobachteten, dass mit zunehmender Menge an Aspirin auch die Rate, mit der es zerstört wurde, anstieg. Dies geschah, weil die Reinigungradikale, die durch das Licht und das Pulver mit einer konstanten Rate produziert werden, mehr Angriffsziele hatten. Mit mehr im Wasser schwebenden Aspirinmolekülen war es die Radikale weniger wahrscheinlich, ihre Energie zu verschwenden, indem sie gegeneinander stießen, und wahrscheinlicher, ein Medikamentenmolekül zu finden, um es abzubauen.

Schließlich untersuchte das Team den Säuregehalt des Wassers, welcher ein entscheidender Faktor dafür ist, wie diese chemischen Reaktionen ablaufen. Sie fügten eine spezifische Säure der Mischung hinzu, um zu sehen, wie der pH-Wert das Ergebnis beeinflusste. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Leistungspeak. Die Reaktion funktionierte am besten, wenn die Säurekonzentration auf einem bestimmten moderaten Niveau lag. Wenn das Wasser zu sauer war, sank die Effizienz. Die Forscher glauben, dass dies daran liegt, dass zu viele Säureionen die Reinigungradikale stören, indem sie diese in weniger effektive Formen umwandeln, oder weil die Säure beginnt, die Zinkoxidpartikel selbst aufzulösen, was den Katalysator beschädigt.

Während des gesamten Experiments verfolgten die Forscher den Abbau des Aspirins, indem sie maßen, wie viel von dem Medikament zu verschiedenen Zeiten noch vorhanden war. Sie verwendeten auch eine hochentwickelte Technik namens Massenspektrometrie, um die Zwischenschritte des Prozesses zu identifizieren. Sie fanden heraus, dass das Aspirin zuerst in Salicylsäure und Essigsäure zerfiel, was einfachere Verbindungen sind. Diese zerfielen dann weiter in noch kleinere Moleküle wie Hydrochinon und Mucinsäure, bevor sie schließlich in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wurden. Dies bestätigte, dass der Prozess das Medikament nicht nur versteckte, sondern es wirklich zerstörte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Zinkoxid-Nanopartikel ein hocheffektives Werkzeug zur Reinigung von Aspirin aus Wasser sind, vorausgesetzt, die Bedingungen werden sorgfältig verwaltet. Der Prozess funktioniert am besten mit einer spezifischen Menge des Katalysators, einem moderaten Säuregrad und einer stetigen Versorgung mit ultraviolettem Licht. Obwohl die Forscher anmerkten, dass der Prozess Zeit benötigt – er erreicht über 90 Prozent Entfernung nach mehreren Tagen –, bietet er eine vielversprechende, grüne Methode für den Umgang mit pharmazeutischer Verschmutzung. Durch das Verständnis dessen, wie viel Katalysator zu verwenden ist und wie man die Chemie des Wassers abstimmt, könnte dieser Ansatz eines Tages helfen, unsere Wasserwege frei von den verbleibenden Spuren der Medikamente zu halten, auf die wir angewiesen sind.