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Efficiency of fly ash geopolymer–MXene nanocomposite for ibuprofen removal from water

Este estudio demuestra que el geopolímero basado en cenizas volantes y su nanocompuesto de MXeno sirven como adsorbentes efectivos y de bajo costo para la eliminación de ibuprofeno del agua, logrando eficiencias de eliminación significativas bajo condiciones optimizadas mediante interacciones superficiales regidas por una cinética de segundo orden.

Autores originales: Nurul Atikah Heshammuddin, Nor Hidayah Abu Bakar, Saidatul Nadhirah Ruzaidi, Radin Maya Saphira Radin Mohamed, Ahmer Ali Siyal, Nurina Fitriani, Hereyra Sudan Tedong

Publicado 2026-07-03

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CC BY 4.0

Autores originales: Nurul Atikah Heshammuddin, Nor Hidayah Abu Bakar, Saidatul Nadhirah Ruzaidi, Radin Maya Saphira Radin Mohamed, Ahmer Ali Siyal, Nurina Fitriani, Hereyra Sudan Tedong

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tu río local es como una piscina gigante y cristalina. Con el tiempo, pequeñas cantidades de medicamentos —específicamente ibuprofeno, lo que tomas para los dolores de cabeza y el dolor— se han estado filtrando en esta piscina desde nuestros hogares y hospitales. Aunque las cantidades son pequeñas, estos "invitados invisibles" no pertenecen allí y pueden dañar a los peces y al ecosistema.

Este artículo de investigación es como un equipo de científicos tratando de construir una "red" mejor para atrapar a estos invitados invisibles antes de que causen problemas. Querían ver si podían fabricar una esponja súper eficiente usando dos ingredientes específicos: Ceniza Volante (un producto de desecho de las centrales eléctricas de carbón) y MXene (un material de alta tecnología, ultra delgado, hecho de titanio y carbono).

Aquí está la historia de lo que encontraron, explicada de forma sencilla:

1. Construyendo la "Súper Esponja"

Los científicos tomaron ceniza volante de desecho y la convirtieron en un material duro y poroso llamado geopolímero. Piensa en esto como una esponja rocosa y rugosa. Por sí sola, es aceptable atrapando ibuprofeno, pero tiene algunas limitaciones.

Luego, intentaron mejorar esta esponja mezclando el material de alta tecnología MXene. Imagina espolvorear purpurina ultra fina y pegajosa en la esponja rocosa. Esperaban que esta "purpurina" hiciera la esponja más pegajosa y mejor para atrapar la medicina. Hornearon esta mezcla para crear su nuevo nanocompuesto.

2. Lo que mostró el microscopio

Cuando miraron sus creaciones bajo un microscopio potente (como una lupa súper potente), vieron:

La Esponja Rocosa (Geopolímero de Ceniza Volante): Tenía muchos agujeros y recovecos diminutos, perfectos para atrapar cosas.
La Esponja Mejorada (Con MXene): Se veía un poco más caótica. La "purpurina" (MXene) se había oxidado o degradado un poco, convirtiéndose en una mezcla de óxido de aluminio y titanio. Todavía estaba allí, pero no era tan perfectamente estratificada como los científicos esperaban.

3. El experimento del "Tira y Afloja"

Para probar qué tan bien funcionaban estas esponjas, los científicos organizaron una serie de juegos de "tira y afloja" en un laboratorio. Mezclaron las esponjas con agua que contenía ibuprofeno y cambiaron las reglas para ver qué funcionaba mejor:

El factor del pH (Acidez): Al igual que algunas personas prefieren el té dulce y otras la limonada, las esponjas tenían sabores favoritos diferentes.
- La Esponja Rocosa simple funcionaba mejor en agua ligeramente neutra (como un lago tranquilo).
- La Esponja Mejorada en realidad prefería el agua ligeramente agria (ácida).
Tiempo: Dejaron las esponjas en el agua durante diferentes periodos de tiempo. Descubrieron que 2 horas era el punto ideal. Si esperaban demasiado tiempo, las esponjas se cansaban y dejaban de atrapar más medicina.
Cantidad de esponja: Probaron usar diferentes cantidades del material. Descubrieron que usar exactamente 1 gramo era la zona de equilibrio (Goldilocks). Demasiado poco, y la esponja no podía atrapar todo; demasiado, y las partículas de la esponja se apelmazaban como arena mojada, bloqueando sus propios agujeros.

4. Los resultados: ¿Quién ganó?

Aquí está el giro sorprendente de la historia. Los científicos esperaban que la "Esponja Mejorada" (con el MXene de alta tecnología) fuera la clara ganadora. Sin embargo, los resultados mostraron que:

La Esponja Rocosa Simple eliminó el 48.75% del ibuprofeno.
La Esponja Mejorada solo eliminó el 42.5%.

¿Por qué falló la mejora elegante?
Resulta que la "purpurina" (MXene) se dañó un poco durante el proceso de mezcla. Se oxidó (como cuando el hierro se oxida) y se apelmazó. En lugar de ayudar, estos grumos en realidad bloquearon algunos de los pequeños agujeros de la esponja, haciendo más difícil que el ibuprofeno entrara.

5. Cómo ocurrió la captura

Los científicos también estudiaron cómo la esponja atrapaba la medicina:

El "Apretón de Manos" (Química): Descubrieron que la esponja no solo atrapaba físicamente la medicina; de hecho, formaba débiles "apretones de manos" químicos (enlaces de hidrógeno) con las moléculas de ibuprofeno.
La Velocidad: El proceso siguió un patrón específico donde la velocidad de captura dependía de cuántos "apretones de manos" estaban disponibles, en lugar de solo qué tan rápido se movían las moléculas.

La conclusión

Esta investigación nos dice que, aunque los materiales de alta tecnología como el MXene suenan increíbles, simplemente mezclarlos con materiales de desecho no siempre garantiza un mejor resultado. En este caso específico, la esponja de ceniza volante simple, de bajo costo, hizo un mejor trabajo limpiando el agua que la versión mejorada y elegante.

El estudio concluye que estas esponjas de ceniza volante son una forma prometedora y barata de limpiar el agua, pero si queremos usar la versión de MXene de alta tecnología, necesitamos descubrir cómo evitar que la "purpurina" se oxide y se amontone para que pueda hacer su trabajo adecuadamente.

Resumen Técnico: Eficiencia de un Nanocompuesto de Geopolímero de Ceniza Volante–MXene para la Eliminación de Ibuprofeno del Agua

Planteamiento del Problema
Los residuos farmacéuticos, específicamente los antiinflamatorios no esteroideos (AINEs) como el ibuprofeno (IBU), persisten en las aguas residuales y superficiales, lo que plantea riesgos ecológicos como la disrupción endocrina y la toxicidad para la vida acuática. Las instalaciones tradicionales de tratamiento de aguas residuales suelen fallar en la eliminación efectiva de estos contaminantes, mientras que los métodos avanzados como la filtración por membrana y la oxidación avanzada enfrentan desafíos relacionados con el costo, la escalabilidad y la generación de subproductos. En consecuencia, la adsorción ha surgido como una alternativa viable y de bajo costo. Sin embargo, los adsorbentes de geopolímero de ceniza volante (FG) existentes están limitados por áreas superficiales restringidas y sitios activos parcialmente inaccesibles. Aunque los MXenes (Ti₃C₂Tₓ) poseen altas áreas superficiales y grupos funcionales que podrían mejorar la adsorción, existe una escasez de investigación que evalúe la eficacia de los geopolímeros modificados con MXene para la eliminación de fármacos.

Metodología
Este estudio sintetizó y evaluó dos adsorbentes: un geopolímero de ceniza volante estándar (FG) y un nanocompuesto de geopolímero de cenosa volante–MXene (FG-MX).

Síntesis: El MXene (Ti₃C₂Tₓ) se produjo mediante el grabado de la fase MAX (Ti₃AlC₂) con ácido fluorhídrico (HF), seguido de la delaminación en dimetilsulfóxido (DMSO) y liofilización. El compuesto FG-MX se creó mezclando el MXene en una lechada de geopolímero de ceniza volante (activada con NaOH y Na₂SiO₃), curada a 60 °C y secada.
Caracterización: Los materiales fueron analizados mediante FTIR (grupos funcionales), XRD (identificación de fases) y FESEM (morfología microestructural).
Experimentos de Adsorción: Se realizaron pruebas de adsorción por lotes para eliminar IBU de soluciones acuosas. Los parámetros optimizados mediante la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) incluyeron el pH de la solución (2–10), el tiempo de contacto, la dosis del adsorbente (0.5–1.5 g) y la concentración inicial de IBU (100–500 mg/L).
Modelado: La cinética de adsorción se evaluó utilizando los modelos de pseudo-primer orden (PFO), pseudo-segundo orden (PSO) y difusión intrapartícula. Los datos de equilibrio se ajustaron a los modelos de Langmuir, Freundlich y Temkin. Se calcularon los parámetros termodinámicos (ΔG°, ΔH°, ΔS°, Ea) para evaluar la espontaneidad y los cambios de energía.

Resultos Clave

Caracterización de Materiales: El FTIR confirmó la presencia de grupos hidroxilo (–OH) y fluoruro (–F) en ambos materiales, lo que facilita la formación de enlaces de hidrógeno. El XRD reveló una matriz de geopolímero amorfa con fases de cuarzo y hematita; el compuesto FG-MX mostró adicionalmente picos correspondientes al óxido de aluminio–titanio (Al–Ti–O), lo que indica la oxidación parcial del MXene. El FESEM mostró morfologías nanométricas heterogéneas (80–200 nm) con poros accesibles, aunque se observaron algunas estructuras laminares en el FG-MX.
Optimización: Las condiciones óptimas difirieron ligeramente entre los materiales:
- FG: pH 6, dosis de 1 g, tiempo de contacto de 120 min, concentración inicial de 100 mg/L.
- FG-MX: pH 4, dosis de 1 g, tiempo de contacto de 120 min, concentración inicial de 100 mg/L.
Eficiencia de Eliminación: Bajo las condiciones óptimas, el FG estándar logró una eficiencia de eliminación del 48.75%, mientras que el compuesto FG-MX alcanzó el 42.5%. Los autores atribuyen el menor rendimiento del FG-MX a la oxidación parcial del MXene y a la aglomeración de partículas, lo que redujo la disponibilidad de sitios activos.
Cinética e Isotermas:
- Cinética: La adsorción siguió una cinética de pseudo-segundo orden (PSO), lo que sugiere que la quimisorción y la interacción superficial gobiernan el proceso. El compuesto FG-MX mostró un alto coeficiente de correlación (R² = 0.9993) para el modelo PSO en concentraciones más altas.
- Isotermas: El modelo de Langmuir proporcionó el mejor ajuste, indicando una adsorción de monocapa. La capacidad máxima de adsorción de monocapa ( $q_{max}$ ) se calculó como 905.10 mg/g para el FG y 873.26 mg/g para el FG-MX.
Termodinámica: Se encontró que el proceso es espontáneo (ΔG° negativo) y endotérmico (ΔH° positivo), impulsado principalmente por mecanismos de fisisorción.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que los materiales basados en geopolímeros de ceniza volante son adsorbentes prometedores y de bajo costo para la eliminación de contaminantes farmacéuticos del agua. Si bien la adición de MXene no resultó en una mayor capacidad de eliminación bajo las condiciones óptimas específicas probadas —probablemente debido a la oxidación inducida por la síntesis y la aglomeración—, el compuesto FG-MX demostró una capacidad de adsorción significativa y propiedades de quimisorción robustas. El estudio concluye que la optimización de la dispersión del MXene y el control de la oxidación durante la síntesis son críticos para futuras mejoras. La investigación contribuye al desarrollo de adsorbentes sostenibles al esclarecer los mecanismos cinéticos, de equilibrio y termodinámicos involucrados en la eliminación de IBU utilizando estos materiales compuestos.