Ultrasound-Assisted Synthesis of MXene-Grafted Coconut Husk Activated Carbon for Enhanced Adsorption of Carbamazepine: Batch Study and Optimization

El agua está siendo constantemente puesta a prueba por un nuevo tipo de contaminación: el residuo invisible de la medicina moderna. Cada día, las personas toman píldoras para controlar condiciones como la epilepsia y los trastornos del estado de ánimo, y cuando estos fármacos abandonan el cuerpo, a menudo terminan en el suministro de agua. Las plantas de tratamiento de agua tradicionales no están diseñadas para capturar estos rastros químicos específicos. Las moléculas son estables, lo que significa que no se descomponen fácilmente en el medio ambiente, y pueden acumularse en ríos y lagos, representando riesgos para los peces y otros animales salvajes. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de extraer estos persistentes fármacos del agua utilizando materiales que sean tanto efectivos como asequibles. El desafío radica en encontrar una sustancia que pueda agarrar estas diminutas moléculas de fármaco y sujetarlas con fuerza, sin costar una fortuna ni requerir maquinaria compleja para su funcionamiento.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad de Jadavur en la India abordaron este problema combinando dos materiales muy diferentes en una única y poderosa herramienta. Tomaron cáscaras de coco, un producto común de desecho agrícola, y las convirtieron en carbón activado, un material altamente poroso conocido por su capacidad para atrapar impurezas. A esto, añadieron una capa de MXeno, un tipo de nanomaterial sintético hecho de titanio y carbono que tiene solo unos pocos átomos de espesor. El objetivo era ver si este material híbrido podía actuar como una súper-esponja para la carbamazepina, un fármaco antiepiléptico ampliamente utilizado que es notoriamente difícil de eliminar del agua. El equipo no solo mezcló los dos; utilizaron ondas sonoras y calor para unir las láminas de MXeno directamente a la superficie del carbón de coco, creando un nuevo nanocompuesto diseñado para maximizar el área superficial disponible para atrapar el fármaco.

Los investigadores comenzaron construyendo su material desde cero. Recolectaron cáscaras de coco de una tienda local, las limpiaron y las trituraron hasta obtener un polvo fino. Este polvo fue calentado en un horno especial sin oxígeno para convertirlo en carbón vegetal, el cual fue luego tratado con productos químicos para abrir sus poros, creando el carbón activado. Por separado, sintetizaron las nanohojas de MXeno a partir de un mineral llamado fase MAX. El paso final consistió en mezclar ambos componentes en un baño líquido y utilizar ondas ultrasónicas para separarlos y distribuirlos uniformemente, seguido de un proceso de calentamiento para fusionarlos. El resultado fue un polvo oscuro y poroso donde las láminas ultra finas de MXeno estaban injertadas sobre el carbón de coco rugoso y de aspecto esponjoso.

Para probar qué tan bien funcionaba este nuevo material, el equipo lo colocó en frascos de agua que contenían el fármaco carbamazepina. Variaron las condiciones para ver qué funcionaba mejor, cambiando la cantidad de polvo utilizado, la temperatura del agua, la velocidad a la que se agitaban los frascos y la acidez de la solución. Encontraron que el material era notablemente efectivo. En las mejores condiciones, el nanocompuesto eliminó casi todo el fármaco del agua. Específicamente, cuando optimizaron el proceso, lograron una tasa de eliminación de más del 99 por ciento. El material también era capaz de retener una gran cantidad de fármaco; en una prueba, un solo gramo del material atrapó más de 427 miligramos de carbamazepina. Esta capacidad fue significativamente mayor de lo que el carbón de coco por sí solo o el MXeno por sí solo podrían lograr, demostrando que la combinación de ambos creó un material superior a la suma de sus partes.

El estudio también analizó cómo se comportaba el material bajo diferentes condiciones. Los investigadores descubrieron que el proceso de adsorción, que es el acto de que el fármaco se adhiera a la superficie, funcionaba mejor a temperaturas más altas. Esto sugiere que el proceso absorbe calor, haciéndolo más eficiente en aguas más cálidas. También encontraron que la velocidad a la que se agitaba el agua importaba; agitar demasiado lento significaba que las moléculas del fármaco no llegaban al material con rapidez suficiente, pero agitar demasiado rápido en realidad expulsaba el fármaco de la superficie, reduciendo la eficiencia. La velocidad ideal se encontró en un ritmo moderado que mantuviera el agua en movimiento sin ser violento. El material funcionó bien en una amplia gama de niveles de pH, lo que significa que podría usarse en agua ligeramente ácida o ligeramente básica, lo cual es una ventaja práctica para el tratamiento de aguas residuales en el mundo real.

Para comprender exactamente cómo el fármaco se adhería al material, el equipo examinó la superficie utilizando potentes microscopios y otras herramientas analíticas. Vieron que la superficie era rugosa y llena de diminutos agujeros, lo que proporcionaba mucho espacio para que las moléculas del fármaco se asentaran. El análisis químico mostró que el material estaba cubierto de varios grupos funcionales, como grupos de oxígeno e hidroxilo, que actuaban como diminutos ganchos para agarrar las moléculas del fármaco. Es probable que las moléculas del fármaco se adhirieran mediante una combinación de fuerzas: eran atraídas hacia la estructura de carbono a través de interacciones eléctricas, formaban enlaces de hidrógeno con los grupos superficiales y eran atrapadas físicamente dentro de los diminutos poros del carbón de coco. El estudio descartó la idea de que la simple atracción eléctrica fuera el único factor, señalando que la molécula del fármaco es mayormente neutra en el agua, por lo que el atrapamiento físico y el enlace químico jugaron los roles dominantes.

Una parte crítica de cualquier nuevo material de tratamiento de agua es si puede ser reutilizado. Los investigadores probaron esto lavando el material con soluciones ácidas y básicas para eliminar el fármaco atrapado, y luego utilizándolo de nuevo. Repitieron este ciclo siete veces. Si bien el material perdió algo de su efectividad con el tiempo, cayendo de casi el 100 por ciento de eliminación a aproximadamente el 51 por ciento en el séptimo ciclo, todavía conservó una parte significativa de su capacidad para limpiar el agua. Esto sugiere que el material es lo suficientemente duradero como para ser utilizado múltiples veces, lo cual es esencial para que el proceso sea económicamente viable. La ligera pérdida de rendimiento se debió probablemente a la degradación gradual de la estructura del material durante el proceso de lavado químico, pero el hecho de que se mantuviera en absoluto es una señal prometedora.

Los investigadores concluyeron que este nuevo material compuesto ofrece una solución práctica y eficiente para eliminar productos farmacéuticos del agua. Al convertir un producto de desecho como las cáscaras de coco en un adsorbente de alta tecnología y reforzarlo con MXeno, crearon un material que es tanto sostenible como altamente efectivo. El estudio demostró que el proceso es espontáneo, lo que significa que ocurre naturalmente sin necesidad de energía adicional para impulsarlo, y que funciona bien bajo condiciones estándar. Si bien el material aún no es una solución permanente para toda la contaminación del agua, representa un paso significativo hacia el desarrollo de herramientas asequibles y de alta capacidad para limpiar nuestros suministros de agua de residuos de fármacos peligrosos. El trabajo destaca cómo la combinación de materiales simples y naturales con la nanotecnología avanzada puede resolver problemas ambientales complejos.