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Green Synthesis and Characterisation of Iron Oxide Nanoparticles Using Rice Husk and Orange Peel Extracts and Residue Templates (RHOPTNPs) for the Adsorptive Removal of Ciprofloxacin and Ibuprofen from Aqueous Solution

Este estudio demuestra la síntesis verde exitosa de nanopartículas de óxido de hierro utilizando extractos y residuos de cáscara de arroz y cáscara de naranja (RHOPTNPs), las cuales eliminan eficazmente la ciprofloxacina y el ibuprofeno de soluciones acuosas a través de un mecanismo de adsorción de monocapa espontáneo impulsado por quimisorción.

Autores originales: Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

Publicado 2026-10-06

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CC BY 4.0

Autores originales: Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

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

El agua es la savia de nuestro planeta, pero cada vez transporta una carga oculta: rastros de los medicamentos que hemos tomado. Cuando las personas toman antibióticos o analgésicos, el cuerpo no absorbe cada molécula. Lo que queda fluye fuera de los hogares y hospitales, llegando eventualmente a ríos y lagos. Estos residuos farmacéuticos son peligrosos porque persisten en el medio ambiente y pueden fomentar que las bacterias se vuelvan resistentes al tratamiento, lo que representa una amenaza a largo plazo para la salud pública. Las plantas de tratamiento de agua tradicionales fueron construidas para eliminar partículas grandes y bacterias, no estos diminutos rastros químicos disueltos. Para resolver esto, los científicos están recurriendo a un enfoque diferente: el uso de diminutas partículas de óxido de hierro, que actúan como esponjas microscópicas que pueden atrapar estos medicamentos del agua. Sin embargo, fabricar estas partículas suele requerir productos químicos agresivos y una alta energía. Un camino más sostenible es cultivarlas utilizando plantas, un método conocido como síntía verde, que convierte los desechos en una herramienta útil.

En un estudio reciente, investigadores en Nigeria exploraron cómo fabricar estas nanopartículas de óxido de hierro utilizando dos tipos comunes de desechos agrícolas: cascarilla de arroz y cáscaras de naranja. En lugar de desechar estos materiales, el equipo los combinó para crear un molde natural para la construcción de las nanopartículas. Tomaron los trozos sólidos sobrantes de las cáscaras y las pieles, los mezclaron con agua para crear un extracto y luego añadieron sales de hierro a esta mezcla. Los materiales vegetales actuaron como un andamio, guiando al hierro para que se formara en diminutas partículas magnéticas, mientras también las recubrían con sustancias químicas naturales de las plantas. El material resultante, al cual los investigadores llamaron RHOPTNPs, fue probado para ver si podía extraer eficazmente dos medicamentos específicos —la ciprofloxacina, un antibiótico, y el ibuprofeno, un analgésico— del agua contaminada.

El equipo primero examinó la naturaleza física de su nuevo material para comprender qué habían creado. Descubrieron que las nanopartículas tenían aproximadamente 76 nanómetros de tamaño, una escala tan pequeña que millones podrían caber en la cabeza de un alfiler. Más importante aún, el material era increíblemente poroso, lo que significa que tenía una vasta red de diminutos agujeros y túneles en su interior. Esta estructura le otorgó a las nanopartículas una superficie masiva, permitiéndoles interactuar con una gran cantidad de agua a la vez. El análisis también confirmó que las partículas eran magnéticas, una característica crucial que permite extraerlas fácilmente del agua con un imán después de haber cumplido su función, en lugar de necesitar ser filtradas. La superficie de estas partículas estaba cubierta con moléculas orgánicas del arroz y la naranja, lo que ayudó a estabilizar las partículas y probablemente proporcionó los "ganchos" químicos necesarios para atrapar los medicamentos.

Cuando los investigadores probaron el material en el laboratorio, descubrieron que funcionaba excepcionalmente bien bajo condiciones específicas. Para el antibiótico ciprofloxacina, las nanopartículas eliminaron casi el 99.5 por ciento del fármaco del agua cuando se usaron en la cantidad adecuada y se les dio unos 40 minutos para actuar. El proceso funcionó mejor a un nivel de pH neutro, que es similar a la acidez del agua pura, y funcionó incluso mejor a medida que la temperatura del agua aumentaba ligeramente. En contraste, la eliminación de ibuprofeno alcanzó aproximadamente un 92 por ciento de eficiencia bajo condiciones similares, pero este fármaco se comportó de manera diferente: las nanopartículas fueron más efectivas para eliminarlo cuando el agua estaba más fría. Esta diferencia sugiere que los dos medicamentos se adhieren a las partículas a través de mecanismos ligeramente distintos, con un proceso que requiere calor para proceder eficientemente y otro que se ralentiza a medida que el agua se calienta.

El estudio también observó cómo se comportaba el material a lo largo del tiempo y en escenarios del mundo real. Los investigadores descubrieron que las nanopartículas podían utilizarse repetidamente. Después de ser lavadas y reutilizadas cuatro veces, el material todavía eliminaba aproximadamente el 92 por ciento de la ciprofloxacina que había capturado inicialmente, mostrando una fuerte durabilidad. Sin embargo, su capacidad para capturar ibuprofeno disminuyó de manera más significativa tras el uso repetido, lo que sugiere que los sitios de unión para el ibuprofeno son más difíciles de limpiar y reutilizar. A pesar de esto, el material demostró ser efectivo cuando se probó en muestras reales de aguas residuales tomadas de hospitales y zonas residenciales en Kaduna. En estas mezclas complejas, que contienen muchas otras sustancias además de los medicamentos objetivo, las nanopartículas aun así lograron eliminar una parte significativa de ambos fármacos, con tasas de eliminación que oscilaban entre el 80 y el 97 por ciento dependiendo de la muestra y el medicamento específico.

Los hallazgos indican que convertir los desechos agrícolas en un limpiador de agua de alta tecnología es una estrategia viable y prometedora. El proceso no se trata solo de eliminar la contaminación; se trata de crear valor a partir de materiales que de otro modo serían desechados. Al utilizar la química natural de la cascarilla de arroz y las cáscaras de naranja, los investigadores crearon un adsorbente magnético que es barato de fabricar, fácil de recuperar del agua y altamente efectivo para limpiar contaminantes farmacéuticos. Si bien el estudio confirma que el material funciona bien en entornos controlados y también en aguas residuales reales, los autores señalan que se necesitan más pruebas para comprender completamente las interacciones químicas exactas que ocurren en la superficie de las partículas y para ver cómo funciona el sistema a una escala mayor. No obstante, este trabajo ofrece un paso concreto hacia un futuro donde la limpieza de nuestra agua podría depender tanto de los campos que nos alimentan como de las fábricas que tratan nuestros desechos.

Resumen Técnico: Síntesis Verde y Caracterización de Nanopartículas de Óxido de Hierro Utilizando Extractos y Residuos de Cáscara de Arroz y Cáscara de Naranja (RHOPTNPs)

Planteamiento del Problema
La liberación continua de residuos farmacéuticos, específicamente antibióticos como la ciprofloxacina (CIP) y antiinflamatorios no esteroideos como el ibuprofeno (IBU), en entornos acuáticos plantea riesgos significativos para la ecología y la salud pública. Los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales suelen ser ineficaces para eliminar estos microcontaminantes. Si bien la adsorción mediante nanopartículas de óxido de hierro (IONPs) ofrece una solución prometedora debido a su alta área superficial y recuperabilidad magnética, los métodos de síntesis convencionales dependen frecuentemente de productos químicos peligrosos y altos aportes de energía. Además, muchos enfoques de síntesis verde utilizan únicamente extractos vegetales, descuidando el potencial de los residuos agrícolas para servir como plantillas estructurales que podrían mejorar las propiedades texturales y facilitar la valorización de residuos.

Metodología
El estudio empleó una ruta de coprecipitación verde para sintetizar nanopartículas de óxido de hierro (designadas como RHOPTNPs) utilizando un sistema de doble componente: extractos acuosos y residuos de biomasa insolubles retenidos de cáscara de arroz y cáscara de naranja.

Síntesis: Se combinaron masas iguales de cáscara de arroz y cáscara de naranja, se dispersaron en agua y se calentaron. El residuo de biomasa retenido actuó como una plantilla estructural natural. Se añadieron precursores de hierro (FeCl₂·4HO₂ y FeCl₃·6H₂O en una relación molar de 1:2) a la suspensión de extracto-residuo, y se ajustó el pH a 11 con NaOH para inducir la precipitación.
Caracterización: El material resultante fue analizado mediante espectroscopía UV-Vis, FTIR, Dispersión de Luz Dinámica (DLS), SEM-EDS, Difracción de Rayos X (XRD), análisis de área superficial BET y Análisis Termogravimétrico (TGA).
Estudios de Adsorción: Experimentos por lotes evaluaron la eliminación de CIP e IBU bajo diversas condiciones: dosis del adsorbente, tiempo de contacto, concentración inicial, pH de la solución y temperatura (300–320 K).
Modelado: Los datos de equilibrio se ajustaron a los modelos de isotermas de Langmuir, Freundlich y Temkin. Los datos cinéticos se analizaron mediante los modelos de pseudo-primer orden, pseudo-segundo orden, difusión intrapartícula y el modelo de Elovich. Se calcularon los parámetros termodinámicos ( $\Delta G^\circ$ , $\Delta H^\circ$ , $\Delta S^\circ$ ).
Validación: El rendimiento del adsorbente se probó en muestras reales de aguas residuales hospitalarias y domésticas de la metrópolis de Kaduna, y su reutilización se evaluó a lo largo de cuatro ciclos de adsorción–desorción.

Resultados Clave

Propiedades del Material: Las RHOPTNPs formaron nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) con morfología cúbica y de tipo "capped" (con recubrimiento), con un tamaño de cristalito de aproximadamente 77.16 nm y un diámetro hidrodinámico de 76.24 nm. El material exhibió un alto área superficial BET de 846.28 m² g⁻¹ y un volumen de poro de 0.6582 cm³ g⁻¹. El FTIR confirmó la presencia de grupos funcionales derivados de la biomasa (hidroxilo, aromático, C–O) recubriendo la fase de óxido de hierro.
Desempeño de Adsorción: Bajo condiciones optimizadas (dosis de 80 mg, tiempo de contacto de 40 min, pH 7, 320 K), las RHOPTNPs lograron una eficiencia máxima de eliminación de CIP del 99.45%. Para el IBU, bajo condiciones similares (dosis de 60 mg, 35 min, pH 9, 300 K), la eliminación alcanzó el 92.21%.
Isotermas y Cinética: Los datos de equilibrio se ajustaron mejor al modelo de isoterma de Langmuir para ambos contaminantes, lo que sugiere una adsorción de monocapa en sitios homogéneos. Las capacidades máximas de adsorción ( $q_{max}$ ) fueron de 9.34 mg g⁻¹ para CIP y 112.36 mg g⁻¹ para IBU. Los datos cinéticos siguieron el modelo de pseudo-segundo orden, indicando un proceso impulsado por quimisorción.
Termodinámica: La adsorción de CIP resultó ser espontánea y endotérmica ( $\Delta H^\circ = 87.85$ kJ mol⁻¹), mientras que la de IBU fue espontánea y exotérmica ( $\Delta H^\circ = -38.49$ kJ mol⁻¹).
Reutilización y Aplicación en el Mundo Real: El adsorbente retuvo aproximadamente el 92.38% de su eficiencia inicial de eliminación de CIP y el 66.13% de la de IBU tras cuatro ciclos. En muestras reales de aguas residuales, las RHOPTNPs demostraron una eliminación efectiva, con eficiencias que oscilaron entre el 80.95% y el 94.50% para CIP y entre el 86.80% y el 97.05% para IBU.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que las RHOPTNPs representan un adsorbente sostenible y de bajo costo derivado de la valorización de residuos agrícolas. Al utilizar tanto el extracto como el residuo como plantilla, el estudio aborda los objetivos duales de la gestión de residuos y el desarrollo de nanomateriales funcionales. La naturaleza magnética de las nanopartículas facilita la separación sencilla del agua tratada, superando los desafíos comunes de recuperación asociados con los adsorbentes no magnéticos. Los autores concluyen que las RHOPTNPs son un candidato prometedor para la remediación de aguas contaminadas con fármacos, particularmente para CIP e IBU, aunque señalan que los mecanismos de adsorción propuestos (atracción electrostática, enlaces de hidrógeno, interacciones $\pi$ – $\pi$ ) se infieren de datos indirectos y requieren una verificación espectroscópica directa adicional en trabajos futuros.

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