Natural-based biocomposites of chitosan, β-cyclodextrin, and potato peel waste for the adsorptive removal of sunset yellow and diclofenac

Resumen Técnico: Biocompuestos de base natural para la eliminación por adsorción de Sunset Yellow y Diclofenaco

Planteamiento del Problema
El estudio aborda el desafío ambiental planteado por los contaminantes emergentes en los sistemas acuáticos, específicamente el colorante azoico aniónico Sunset Yellow (SY) y el fármaco antiinflamatorio no esteroideo diclofenaco potásico (DCP). Estas sustancias exhiben una alta persistencia, baja biodegradabilidad y potenciales efectos ecotoxicológicos, incluyendo la bioacumulación y daños a la vida acuática. Los métodos de tratamiento convencionales a menudo sufren limitaciones como altos costos operativos, la formación de subproductos tóxicos o una eficiencia insuficiente para contaminantes de baja concentración. En consecuencia, existe la necesidad de adsorbentes sostenibles, de bajo costo y eficientes capaces de eliminar estos contaminantes específicos de las aguas residuales.

Metodología
La investigación se centró en la síntesis y evaluación de biocompuestos híbridos (BCs) derivados de residuos de cáscara de papa (PPW), $\beta$-ciclodextrina ($\beta$-CD) y quitosano (CS).

• Síntesis de Materiales: Se prepararon siete biocompuestos distintos (BC-1 a BC-7) utilizando diversas proporciones de peso de PPW, $\beta$-CD y CS. La preparación implicó la mezcla de estos componentes con ácido cítrico anhidro (agente de reticulación) y $KH_2PO_4$ (catalizador), seguido de calentamiento a 140 °C durante 7 horas.
• Caracterización: Los materiales fueron analizados mediante Espectroscopía de Transformada de Fourier (FTIR), Difracción de Rayos X (XRD), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) con Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS) y Análisis Termogravimétrico (TGA). Notablemente, se omitió el análisis de área superficial BET/BJH debido a la sensibilidad térmica de los materiales.
• Experimentos de Adsorción: Se realizaron experimentos de lote para evaluar la eliminación de SY y DCP. Las variables clave incluyeron la optimización del pH (rango 2.0–10.0), estudios cinéticos (hasta 120 minutos) e isotermas de equilibrio (concentraciones de hasta 500 mg L$^{-1}$ para SY y 150 mg L$^{-1}$ para DCP).
• Modelado y Reutilización: Los datos cinéticos se ajustaron a los modelos de pseudo-primer orden (PFO), pseudo-segundo orden (PSO) y de orden general. Los datos de equilibrio se analizaron mediante los modelos de Langmuir, Freundlich, Sips y Hill. El material más eficiente, BC-5, fue sometido a pruebas de regeneración utilizando 0.5 M de NaOH durante cinco ciclos consecutivos.

Contribuciones Clave y Resultados

• Caracterización de Materiales: La caracterización confirmó la reticulación exitosa de los tres componentes. Los espectros de FTIR indicaron la formación de enlaces éster y la presencia de abundantes grupos –OH y –NH$_2$. El análisis XRD reveló que el aumento del contenido de quitosano redujo la cristalinidad de la $\beta$-CD, resultando en estructuras predominantemente amorfas. Las micrografías SEM mostraron que el BC-5 (que contiene una mayor proporción de quitosano) poseía una estructura granular con un aumento en la rugosidad superficial, lo cual es favorable para la adsorción. El TGA confirmó una estabilidad térmica suficiente para su aplicación.
• Condiciones Óptimas: Para ambos, SY y DCP, la eficiencia de adsorción dependió fuertemente del pH, observándose un rendimiento óptimo a pH 4.0. Esto se atribuye a la protonación de los grupos amino del quitosano (formando –NH$_3^+$), lo que facilita la atracción electrostática con los contaminantes aniónicos.
• Desempeño de Adsorción:
  • Sunset Yellow (SY): El modelo cinético de orden general proporcionó el mejor ajuste, mientras que el modelo de isoterma de Sips describió mejor los datos de equilibrio. El BC-5 demostró la mayor capacidad de adsorción entre todos los materiales probados, alcanzando 221.89 mg g$^{-1}$.
  • Diclofenaco Potásico (DCP): El modelo de pseudo-segundo orden (PSO) describió mejor la cinética, lo que sugiere quimisorción o interacciones superficiales específicas. El modelo de Sips también proporcionó el mejor ajuste para las isotermas, indicando un comportamiento de adsorción cooperativa. El BC-5 alcanzó una capacidad máxima de adsorción modelada de 151.1 mg g$^{-1}$.
• Regeneración: El BC-5 exhibió una buena capacidad de reutilización. Para SY, el material mantuvo un desempeño estable durante cinco ciclos. Para DCP, la capacidad de adsorción aumentó durante los primeros cuatro ciclos antes de disminuir en el quinto, probablemente debido a la reorganización progresiva de los sitios activos y la eventual agotación parcial.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que los biocompuestos sintetizados, particularmente el BC-5, representan una alternativa prometedora, sostenible y de bajo costo para el tratamiento de aguas residuales. El estudio destaca la integración sinérgica de residuos agroindustriales (cáscaras de papa) con biopolímeros funcionales ($\beta$-CD y quitosano) para crear adsorbentes efectivos.

Los autores afirman que el BC-5 ofrece un rendimiento competitivo en comparación con adsorbentes más complejos y costosos reportados en la literatura (como los MOFs y el grafeno funcionalizado), utilizando al mismo tiempo una ruta de síntesis más simple. La capacidad del material para eliminar eficazmente tanto colorantes aniónicos como productos farmacéuticos persistentes, combinada con su potencial de regeneración, lo posiciona como una opción viable para el tratamiento de efluentes que contienen estos contaminantes emergentes. El trabajo enfatiza la alineación de este enfoque con los principios de la economía circular mediante la valorización de los residuos de cáscara de papa.