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

L'acqua viene costantemente messa alla prova da un nuovo tipo di inquinamento: il residuo invisibile della medicina moderna. Ogni giorno, le persone assumono pillole per gestire condizioni come l'epilessia e i disturbi dell'umore, e quando questi farmaci lasciano il corpo, finiscono spesso nelle riserve idriche. Gli impianti di trattamento delle acque tradizionali non sono progettati per catturare questi specifici residui chimici. Le molecole sono stabili, il che significa che non si degradano facilmente nell'ambiente, e possono accumularsi in fiumi e laghi, ponendo rischi per i pesci e altri animali selvatici. Gli scienziati cercano da tempo un modo per estrarre questi persistenti farmaci dall'acqua utilizzando materiali che siano sia efficaci che convenienti. La sfida consiste nel trovare una sostanza che possa agganciare queste minuscole molecole di farmaco e tenerle strette, senza costare una fortuna o richiedere macchinari complessi per funzionare.

In uno studio recente, i ricercatori della Jadavpur University in India hanno affrontato questo problema combinando due materiali molto diversi in un unico, potente strumento. Hanno preso gusci di cocco, un comune prodotto di scarto agricolo, e li hanno trasformati in carbone attivo, un materiale altamente poroso noto per la sua capacità di intrappolare le impurità. A questo, hanno aggiunto uno strato di MXene, un tipo di nanomateriale sintetico composto da titanio e carbonio che è spesso solo pochi atomi. L'obiettivo era vedere se questo materiale ibrido potesse agire come una super-spugna per la carbamazepina, un farmaco antiepilettico ampiamente utilizzato e notoriamente difficile da rimuovere dall'acqua. Il team non si è limitato a mescolare i due; ha utilizzato onde sonore e calore per legare i fogli di MXene direttamente sulla superficie del carbonio di cocco, creando un nuovo nanocomposito progettato per massimizzare la superficie disponibile per intrappolare il farmaco.

I ricercatori hanno iniziato costruendo il loro materiale partendo da zero. Hanno raccolto gusci di cocco da un negozio locale, li hanno puliti e macinati in una polvere fine. Questa polvere è stata riscaldata in un forno speciale senza ossigeno per trasformarla in carbone, che è stato poi trattato con sostanze chimiche per aprire i suoi pori, creando il carbone attivo. Separatamente, hanno sintetizzato i nanosheets di MXene da un minerale chiamato fase MAX. L'ultimo passaggio ha comportato la miscelazione dei due componenti in un bagno liquido e l'uso di onde ultrasoniche per separarli e distribuirli uniformemente, seguiti da un processo di riscaldamento per fonderli insieme. Il risultato è stata una polvere scura e porosa, dove gli ultrasottili fogli di MXene erano innestati sulla superficie ruvida e simile a una spugna del carbonio di cocco.

Per testare quanto bene funzionasse questo nuovo materiale, il team lo ha inserito in barattoli d'acqua contenenti il farmaco carbamazepina. Hanno variato le condizioni per vedere cosa funzionasse meglio, cambiando la quantità di polvere utilizzata, la temperatura dell'acqua, la velocità con cui i barattoli venivano agitati e l'acidità della soluzione. Hanno scoperto che il materiale era straordinariamente efficace. Nelle migliori condizioni, il nanocomposito rimuoveva quasi tutto il farmaco dall'acqua. Nello specifico, quando hanno ottimizzato il processo, hanno ottenuto un tasso di rimozione superiore al 99 percento. Il materiale era anche capace di trattenere una grande quantità di farmaco; in un test, un singolo grammo del materiale ha intrappolato più di 427 milligrammi di carbamazepina. Questa capacità era significativamente superiore a quella che il solo carbonio di cocco o il solo MXene potevano raggiungere, dimostrando che la combinazione dei due creava un materiale superiore alla somma delle sue parti.

Lo studio ha anche esaminato come il materiale si comportava sotto diverse condizioni. I ricercatori hanno scoperto che il processo di adsorbimento, ovvero l'atto del farmaco che aderisce alla superficie, funzionava meglio ad temperature più elevate. Ciò suggerisce che il processo assorbe calore, rendendolo più efficiente in acqua più calda. Hanno anche scoperto che la velocità con cui l'acqua veniva mescolata era importante; mescolare troppo lentamente significava che le molecole del farmaco non raggiungevano il materiale abbastanza velocemente, ma mescolare troppo velocemente causava in realtà il distacco del farmaco dalla superficie, riducendo l'efficienza. La velocità ideale è stata individuata in un ritmo moderato che manteneva l'acqua in movimento senza essere violento. Il materiale funzionava bene in un ampio intervallo di livelli di pH, il che significa che poteva essere utilizzato in acque leggermente acide o leggermente basiche, un vantaggio pratico per il trattamento delle acque reflue nel mondo reale.

Per capire esattamente come il farmaco si attaccasse al materiale, il team ha esaminato la superficie utilizzando potenti microscopi e altri strumenti analitici. Hanno visto che la superficie era ruvida e piena di minuscoli fori, che fornivano molto spazio affinché le molecole del farmaco si sistemassero. L'analisi chimica ha mostrato che il materiale era coperto da vari gruppi funzionali, come gruppi ossidrilici e di ossigeno, che agivano come piccoli ganci per afferrare le molecole del farmaco. Le molecole del farmaco probabilmente si attaccavano attraverso una combinazione di forze: erano attratte dalla struttura di carbonio tramite interazioni elettriche, formavano legami a idrogeno con i gruppi superficiali e venivano fisicamente intrappolate all'interno dei minuscoli pori del carbonio di cocco. Lo studio ha escluso l'idea che la semplice attrazione elettrica fosse l'unico fattore, notando che la molecola del farmaco è prevalentemente neutra in acqua, quindi l'intrappolamento fisico e il legame chimico giocavano i ruoli dominanti.

Una parte critica di qualsiasi nuovo materiale per il trattamento dell'acqua è se possa essere riutilizzato. I ricercatori hanno testato questo aspetto lavando il materiale con soluzioni acide e basiche per rimuovere il farmaco intrappolato, per poi usarlo di nuovo. Hanno ripetuto questo ciclo sette volte. Sebbene il materiale abbia perso parte della sua efficacia nel tempo, scendendo da una rimozione di quasi il 100 percento a circa il 51 percento al settimo ciclo, ha comunque mantenuto una parte significativa della sua capacità di pulire l'acqua. Ciò suggerisce che il materiale è abbastanza durevole da poter essere utilizzato più volte, il che è essenziale per rendere il processo economicamente sostenibile. La leggera perdita di prestazioni era probabilmente dovuta alla graduale degradazione della struttura del materiale durante il processo di lavaggio chimico, ma il fatto che abbia resistito è un segno promettente.

I ricercatori hanno concluso che questo nuovo materiale composito offre una soluzione pratica ed efficiente per rimuovere i prodotti farmaceutici dall'acqua. Trasformando un prodotto di scarto come i gusci di cocco in un adsorbente ad alta tecnologia e rinforzandolo con l'MXene, hanno creato un materiale che è allo stesso tempo sostenibile e altamente efficace. Lo studio ha dimostrato che il processo è spontaneo, il che significa che avviene naturalmente senza bisogno di energia extra per guidarlo, e che funziona bene in condizioni standard. Sebbene il materiale non sia ancora una soluzione definitiva per tutti i tipi di inquinamento idrico, rappresenta un passo avanti significativo nello sviluppo di strumenti economici e ad alta capacità per pulire le nostre riserve d'acqua dai pericolosi residui di farmaci. Il lavoro evidenzia come combinare materiali semplici e naturali con la nanotecnologia avanzata possa risolvere problemi ambientali complessi.