The Kinetics of the ZnO Catalysed Photodegradation of Aspirin under UV Irradiation

Water dat door onze steden en rivieren stroomt, voert steeds vaker sporen van de medicijnen die we innemen met zich mee. Wanneer we een pil slikken tegen pijn of ontsteking, verwerkt ons lichaam deze, maar niet alles wordt afgebroken. De rest verlaat ons systeem en komt in het afvalwater terecht, waar het in het milieu kan blijven bestaan, wat potentieel schadelijk is voor het aquatische leven en ecosystemen kan verstoren. Een van de meest voorkomende medicijnen die in deze wateren worden gevonden, is aspirine, een medicijn dat door miljoenen mensen wordt gebruikt om pijn te bestrijden en het hart te beschermen. Hoewel het veilig is voor mensen in gecontroleerde doses, is de aanwezigheid ervan in natuurlijke waterlichamen een groeiende zorg voor milieuwetenschappers. De uitdaging ligt in het vinden van een manier om deze hardnekkige chemische verbindingen af te breken tot onschadelijke stoffen zoals water en koolstofdioxide, zonder in het proces nieuwe toxines te crekken.

Om dit aan te pakken, wenden onderzoekers zich tot een tak van de wetenschap genaamd fotokatalyse. Stel je een materiaal voor dat werkt als een kleine, op zonne-energie werkende machine. Wanneer licht op dit materiaal valt, creëert het een elektrische lading die complexe moleculen uit elkaar kan scheuren. Zinkoxide, een wit poeder dat vaak wordt gebruikt in zonnebrandcrèmes en verven, is een dergelijk materiaal. Wanneer het wordt vermalen tot nanodeeltjes — deeltjes die zo klein zijn dat ze in miljardsten van een meter worden gemeten — wordt het ongelooflijk efficiënt in deze taak. Het doel is om deze nanodeeltjes, badend in ultraviolet licht, te gebruiken als een katalysator die de vernietiging van aspirine versnelt, waardoor een hardnekkige vervuiler wordt omgezet in iets onschadelijks.

In een recente studie hebben wetenschappers aan de Aligarh Muslim University in India getest hoe goed dit proces precies werkt voor aspirine. Ze begonnen met het maken van hun eigen partij zinkoxide-nanodeeltjes. Met behulp van een methode die het mengen van chemische oplossingen en verhitting omvatte, produceerden ze een fijn poeder. Om er zeker van te zijn dat ze het juiste materiaal hadden gemaakt, onderzochten ze het met krachtige microscopen en lichtgebaseerde scanners. Deze instrumenten bevestigden dat de deeltjes inderdaad zinkoxide waren, gerangschikt in een specifieke kristalstructuur, met een gemiddelde grootte van 32 nanometers. De onderzoekers controleerden ook het oppervlak van de deeltjes en vonden dat ze bedekt waren met kleine watermoleculen en de verwachte chemische bindingen hadden, wat bevestigde dat ze klaar waren voor het experiment.

Het team plaatste deze nanodeeltjes vervolgens in een container met water vermengd met aspirine en scheen ultraviolet licht op de oplossing. Ze wisten uit eerder werk dat ultraviolet licht alleen niet in staat was om aspirine af te breken, en dat de nanodeeltjes alleen, zonder licht, ook niet veel zouden doen. Het was de combinatie van de twee die telde. Terwijl het licht op de zinkoxide viel, triggerde dit een reactie die zeer reactieve deeltjes genereerde, genaamd hydroxylradicalen. Deze radicalen zijn als kleine, agressieve schoonmakers die de aspirinemoleculen aanvallen, hun chemische bindingen verbreken en ze uiteindelijk omzetten in eenvoudige, onschadelijke componenten.

Om de beste manier te vinden om dit reinigingsproces uit te voeren, testten de onderzoekers verschillende variabelen. Eerst keken ze naar hoeveelheid van het zinkoxide-poeder die gebruikt moest worden. Ze ontdekten dat het toevoegen van meer poeder aanvankelijk hielp om de reactie sneller te laten verlopen, omdat er meer oppervlakken waren waar het licht op kon vallen en meer plaatsen waar de schoonmakende radicalen konden ontstaan. Er was echter een limiet. Zodra ze meer dan 50 milligram van het poeder aan hun 50-milliliter monster toevoegden, vertraagde de snelheid van de reactie daadwerkelijk. De wetenschappers legden uit dat wanneer er te veel poeder aanwezig is, het water troebel wordt. Deze troebelheid blokkeert het licht waardoor de deeltjes diep in het mengsel niet kunnen bereiken, en de deeltjes zelf kunnen samenklonteren, waardoor hun actieve oppervlakken verborgen blijven. Het is een beetje alsoals proberen door een mist te kijken die te dik is; het licht kan niet diep genoeg doordringen om zijn werk te doen.

Vervolgens testten ze hoe de hoeveelheid aspirine in het water het proces beïnvloedde. Ze varieerden de concentratie van het medicijn van een zeer lage hoeveelheid tot een hogere hoeveelheid. Ze observeerden dat naarmate de hoeveelheid aspirine toenam, de snelheid waarmee het werd vernietigd ook toenam. Dit gebeurde omdat de schoonmakende radicalen, die met een constante snelheid worden geproduceerd door het licht en het poeder, meer doelwitten hadden om aan te vallen. Met meer aspirinemoleculen rondzwevend, waren de radicalen minder geneigd hun energie te verspillen door tegen elkaar aan te botsen en meer geneigd om een medicijnmolecuul te vinden om af te breken.

Ten slotte onderzochten het team de zuurgraad van het water, wat een cruciale factor is in hoe deze chemische reacties zich gedragen. Ze voegden een specif kind zuur toe aan het mengsel om te zien hoe het pH-niveau de uitkomst beïnvloedde. De resultaten toondenden een duidelijke piek in prestaties. De reactie werkte het best wanneer de zuurconcentratie op een specifiek gemiddeld niveau lag. Als het water te zuur was, daalde de efficiëntie. De onderzoekers geloven dat dit komt doordat te veel zuurionen de schoonmakende radicalen verstoren, waardoor ze veranderen in minder effectieve vormen, of omdat het zuur de zinkoxide-deeltjes zelf begint op te lossen, wat de katalysator beschadigt.

Gedurende het hele experiment volgden de onderzoekers de afbraak van de aspirine door te meten hoeveel van het medicijn er op verschillende tijdstippen overbleef. Ze gebruikten ook een geavanceerde techniek genaamd massaspectrometrie om de tussenstappen van het proces te identificeren. Ze ontdekten dat de aspirine eerst afbrak in salicylzuur en azijnzuur, wat eenvoudigere verbindingen zijn. Deze braken vervolgens verder af in nog kleinere moleculen zoals hydrochinon en muconzuur, voordat ze uiteindelijk werden omgezet in koolstofdioxide en water. Dit bevestigde dat het proces de drug niet alleen verborg, maar deze echt vernietigde.

De studie concludeert dat zinkoxide-nanodeeltjes een zeer effectief hulpmiddel zijn om aspirine uit water te reinigen, mits de omstandigheden zorgvuldig worden beheerd. Het proces werkt het best met een specifieke hoeveelheid van de katalysator, een gemiddeld zuurgehalte en een constante toevoer van ultraviolet licht. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat het proces tijd kost — waarbij een verwijdering van meer dan 90 procent werd bereikt na enkele dagen — biedt het een veelbelovende, groene methode voor het aanpakken van farmaceutische vervuiling. Door precies te begrijpen hoeveel katalysator er moet worden gebruikt en hoe de chemie van het water kan worden afgestemd, zou deze aanpak er op een dag voor kunnen zorgen dat onze waterwegen vrij blijven van de hardnekkige sporen van de medicijnen waar we op vertrouwen.