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

Water is de levensader van onze planeet, maar het draagt steeds vaker een verborgen last met zich mee: sporen van medicijnen die wij hebben ingenomen. Wanneer mensen antibiotica of pijnstillers gebruiken, absorbeert het lichaam niet elk molecuul. Wat overblijft, stroomt uit huizen en ziekenhuizen en bereikt uiteindelijk rivieren en meren. Deze farmaceutische residuen zijn gevaarlijk omdat ze persistent zijn in het milieu en bacteriën kunnen aanmoedigen om resistent te worden tegen behandelingen, wat een langetermijnbedreiging vormt voor de volksgezondheid. Traditionele waterzuiveringsinstallaties waren gebouwd om grote deeltjes en bacteriën te verwijderen, niet deze minuscule, opgeloste chemische sporen. Om dit op te lossen, wenden wetenschappers zich tot een andere aanpak: het gebruik van minuscule ijzeroxide-deeltjes, die fungeren als microscopische sponsjes die deze medicijnen uit het water kunnen grijpen. Het maken van deze deeltjes vereist echter meestal harde chemicaliën en een hoge energieconsumptie. Een duurzamere weg is het kweken ervan met behulp van planten, een methode die bekend staat als groene synthese, waarbij afval wordt omgezet in een nuttig hulpmiddel.

In een recente studie onderzochten onderzoekers in Nigeria hoe ze deze ijzeroxide-nanodeeltjes konden maken met behulp van twee veelvoorkomende soorten landbouwafval: rijstkaf en sinaasappelschillen. In plaats van deze materialen weg te gooien, combineerde het team ze om een natuurlijk sjabloon te creëren voor het bouwen van de nanodeeltjes. Ze namen de overgebleven vaste stukjes van de kaf en de schillen, mengden deze met water om een extract te maken, en voegden vervolgens ijzerzouten toe aan dit mengsel. De plantmaterialen fungeerden als een steiger die het ijzer begeleidde bij de vorming tot minuscule, magnetische deeltjes, terwijl ze de deeltjes ook bedekten met natuurlijke chemicaliën uit de planten. Het resulterende materiaal, dat de onderzoekers RHOPTNPs noemden, werd vervolgens getest om te zien of het effectief twee specifieke medicijnen — ciprofloxacine, een antibioticum, en ibuprofen, een pijnstiller — uit verontreinigd water kon halen.

Het team onderzocht eerst de fysieke aard van hun nieuwe materiaal om te begrijpen wat ze hadden gecreëerd. Ze ontdekten dat de nanodeeltjes ongeveer 76 nanometer groot waren, een schaal die zo klein is dat er miljoenen op de kop van een speld zouden passen. Belangrijker nog, het materiaal was ongelooflijk poreus, wat betekent dat het een uitgebreid netwerk van minuscule gaatjes en tunnels binnenin heeft. Deze structuur gaf de nanodeeltjes een enorm oppervlak, waardoor ze tegelijkertijd met een grote hoeveelheid water konden interageren. De analyse bevestigde ook dat de deeltjes magnetisch waren, een cruciaal kenmerk dat ervoor zorgt dat ze na hun taak gemakkelijk met een magneet uit het water getrokken kunnen worden, in plaats van dat ze gefilterd moeten worden. Het oppervlak van deze deeltjes was bedekt met organische moleculen van de rijst en de sinaasappel, wat hielp de deeltjes te stabiliseren en waarschijnlijk de chemische "haken" bood die nodig zijn om de medicijnen te vangen.

Toen de onderzoekers het materiaal in het laboratorium testten, ontdekten ze dat het uitzonderlijk goed werkte onder specifieke omstandigheden. Voor het antibioticum ciprofloxacine verwijderden de nanodeeltjes bijna 99,5 procent van de drug uit het water wanneer ze in de juiste hoeveelheid werden gebruikt en ongeveer 40 minuten de tijd kregen om te werken. Het proces werkte het best bij een neutrale pH-waarde, die vergelijkbaar is met de zuurgraad van zuiver water, en presteerde zelfs beter naarmate de temperatuur van het water licht toenam. In contrast hiermee bereikte de verwijdering van ibuprofen ongeveer 92 procent efficiëntie onder vergelijkbare omstandigheden, maar dit medicijn gedroeg zich anders: de nanodeeltjes waren het meest effectief bij het verwijderen ervan wanneer het water koeler was. Dit verschil suggereert dat de twee medicijnen op iets andere manieren aan de deeltjes hechten, waarbij het ene proces warmte vereist om efficiënt te verlopen en het andere proces vertraagt naarmate het water warmer wordt.

De studie onderzocht ook hoe het materiaal zich in de loop van de tijd en in realistische scenario's gedroeg. De onderzoekers ontdekten dat de nanodeeltjes herhaaldelijk gebruikt konden worden. Na het wassen en viermaal hergebruiken, verwijderde het materiaal nog steeds ongeveer 92 procent van de ciprofloxacine die het aanvankelijk had gevangen, wat duidt op een sterke duurzaamheid. De capaciteit om ibuprofen te vangen nam echter aanzienlijk af na herhaald gebruik, wat suggereert dat de bindingsplaatsen voor ibuprofen moeilijker schoon te maken en te hergebruiken zijn. Ondanks dit bewees het materiaal effectief te zijn bij het testen op werkelijke afvalwatermonsters genomen uit ziekenhuizen en woongebieden in Kaduna. In deze complexe mengsels, die naast de doelmedicijnen ook veel andere stoffen bevatten, slaagden de nanodeeltjes er nog steeds in om een aanzienlijk deel van beide drugs te verwijderen, met verwijderingspercentages variërend van 8 ever 97 procent, afhankelijk van het monster en het specifieke medicijn.

De bevindingen wijzen erop dat het omzetten van landbouwafval in een hoogtechnologische waterreiniger een levensvatbare en veelbelovende strategie is. Het proces gaat niet alleen over het verwijderen van vervuiling; het gaat over het creëren van waarde uit materialen die anders weggegooid zouden worden. Door de natuurlijke chemie van rijstkaf en sinaasappelschillen te gebruiken, hebben de onderzoekers een magnetische adsorbent gecreëerd die goedkoop te maken is, gemakkelijk uit water te halen en zeer effectief is in het schoonmaken van farmaceutische verontreinigingen. Hoewel de studie bevestigt dat het materiaal goed werkt in gecontroleerde omgevingen en ook in echt afvalwater, merken de auteurs op dat verdere tests nodig zijn om de exacte chemische interacties op het oppervlak van de deeltjes volledig te begrijpen en om te zien hoe het systeem op een grotere schaal presteert. Desalniettemin biedt dit werk een concrete stap naar een toekomst waarin het schoonmaken van ons water net zozeer kan leunen op de velden die ons voeden als op de fabrieken die ons afval verwerken.