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

Technische Samenvatting: Natuurlijke Biocomposieten voor de Adsorptieve Verwijdering van Sunset Yellow en Diclofenac

Probleemstelling
De studie behandelt de milieuproblematiek veroorzaakt door opkomende verontreinigingen in aquatische systemen, specifiek de anionische azo-kleurstof Sunset Yellow (SY) en het niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddel diclofenac-kalium (DCP). Deze stoffen vertonen een hoge persistentie, lage biologische afbreekbaarheid en potentiële ecotoxicologische effecten, waaronder bioaccumulatie en schade aan het aquatische leven. Conventionele behandelingsmethoden kampen vaak met beperkingen zoals hoge operationele kosten, de vorming van toxische bijproducten of onvoldoende efficiëntie voor verontreinigingen in lage concentraties. Daarom is er behoefte aan duurzame, goedkope en efficiënte adsorbents die in staat zijn om deze specifieke verontreinigingen uit afvalwater te verwijderen.

Methodologie
Het onderzoek richtte zich op de synthese en evaluatie van hybride biocomposieten (BC's) afgeleid van aardappelschillenafval (PPW), $\beta$-cyclodextrine ($\beta$-CD) en chitosan (CS).

• Materiaal Synthese: Zeven verschillende biocomposieten (BC-1 tot BC-7) werden bereid met variërende gewichtsverhoudingen van PPW, $\beta$-CD en CS. De bereiding omvatte het mengen van deze componenten met watervrije citroenzuur (crosslinker) en $KH_2PO_4$ (katalysator), gevolgd door verhitting bij 140 °C gedurende 7 uur.
• Karakterisering: De materialen werden geanalyseerd met behulp van Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR), röntgendiffractie (XRD), scanning elektronenmicroscopie (SEM) met energie-dispersieve spectroscopie (EDS) en thermogravimetrische analyse (TGA). Opvallend genoeg werd BET/BJH oppervlakteanalyse weggelaten vanwege de thermische gevoeligheid van de materialen.
• Adsorptie-experimenten: Batch-experimenten werden uitgevoerd om de verwijdering van SY en DCP te evalueren. Belangrijke variabelen waren pH-optimalisatie (bereik 2,0–10,0), kinetische studies (tot 120 minuten) en evenwichtsisothermen (concentraties tot 500 mg L$^{-1}$ voor SY en 150 mg L$^{-1}$ voor DCP).
• Modellering en Hergebruik: Kinetische gegevens werden gefit aan pseudo-eerste-orde (PFO), pseudo-tweede-orde (PSO) en algemene orde modellen. Evenwichtsgegevens werden geanalyseerd met behulp van Langmuir, Freundlich, Sips en Hill modellen. Het meest efficiënte materiaal, BC-5, onderging regeneratietests met 0,5 M NaOH gedurende vijf opeenvolgende cycli.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Materiaal Karakterisering: Karakterisering bevestigde de succesvolle crosslinking van de drie componenten. FTIR-spectra wezen op de vorming van esterbindingen en de aanwezigheid van overvloedige –OH en –NH$_2$ groepen. XRD-analyse toonde aan dat het verhogen van het chitosangehalte de kristalliniteit van $\beta$-CD verminderde, wat resulteerde in overwegend amorfe structuren. SEM-micrografen toonden aan dat BC-5 (bevat een hoger aandeel chitosan) een korrelige structuur bezat met een verhoogde oppervlakte-ruwheid, wat gunstig is voor adsorptie. TGA bevestigde voldoende thermische stabiliteit voor de toepassing.
• Optimale Condities: Voor zowel SY als DCP was de adsorptie-efficiëntie sterk afhankelijk van de pH, waarbij optimale prestaties werden waargenomen bij pH 4,0. Dit wordt toegeschreven aan de protonering van de chitosan-aminogroepen (vorming van –NH$_3^+$), wat elektrostatische aantrekking met de anionische verontreinigingen faciliteert.
• Adsorptieprestaties:
  • Sunset Yellow (SY): Het kinetische model van de algemene orde bood de beste fit, terwijl het Sips-isotherm model de evenwichtsgegevens het best beschreef. BC-5 vertoonde de hoogste adsorptiecapaciteit van alle geteste materialen, bereikend van 221,89 mg g$^{-1}$.
  • Diclofenac-kalium (DCP): Het pseudo-tweede-orde (PSO) model beschreef de kinetiek het best, wat wijst op chemisorptie of specifieke oppervlakte-interacties. Het Sips-model bood opnieuw de beste fit voor de isothermen, wat duidt op coöperatief adsorptiegedrag. BC-5 bereikte een gemodelleerde maximale adsorptiecapaciteit van 151,1 mg g$^{-1}$.
• Regeneratie: BC-5 vertoonde een goede herbruikbaarheid. Voor SY behield het materiaal een stabiele prestatie over vijf cycli. Voor DCP nam de adsorptiecapaciteit toe tijdens de eerste vier cycli voordat deze in de vijfde cyclus afnam, waarschijnlijk door de progressieve reorganisatie van actieve plaatsen en uiteindelijke gedeeltelijke uitputting.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de gesynthetiseerde biocomposieten, in het bijzonder BC-5, een veelbelovend, duurzaam en goedkoop alternatief vormen voor waterzuivering. De studie benadrukt de synergetische integratie van agro-industriële afvalstoffen (aardappelschillen) met functionele biopolymeren ($\beta$-CD en chitosan) om effectieve adsorbents te creëren.

De auteurs stellen dat BC-5 een competitieve prestatie biedt vergeleken met meer complexe en duurdere adsorbents gerapporteerd in de literatuur (zoals MOFs en gefunctionaliseerd grafeen), terwijl het een eenvoudigere syntheseroute wordt gebruikt. Het vermogen van het materiaal om zowel anionische kleurstoffen als persistente farmaceutica effectief te verwijderen, gecombineerd met het regeneratiepotentieel, positioneert het als een levensvatbare optie voor de behandeling van afvalwater dat deze opkomende verontreinigingen bevat. Het werk benadrukt de afstemming op de principes van de circulaire economie door de valorisatie van aardappelschillenafval.