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Efficiency of fly ash geopolymer–MXene nanocomposite for ibuprofen removal from water

Este estudo demonstra que o geopolímero à base de cinza volante e seu nanocompósito de MXene servem como adsorventes eficazes e de baixo custo para a remoção de ibuprofeno da água, alcançando eficiências de remoção significativas sob condições otimizadas através de interações superficiais regidas por cinética de segunda ordem.

Autores originais: Nurul Atikah Heshammuddin, Nor Hidayah Abu Bakar, Saidatul Nadhirah Ruzaidi, Radin Maya Saphira Radin Mohamed, Ahmer Ali Siyal, Nurina Fitriani, Hereyra Sudan Tedong

Publicado 2026-07-03

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CC BY 4.0

Autores originais: Nurul Atikah Heshammuddin, Nor Hidayah Abu Bakar, Saidatul Nadhirah Ruzaidi, Radin Maya Saphira Radin Mohamed, Ahmer Ali Siyal, Nurina Fitriani, Hereyra Sudan Tedong

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine que o seu rio local é como uma piscina gigante e cristalina. Com o tempo, pequenas quantidades de remédios — especificamente o ibuprofeno, aquilo que você toma para dores de cabeça e dores no corpo — foram vazando para esta piscina através das nossas casas e hospitais. Mesmo que as quantidades sejam pequenas, esses "convidados invisíveis" não pertencem a este lugar e podem prejudicar os peixes e o ecossistema.

Este artigo de pesquisa é como uma equipe de cientistas tentando construir uma "rede" melhor para capturar esses convidados invisíveis antes que eles causem problemas. Eles queriam ver se conseguiam criar uma esponja supereficiente usando dois ingredientes específicos: Cinza Voadora (um subproduto de usinas de carvão) e MXene (um material de alta tecnologia, ultrafino, feito de titânio e carbono).

Aqui está a história do que eles descobriram, explicada de forma simples:

1. Construindo a "Super Esponja"

Os cientistas pegaram cinza voada residual e a transformaram em um material duro e poroso chamado geopolímero. Pense nisso como uma esponja rochosa e áspera. Por conta própria, ela é razoável em capturar o ibuprofeno, mas tem algumas limitações.

Então, eles tentaram atualizar essa esponja misturando o material de alta tecnologia MXene. Imagine polvilhar um glitter ultrafino e grudento na esponja rochosa. Eles esperavam que esse "glitter" tornasse a esponja mais pegajosa e melhor em agarrar o remédio. Eles assaram essa mistura junta para criar o seu novo nanocompósito.

2. O Que o Microscópio Mostrou

Quando olharam para as suas criações sob um microscópio poderoso (como uma lupa superpotente), eles viram:

A Esponja Rochosa (Geopolímero de Cinza Voadora): Tinha muitos buraquinhos e fendas, perfeitos para aprisionar coisas.
A Esponja Atualizada (Com MXene): Parecia um pouco mais caótica. O "glitter" (MXene) começou a enferrujar ou oxidar um pouco, transformando-se em uma mistura de óxido de alumínio e titânio. Ainda estava lá, mas não era tão perfeitamente em camadas quanto os cientistas esperavam.

3. O Experimento do "Cabo de Guerra"

Para testar o quão bem essas esponjas funcionavam, os cientistas montaram uma série de jogos de "cabo de guerra" em um laboratório. Eles misturaram as esponjas com água contendo ibuprofeno e mudaram as regras para ver o que funcionava melhor:

O Fator pH (Acidez): Assim como algumas pessoas preferem chá doce e outras preferem limonada, as esponjas tinham sabores favoritos diferentes.
- A Esponja Rochosa comum funcionava melhor em água levemente neutra (como um lago calmo).
- A Esponja Atualizada na verdade preferia água levemente azeda (ácida).
Tempo: Eles deixaram as esponjas na água por diferentes períodos de tempo. Descobriram que 2 horas era o ponto ideal. Se esperassem demais, as esponjas ficavam cansadas e paravam de capturar mais remédio.
Quantidade de Esponja: Eles testaram diferentes quantidades do material. Descobriram que usar exatamente 1 grama era a zona de equilíbrio (Goldilocks). Pouco, e a esponja não conseguia capturar tudo; muito, e as partículas da esponja se agrupavam como areia molhada, bloqueando seus próprios buracos.

4. Os Resultados: Quem Venceu?

Aqui está a reviravolta surpreendente da história. Os cientistas esperavam que a "Esponja Atualizada" (com o MXene de alta tecnologia) fosse a vencedora clara. No entanto, os resultados mostraram que:

A Esponja Rochosa Comum removeu 48,75% do ibuprofeno.
A Esponja Atualizada removeu apenas 42,5%.

Por que a atualização sofisticada falhou?
Acontece que o "glitter" (MXene) sofreu um pouco de danos durante o processo de mistura. Ele oxidou (como se o ferro estivesse enferrujando) e se aglutinou. Em vez de ajudar, esses aglomerados na verdade bloquearam alguns dos pequenos buracos da esponja, tornando mais difícil para o ibuprofeno entrar.

5. Como a Captura Aconteceu

Os cientistas também estudaram como a esponja capturava o remédio:

O "Aperto de Mão" (Química): Eles descobriram que a esponja não apenas prendia fisicamente o remédio; ela na verdade formava "apertos de mão" químicos fracos (ligações de hidrogênio) com as moléculas de ibuprofeno.
A Velocidade: O processo seguiu um padrão específico onde a velocidade de captura dependia de quantos "apertos de mão" estavam disponíveis, em vez de apenas o quão rápido as moléculas se moviam ao redor.

A Conclusão

Esta pesquisa nos diz que, embora materiais de alta tecnologia como o MXene pareçam incríveis, simplesmente misturá-los com materiais residuais nem sempre garante um resultado melhor. Neste caso específico, a esponja de cinza voada comum, de baixo custo, na verdade fez um trabalho melhor limpando a água do que a versão sofisticada atualizada.

O estudo conclui que essas esponjas de cinza voada são uma forma promissora e barata de limpar a água, mas se quisermos usar a versão de MXene de alta tecnologia, precisamos descobrir como evitar que o "glitter" enferruje e se aglomere para que ele possa fazer o seu trabalho adequadamente.

Resumo Técnico: Eficiência do Nanocompósito de Geopolímero de Cinza Volante–MXene para a Remoção de Ibuprofeno da Água

Definição do Problema
Resíduos farmacêuticos, especificamente anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) como o ibuprofeno (IBU), persistem em águas residuais e superficiais, apresentando riscos ecológicos como disrupção endócrina e toxicidade para a vida aquática. As instalações tradicionais de tratamento de águas residuais frequentemente falham em remover efetivamente esses contaminantes, enquanto métodos avançados, como filtração por membrana e oxidação avançada, enfrentam desafios relacionados ao custo, escalabilidade e geração de subprodutos. Consequentemente, a adsorção surgiu como uma alternativa viável e de baixo custo. No entanto, os adsorventes de geopolímero de cinza volante (FG) existentes são limitados por áreas superficiais restritas e sítios ativos parcialmente inacessíveis. Embora os MXenes (Ti₃C₂Tₓ) possuam altas áreas superficiais e grupos funcionais que poderiam aumentar a adsorção, há uma escassez de pesquisas avaliando a eficácia de geopolímeros modificados com MXene para a remoção de fármacos.

Metodologia
Este estudo sintetizou e avaliou dois adsorventes: um geopolímero de cinza volante padrão (FG) e um nanocompósito de geopolímero de cinza volante–MXene (FG-MX).

Síntese: O MXene (Ti₃C₂Tₓ) foi produzido através da corrosão de Ti₃AlC₂ (fase MAX) com ácido fluorídrico (HF), seguido de delaminação em dimetilsulfóxido (DMSO) e liofilização. O compósito FG-MX foi criado misturando o MXene em uma lama de geopolímero de cinza volante (ativada por NaOH e Na₂SiO₃), curada a 60°C e seca.
Caracterização: Os materiais foram analisados por FTIR (grupos funcionais), XRD (identificação de fases) e FESEM (morfologia microestrutural).
Experimentos de Adsorção: Testes de adsorção em lote foram conduzidos para remover IBU de soluções aquosas. Os parâmetros otimizados via Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) incluíram pH da solução (2–10), tempo de contato, dosagem do adsorvente (0,5–1,5 g) e concentração inicial de IBU (100–500 mg/L).
Modelagem: A cinética de adsorção foi avaliada utilizando modelos de pseudo-primeira ordem (PFO), pseudo-segunda ordem (PSO) e difusão intrapartícula. Os dados de equilíbrio foram ajustados aos modelos de Langmuir, Freundlich e Temkin. Parâmetros termodinâmicos (ΔG°, ΔH°, ΔS°, Ea) foram calculados para avaliar a espontaneidade e as mudanças de energia.

Principais Resultados

Caracterização do Material: O FTIR confirmou a presença de grupos hidroxila (–OH) e fluoreto (–F) em ambos os materiais, facilitando a ligação de hidrogênio. O XRD revelou uma matriz de geopolímero amorfa com fases de quartzo e hematita; o compósito FG-MX mostrou adicionalmente picos correspondentes ao óxido de alumínio–titânio (Al–Ti–O), indicando a oxidação parcial do MXene. O FESEM mostrou morfologias nanoscópicas heterogêneas (80–200 nm) com poros acessíveis, embora algumas estruturas em forma de flocos tenham sido observadas no FG-MX.
Otimização: As condições ótimas diferiram ligeiramente entre os materiais:
- FG: pH 6, dosagem de 1 g, tempo de contato de 120 min, concentração inicial de 100 mg/L.
- FG-MX: pH 4, dosagem de 1 g, tempo de contato de 120 min, concentração inicial de 100 mg/L.
Eficiência de Remoção: Sob as condições ótimas, o FG padrão alcançou uma eficiência de remoção de 48,75%, enquanto o compósito FG-MX alcançou 42,5%. Os autores atribuem o desempenho inferior do FG-MX à oxidação parcial do MXene e à aglomeração de partículas, o que reduziu a disponibilidade de sítios ativos.
Cinética e Isotermas:
- Cinética: A adsorção seguiu a cinética de pseudo-segunda ordem (PSO), sugerindo que a quimiossorção e a interação superficial governam o processo. O compósito FG-MX apresentou um alto coeficiente de correlação (R² = 0,9993) para o modelo PSO em concentrações mais altas.
- Isotermas: O modelo de Langmuir apresentou o melhor ajuste, indicando adsorção em monocamada. A capacidade máxima de adsorção em monocamada ( $q_{max}$ ) foi calculada como 905,10 mg/g para o FG e 873,26 mg/g para o FG-MX.
Termodinâmica: O processo foi considerado espontâneo (ΔG° negativo) e endotérmico (ΔH° positivo), sendo impulsionado principalmente por mecanismos de fisissorção.

Significância e Alegações
O artigo afirma que materiais de geopolímero baseados em cinzas volantes são adsorventes promissores e de baixo custo para a remoção de contaminantes farmacêuticos da água. Embora a adição de MXene não tenha resultado em uma porcentagem de remoção superior sob as condições ótimas específicas testadas — provavelmente devido à oxidação induzida pela síntese e aglomeração — o compósito FG-MX demonstrou uma capacidade de adsorção significativa e propriedades quimiossortivas robustas. O estudo conclui que a otimização da dispersão do MXene e o controle da oxidação durante a síntese são críticos para melhorias futuras. A pesquisa contribui para o desenvolvimento de adsorventes sustentáveis ao esclarecer os mecanismos cinéticos, de equilíbrio e termodinâmicos envolvidos na remoção de IBU utilizando estes materiais compósitos.