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

A água está sendo constantemente testada por um novo tipo de poluição: o resíduo invisível da medicina moderna. Todos os dias, as pessoas tomam comprimidos para controlar condições como epilepsia e transtornos de humor e, quando esses medicamentos saem do corpo, eles frequentemente acabam no suprimento de água. As estações de tratamento de água tradicionais não foram projetadas para capturar esses traços químicos específicos. As moléculas são estáveis, o que significa que não se decompõem facilmente no ambiente, e podem se acumular em rios e lagos, representando riscos para peixes e outros animais selvagens. Cientistas buscam há muito tempo uma maneira de extrair esses fármacos persistentes da água usando materiais que sejam ao mesmo tempo eficazes e acessíveis. O desafio reside em encontrar uma substância que possa agarrar essas minúsculas moléculas de medicamentos e segurá-las com força, sem custar uma fortuna ou exigir maquinário complexo para operar.

Em um estudo recente, pesquisadores da Universidade de Jadavpur, na Índia, enfrentaram esse problema combinando dois materiais muito diferentes em uma única ferramenta poderosa. Eles pegaram cascas de coco, um produto comum de resíduos agrícolas, e as transformaram em carvão ativado, um material altamente poroso conhecido por sua capacidade de aprisionar impurezas. A isso, adicionaram uma camada de MXene, um tipo de nanomaterial sintético feito de titânio e carbono que possui apenas alguns átomos de espessura. O objetivo era ver se esse material híbrido poderia agir como uma superesponja para a carbamazepina, um medicamento antiepiléptico amplamente utilizado que é notoriamente difícil de remover da água. A equipe não apenas misturou os dois; eles usaram ondas sonoras e calor para ligar as folhas de MXene diretamente à superfície do carbono de coco, criando um novo nanocompósito projetado para maximizar a área de superfície disponível para capturar o medicamento.

Os pesquisadores começaram construindo seu material do zero. Eles coletaram cascas de coco de uma loja local, as limparam e as moeram até obter um pó fino. Esse pó foi aquecido em um forno especial sem oxigênio para se transformar em carvão, que foi então tratado com produtos químicos para abrir seus poros, criando o carvão ativado. Separadamente, eles sintetizaram as nanofolhas de MXene a partir de um mineral chamado fase MAX. A etapa final envolveu a mistura dos dois componentes em um banho líquido e o uso de ondas ultrassônicas para separá-los e espalhá-los uniformemente, seguido por um processo de aquecimento para fundi-los. O resultado foi um pó escuro e poroso, onde as ultrafinas folhas de MXene foram enxertadas sobre o carbono de coco rugoso e esponjoso.

Para testar o quão bem esse novo material funcionava, a equipe o colocou em frascos de água contendo o fármaco carbamazepina. Eles variaram as condições para ver o que funcionava melhor, alterando a quantidade de pó utilizada, a temperatura da água, a velocidade com que os frascos eram agitados e a acidez da solução. Eles descobriram que o material era extraordinariamente eficaz. Nas melhores condições, o nanocompósito removeu quase todo o medicamento da água. Especificamente, quando otimizaram o processo, alcançaram uma taxa de remoção de mais de 99 por cento. O material também foi capaz de conter uma grande quantidade do fármaco; em um teste, um único grama do material aprisionou mais de 427 miligramas de carbamazepina. Essa capacidade foi significativamente maior do que o que o carvão de coco sozinho ou o MXene sozinho poderiam alcançar, provando que a combinação dos dois criou um material maior do que a soma de suas partes.

O estudo também observou como o material se comportava sob diferentes condições. Os pesquisadores descobriram que o processo de adsorção, que é o ato do medicamento aderir à superfície, funcionava melhor em temperaturas mais altas. Isso sugere que o processo absorve calor, tornando-se mais eficiente em águas mais quentes. Eles também descobriram que a velocidade com que a água era agitada importava; agitar muito lentamente significava que as moléculas do medicamento não alcançavam o material rapidamente o suficiente, mas agitar rápido demais na verdade derrubava o medicamento da superfície, reduzindo a eficiência. A velocidade ideal foi encontrada como um ritmo moderado, que mantinha a água em movimento sem ser violento. O material funcionou bem em uma ampla gama de níveis de pH, o que significa que poderia ser usado em águas levemente ácidas ou levemente básicas, o que é uma vantagem prática para o tratamento de águas residuais no mundo real.

Para entender exatamente como o medicamento grudava no material, a equipe examinou a superfície usando microscópios poderosos e outras ferramentas analíticas. Eles viram que a superfície era rugosa e cheia de pequenos buracos, que forneciam bastante espaço para as moléculas do medicamento se assentarem. A análise química mostrou que o material estava coberto por vários grupos funcionais, como grupos oxigênio e hidroxila, que agiam como pequenos ganchos para agarrar as moléculas do medicamento. As moléculas do fármaco provavelmente se prendiam através de uma combinação de forças: eram atraídas pela estrutura de carbono por meio de interações elétricas, formavam ligações de hidrogênio com os grupos superficiais e eram fisicamente presas dentro dos minúsculos poros do carvão de coco. O estudo descartou a ideia de que a simples atração elétrica fosse o único fator, observando que a molécula do medicamento é majoritariamente neutra na água, de modo que o aprisionamento físico e a ligação química desempenharam os papéis dominantes.

Uma parte crítica de qualquer novo material de tratamento de água é se ele pode ser reutilizado. Os pesquisadores testaram isso lavando o material com soluções ácidas e básicas para remover o medicamento retido e, em seguida, utilizando-o novamente. Eles repetiram esse ciclo sete vezes. Embora o material tenha perdido parte de sua eficácia ao longo do tempo, caindo de quase 100 por cento de remoção para cerca de 51 por cento no sétimo ciclo, ele ainda manteve uma parte significativa de sua capacidade de limpar a água. Isso sugere que o material é durável o suficiente para ser usado várias vezes, o que é essencial para tornar o processo economicamente viável. A leve perda de desempenho foi provavelmente devida à degradação gradual da estrutura do material durante o processo de lavagem química, mas o fato de ele ter resistido de alguma forma é um sinal promissor.

Os pesquisadores concluíram que este novo material composto oferece uma solução prática e eficiente para remover produtos farmacêuticos da água. Ao transformar um resíduo como cascas de coco em um adsorvente de alta tecnologia e reforçá-lo com MXene, eles criaram um material que é simultaneamente sustentável e altamente eficaz. O estudo demonstrou que o processo é espontâneo, o que significa que ocorre naturalmente sem a necessidade de energia extra para impulsioná-lo, e que funciona bem sob condições padrão. Embora o material ainda não seja uma solução permanente para toda a poluição da água, ele representa um passo significativo no desenvolvimento de ferramentas acessíveis e de alta capacidade para limpar nossos suprimentos de água de resíduos medicamentosos perigosos. O trabalho destaca como a combinação de materiais simples e naturais com nanotecnologia avançada pode resolver problemas ambientais complexos.