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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

Este estudo demonstra a síntese verde bem-sucedida de nanopartículas de óxido de ferro utilizando extratos e resíduos de casca de arroz e casca de laranja (RHOPTNPs), que removem eficazmente a ciprofloxacina e o ibuprofeno de soluções aquosas através de um mecanismo de adsorção de monocamada espontâneo, impulsionado por quimiossorção.

Autores originais: Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

Publicado 2026-10-06

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CC BY 4.0

Autores originais: Habib Isa ADAMU, Abdulrahman Abdulmumin Gbenga, Muhammad-Najeeb Oluwafemi Yusuf

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

A água é o sangue vital do nosso planeta, mas está carregando cada vez mais um fardo oculto: traços dos medicamentos que tomamos. Quando as pessoas tomam antibióticos ou analgésicos, o corpo não absorve cada molécula. O que resta flui das casas e hospitais, alcançando eventualmente rios e lagos. Esses resíduos farmacêuticos são perigosos porque persistem no meio ambiente e podem encorajar as bactérias a se tornarem resistentes ao tratamento, representando uma ameaça de longo prazo à saúde pública. As estações de tratamento de água tradicionais foram construídas para remover partículas grandes e bactérias, não esses minúsculos traços químicos dissolvidos. Para resolver isso, os cientistas estão recorrendo a uma abordagem diferente: o uso de minúsculas partículas de óxido de ferro, que agem como esponjas microscópicas capazes de agarrar esses medicamentos da água. No entanto, fabricar essas partículas geralmente requer produtos químicos agressivos e alta energia. Um caminho mais sustentável é cultivá-las usando plantas, um método conhecido como síntese verde, que transforma resíduos em uma ferramenta útil.

Em um estudo recente, pesquisadores na Nigéria exploraram como fabricar essas nanopartículas de óxido de ferro usando dois tipos comuns de resíduos agrícolas: cascas de arroz e cascas de laranja. Em vez de descartar esses materiais, a equipe os combinou para criar um molde natural para a construção das nanopartículas. Eles pegaram os pedaços sólidos residuais das cascas e das cascas de laranja, misturaram-nos com água para criar um extrato e, em seguida, adicionaram sais de ferro a essa mistura. Os materiais vegetais atuaram como um arcabouço, guiando o ferro para se formar em partículas magnéticas minúsculas, enquanto também as revestiam com produtos químicos naturais das plantas. O material resultante, que os pesquisadores nomearam como RHOPTNPs, foi então testado para ver se poderia extrair efetivamente dois medicamentos específicos — a ciprofloxacina, um antibiótico, e o ibuprofeno, um analgésico — da água contaminada.

A equipe primeiro examinou a natureza física do seu novo material para entender o que haviam criado. Descobriram que as nanopartículas tinham aproximadamente 76 nanômetros de tamanho, uma escala tão pequena que milhões poderiam caber na cabeça de um alfinete. Mais importante, o material era incrivelmente poroso, o que significa que possuía uma vasta rede de minúsculos buracos e túneis em seu interior. Essa estrutura conferiu às nanopartículas uma área de superfície massiva, permitindo que interagissem com uma grande quantidade de água de uma só vez. A análise também confirmou que as partículas eram magnéticas, uma característica crucial que permite que sejam facilmente retiradas da água com um ímã após cumprirem o seu trabalho, em vez de precisarem ser filtradas. A superfície dessas partículas era coberta por moléculas orgânicas do arroz e da laranja, o que ajudou a estabilizar as partículas e provavelmente forneceu os "ganchos" químicos necessários para capturar os medicamentos.

Quando os pesquisadores testaram o material em laboratório, descobriram que ele funcionava excepcionalmente bem sob condições específicas. Para o antibiótico ciprofloxacina, as nanopartículas removeram quase 99,5% do fármaco da água quando utilizadas na quantidade certa e com cerca de 40 minutos para agir. O processo funcionou melhor em um nível de pH neutro, que é semelhante à acidez da água pura, e apresentou um desempenho ainda melhor conforme a temperatura da água aumentava ligeiramente. Em contraste, a remoção do ibuprofeno atingiu cerca de 92% de eficiência sob condições semelhantes, mas este medicamento comportou-se de forma diferente: as nanopartículas foram mais eficazes na remoção dele quando a água estava mais fria. Essa diferença sugere que os dois medicamentos aderem às partículas através de mecanismos ligeiramente distintos, com um processo exigindo calor para proceder eficientemente e o outro diminuindo de velocidade conforme a água aquece.

O estudo também observou como o material se comportava ao longo do tempo e em cenários do mundo real. Os pesquisadores descobriram que as nanopartículas poderiam ser usadas repetidamente. Após serem lavadas e reutilizadas quatro vezes, o material ainda removia cerca de 92% da ciprofloxacina que havia capturado inicialmente, mostrando forte durabilidade. No entanto, sua capacidade de capturar ibuprofeno caiu de forma mais significativa após o uso repetido, sugerindo que os locais de ligação para o ibuprofeno são mais difíceis de limpar e reutilizar. Apesar disso, o material provou ser eficaz quando testado em amostras reais de águas residuais coletadas em hospitais e áreas residenciais em Kaduna. Nessas misturas complexas, que contêm muitas outras substâncias além dos medicamentos alvo, as nanopartículas ainda conseguiram remover uma parte significativa de ambos os fármacos, com taxas de remoção variando de 80 a 97% dependendo da amostra e do medicamento específico.

Os resultados indicam que transformar resíduos agrícolas em um purificador de água de alta tecnologia é uma estratégia viável e promissora. O processo não trata apenas de remover a poluição; trata-se de criar valor a partir de materiais que, de outra forma, seriam jogados fora. Ao utilizar a química natural das cascas de arroz e das cascas de laranja, os pesquisadores criaram um adsorvente magnético que é barato de produzir, fácil de recuperar da água e altamente eficaz na limpeza de contaminantes farmacêuticos. Embora o estudo confirme que o material funciona bem em ambientes controlados e também em águas residuais reais, os autores observam que testes adicionais são necessários para compreender totalmente as exatas interações químicas que ocorrem na superfície das partículas e para ver como o sistema performa em uma escala maior. No entanto, este trabalho oferece um passo concreto em direção a um futuro onde a limpeza da nossa água poderá depender tanto dos campos que nos alimentam quanto das fábricas que tratam os nossos resíduos.

Resumo Técnico: Síntese Verde e Caracterização de Nanopartículas de Óxido de Ferro Utilizando Extratos e Resíduos de Casca de Arroz e Casca de Laranja (RHOPTNPs)

Problema
A liberação contínua de resíduos farmacêuticos, especificamente antibióticos como a ciprofloxacina (CIP) e anti-inflamatórios não esteroides como o ibuprofeno (IBU), em ambientes aquáticos, acarreta riscos significativos à ecologia e à saúde pública. Os métodos convencionais de tratamento de águas residuais são frequentemente ineficazes na remoção desses micropoluentes. Embora a adsorção utilizando nanopartículas de óxido de ferro (IONPs) ofereça uma solução promissora devido à alta área superficial e recuperabilidade magnética, os métodos de síntese convencionais frequentemente dependem de produtos químicos perigosos e altos aportes de energia. Além disso, muitas abordagens de síntese verde utilizam apenas extratos vegetais, negligenciando o potencial dos resíduos agrícolas para servirem como moldes estruturais que poderiam melhorar as propriedades texturais e facilitar a valorização de resíduos.

Metodologia
O estudo empregou uma rota de coprecipitação verde para sintetizar nanopartículas de óxido de ferro (designadas como RHOPTNPs) utilizando um sistema de dois componentes: extratos aquosos e resíduos de biomassa insolúveis retidos de casca de arroz e casca de laranja.

Síntese: Massas iguais de casca de arroz e casca de laranja foram combinadas, dispersas em água e aquecidas. O resíduo de biomassa retido atuou como um molde estrutural natural. Precursores de ferro (FeCl₂·4H₂O e FeCl₃·6H₂O em uma proporção molar de 1:2) foram adicionados à suspensão de extrato-resíduo, e o pH foi ajustado para 11 usando NaOH para induzir a precipitação.
Caracterização: O material resultante foi analisado por espectroscopia UV-Vis, FTIR, Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS), SEM-EDS, Difração de Raios X (XRD), análise de área superficial BET e Análise Termogravimétrica (TGA).
Estudos de Adsorção: Experimentos de lote avaliaram a remoção de CIP e IBU sob diversas condições: dosagem do adsorvente, tempo de contato, concentração inicial, pH da solução e temperatura (300–320 K).
Modelagem: Os dados de equilíbrio foram ajustados aos modelos de isotermas de Langmuir, Freundlich e Temkin. Os dados cinéticos foram analisados pelos modelos de pseudo-primeira ordem, pseudo-segunda ordem, difusão intrapartícula e Elovich. Parâmetros termodinâmicos ( $\Delta G^\circ$ , $\Delta H^\circ$ , $\Delta S^\circ$ ) foram calculados.
Validação: O desempenho do adsorvente foi testado em amostras reais de águas residuais hospitalares e domésticas da metrópole de Kaduna, e sua reutilabilidade foi avaliada ao longo de quatro ciclos de adsorção–dessorção.

Principais Resultados

Propriedades do Material: As RHOPTNPs formaram nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) cúbicas e com cobertura (capped), apresentando um tamanho de cristalito de aproximadamente 77,16 nm e um diâmetro hidrodinâmico de 76,24 nm. O material exibiu uma alta área superficial BET de 846,28 m² g⁻¹ e um volume de poros de 0,6582 cm³ g⁻¹. O FTIR confirmou a presença de grupos funcionais derivados da biomassa (hidroxila, aromático, C–O) revestindo a fase de óxido de ferro.
Desempenho de Adsorção: Sob condições otimizadas (dosagem de 80 mg, tempo de contato de 40 min, pH 7, 320 K), as RHOPTNPs alcançaram uma eficiência máxima de remoção de CIP de 99,45%. Para o IBU, sob condições semelhantes (dosagem de 60 mg, 35 min, pH 9, 300 K), a remoção atingiu 92,21%.
Isotermas e Cinética: Os dados de equilíbrio para ambos os poluentes ajustaram-se melhor ao modelo de isoterma de Langmuir, sugerindo adsorção em monocamada em sítios homogêneos. As capacidades máximas de adsorção ( $q_{max}$ ) foram de 9,34 mg g⁻¹ para CIP e 112,36 mg g⁻¹ para IBU. Os dados cinéticos seguiram o modelo de pseudo-segunda ordem, indicando um processo impulsionado por quimiossorção.
Termodinâmica: A adsorção de CIP foi considerada espontânea e endotérmica ( $\Delta H^\circ = 87,85$ kJ mol⁻¹), enquanto a adsorção de IBU foi espontânea e exotérmica ( $\Delta H^\circ = -38,49$ kJ mol⁻¹).
Reutilização e Aplicação no Mundo Real: O adsorvente reteve aproximadamente 92,38% de sua eficiência inicial de remoção de CIP e 66,13% de sua eficiência de remoção de IBU após quatro ciclos. Em amostras reais de águas residuais, as RHOPTNPs demonstraram remoção eficaz, com eficiências variando de 80,95% a 94,50% para CIP e 86,80% a 97,05% para IBU.

Significância e Alegações
O artigo alega que as RHOPTNPs representam um adsorvente sustentável e de baixo custo derivado da valorização de resíduos agrícolas. Ao utilizar tanto o extrato quanto o resíduo como molde, o estudo aborda os objetivos duplos de gestão de resíduos e o desenvolvimento de nanomateriais funcionais. A natureza magnética das nanopartículas facilita a separação fácil da água tratada, superando desafios comuns de recuperação associados a adsorventes não magnéticos. Os autores concluem que as RHOPTNPs são candidatas promissoras para a remediação de águas contaminadas por fármacos, particularmente para CIP e IBU, embora observem que os mecanismos de adsorção propostos (atração eletrostática, ligação de hidrogênio, interações $\pi$ – $\pi$ ) são inferidos de dados indiretos e requerem verificação espectroscópica direta adicional em trabalhos futuros.

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