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

Resumo Técnico: Biocompósitos de Base Natural para a Remoção Adsortiva de Sunset Yellow e Diclofenaco

Definição do Problema
O estudo aborda o desafio ambiental representado pelos contaminantes emergentes em sistemas aquáticos, especificamente o corante aniônico azo Sunset Yellow (SY) e o fármaco anti-inflamatório não esteroidal diclofenaco potássio (DCP). Estas substâncias exibem alta persistência, baixa biodegradabilidade e potenciais efeitos ecotoxicológicos, incluindo bioacumulação e danos à vida aquática. Os métodos de tratamento convencionais frequentemente sofrem com limitações como altos custos operacionais, a formação de subprodutos tóxicos ou eficiência insuficiente para poluentes de baixa concentração. Consequentemente, há uma necessidade de adsorventes sustentáveis, de baixo custo e eficientes, capazes de remover esses contaminantes específicos de águas residuais.

Metodologia
A pesquisa concentrou-se na síntese e avaliação de biocompósitos híbridos (BCs) derivados de resíduos de casca de batata (PPW), $\beta$-ciclodextrina ($\beta$-CD) e quitosana (CS).

• Síntese de Materiais: Sete biocompósitos distintos (BC-1 a BC-7) foram preparados utilizando proporções de peso variadas de PPW, $\beta$-CD e CS. A preparação envolveu a mistura destes componentes com ácido cítrico anidro (agente de reticulação) e $KH_2PO_4$ (catalisador), seguido de aquecimento a 140 °C por 7 horas.
• Caracterização: Os materiais foram analisados por Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios X (XRD), Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de Energia Dispersiva (SEM-EDS) e Análise Termogravimétrica (TGA). Notavelmente, a análise de área superficial BET/BJH foi omitida devido à sensibilidade térmica dos materiais.
• Experimentos de Adsorção: Experimentos de lote foram conduzidos para avaliar a remoção de SY e DCP. As principais variáveis incluíram a otimização do pH (faixa de 2,0–10,0), estudos cinéticos (até 120 minutos) e isotermas de equilíbrio (concentrações de até 500 mg L$^{-1}$ para SY e 150 mg L$^{-1}$ para DCP).
• Modelagem e Reuso: Os dados cinéticos foram ajustados aos modelos de pseudo-primeira ordem (PFO), pseudo-segunda ordem (PSO) e ordem geral. Os dados de equilíbrio foram analisados utilizando os modelos de Langmuir, Freundlich, Sips e Hill. O material mais eficiente, BC-5, passou por testes de regeneração utilizando 0,5 M de NaOH por até cinco ciclos consecutivos.

Principais Contribuições e Resultados

• Caracterização de Materiais: A caracterização confirmou a reticulação bem-sucedida dos três componentes. Os espectros de FTIR indicaram a formação de ligações éster e a presença de abundantes grupos –OH e –NH$_2$. A análise de XRD revelou que o aumento do teor de quitosana reduziu a cristalinidade da $\beta$-CD, resultando em estruturas predominantemente amorfas. As micrografias de SEM mostraram que o BC-5 (contendo uma proporção maior de quitosana) possuía uma estrutura granular com aumento da rugosidade superficial, o que é favorável para a adsorção. A TGA confirmou estabilidade térmica suficiente para a aplicação.
• Condições Ótimas: Para ambos, SY e DCP, a eficiência de adsorção dependeu fortemente do pH, com desempenho ideal observado em pH 4,0. Isso é atribuído à protonação dos grupos amino da quitosana (formando –NH$_3^+$), o que facilita a atração eletrostática com os contaminantes aniônicos.
• Desempenho de Adsorção:
  • Sunset Yellow (SY): O modelo cinético de ordem geral proporcionou o melhor ajuste, enquanto o modelo isotérmico de Sips descreveu melhor os dados de equilíbrio. O BC-5 demonstrou a maior capacidade de adsorção entre todos os materiais testados, atingindo 221,89 mg g$^{-1}$.
  • Diclofenaco Potássio (DCP): O modelo de pseudo-segunda ordem (PSO) descreveu melhor a cinética, sugerindo quimiossorção ou interações superficiais específicas. O modelo de Sips também forneceu o melhor ajuste para as isotermas, indicando um comportamento de adsorção cooperativa. O BC-5 alcançou uma capacidade máxima de adsorção modelada de 151,1 mg g$^{-1}$.
• Regeneração: O BC-5 exibiu boa reusabilidade. Para o SY, o material manteve um desempenho estável ao longo de cinco ciclos. Para o DCP, a capacidade de adsorção aumentou durante os quatro primeiros ciclos antes de declinar no quinto, provavelmente devido à reorganização progressiva dos sítios ativos e eventual exaustão parcial.

Significância e Alegações
O artigo alega que os biocompósitos sintetizados, particularmente o BC-5, representam uma alternativa promissora, sustentável e de baixo custo para o tratamento de águas residuais. O estudo destaca a integração sinérgica de resíduos agroindustriais (cascas de batata) com biopolímeros funcionais ($\beta$-CD e quitosana) para criar adsorventes eficazes.

Os autores afirmam que o BC-5 oferece um desempenho competitivo em comparação com adsorventes mais complexos e caros relatados na literatura (como MOFs e grafeno funcionalizado), utilizando simultaneamente uma rota de síntese mais simples. A capacidade do material de remover eficazmente tanto corantes aniônicos quanto fármacos persistentes, combinada com seu potencial de regeneração, posiciona-o como uma opção viável para o tratamento de efluentes contendo esses contaminantes emergentes. O trabalho enfatiza o alinhamento desta abordagem com os princípios da economia circular através da valorização dos resíduos de casca de batata.