Computational optimization of bioadsorbents for the removal of pharmaceuticals from water

Abstract

Os fármacos estão entre os contaminantes aquáticos mais persistentes, resistindo aos processos convencionais aplicados nas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) e, muitos deles, representam uma ameaça séria para organismos não-alvo e para o meio ambiente. Neste contexto, a adsorção a carvões ativados (CA) é uma das mais promissoras metodologias para a remoção de fármacos da água dada a sua versatilidade e alta eficiência de remoção. Contudo, os CAs implicam custos elevados. A lama primária da resultante do tratamento de efluentes da indústria papeleira foi anteriormente apresentada como uma potencial fonte de carbono alternativa e barata para a produção de CA por pirólise. A química computacional pode ser uma ferramenta valiosa na elucidação de alguns aspetos do mecanismo molecular de adsorção de poluentes orgânicos a CAs. No presente trabalho , é proposta a utilização de lama primária da indústria papeleira para a produção carvões (não)ativados. Os diferentes materiais foram caracterizados por um conjunto de técnicas experimentais, e os dados adquiridos usados na formulação de um modelo computacional válido, na tentativa de reproduzir a variabilidade do CA em termos de composição elementar, grupos funcionais e porosidade. O modelo desenvolvido foi usado na obtenção de informação pertinente através de técnicas de denâmica molecular/Monte Carlo que possibilite o melhoramento do CA inicial. Os resultados adquiridos em simulaçõesMonte Carlo sugerem que CAs com teores de oxigénio superiores apresentam valores de área superficial mais elevados, e, consequentemente, capacidades máximas de adsorção superiores. A presença de iões positivos no meio de adsorção apresenta-se como um fator cooperativo para a adsorção de SMX, dada a formação de complexos CA-Na+-SMX em dupla camada e estabilização de conformações abertas, tal como demonstrado através de simulações de dinâmica molecular.

Pharmaceutically active ingredients are amongst the most persistent wastewater contaminants, resisting to wastewater treatment plants (WWTP) conventional processes, and some of them are proved to pose serious threats to organisms and the environment. In this contect, adsorption by activated carbons (AC)is one of the most promising methodologies for the removal of pharmaceuticals from water due to its versatility and high removal efficiency. However, ACs are expensive and therefore now widely applied. Primary sludge from paper mills has been previously appointed as a potential cheap and renewable source of carbon for activated carbon production by pyrolysis. Computational chemistry may help shed some light unto the molecular mechanisms underlying the adsorption of organic pollutants in ACs. In this work, it is proposed the usage of primary paper mill sludge in the production of (non)activated carbons. The different materials were characterized by a set of techniques and the gathered data was used in the formulation of a validated model in an attempt to reproduce the elemental composition, functional group variability and porosity. The developed model was used in order to collect relevant information through molecular dynamics/Monte Carlo techniques, enabling the improvement of the initial AC material. The obtained data in Monte Carlo simulations suggest that AC with higher oxygen levels present greater values of surface are, and consequently superior maximum capacity values. The presence of positive ions in the adsorption medium presents itself as a cooperative factor for SMX adsorption, guven the formation of CA-Na+-SMX complexes and the estabilization of open configurations, such as demonstrated in molecular dynamics simulations.