Removal of pharmaceuticals from water using paper pulp-based carbon adsorbents

Abstract

The occurrence of pharmaceuticals in the environment, mainly aquatic, is a worrying issue, with Wastewater Treatment Plants (WWTP) being the main entry route of these compounds due to their inefficient ability to remove them from contaminated water. Adsorption is a very effective method for this purpose, with activated carbons being the most commonly used adsorbents. Considering that commercial activated carbons are expensive, in part due to the price of their precursors, the production of adsorbents from alternative raw materials is an interesting solution and fits within the concept of sustainable economy. In this work, two type of pulps, bleached (BP) and raw pulp (RP), derived from the pulp and paper production process, were used as precursors for production of non-activated and activated carbons. For activated carbons, the pulps were impregnated with two chemical activating agents (K2CO3 or H3PO4), and then pyrolysed and washed with acid. After production, the materials were physically and chemically characterized. To test the performance of these carbons as adsorbents, batch adsorption tests were performed with ultra-pure water and with WWTP effluents, using two pharmaceuticals: the anti-epileptic carbamazepine (CBZ) and the antibiotic sulfamethoxazole (SMX). For the amounts of carbon tested, in ultra-pure water, the results showed no adsorption for non-activated carbons and good adsorption capacities for the activated ones. Comparing the adsorption tests in real effluents with CBZ and SMX, tests with SMX presented low adsorption capacities, probably due to the different interactions establish between the two pharmaceuticals and carbons surface, in the presence of high organic load. Tests with real effluents presented better adsorption capacities for carbons activated with H3PO4 and produced from BP: 92 ± 19 mg g-1 for CBZ and 13.0 ± 0.6 mg g-1 for SMX. These results indicate the potential of these pulps to be used as precursors for activated carbons that can be applied in wastewater treatment.

A existência de fármacos no meio ambiente, em particular ambientes aquáticos, constitui um problema preocupante, sendo as Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) a principal via de entrada destes compostos no meio, devido à sua ineficácia para os remover das águas contaminadas. A adsorção é um método bastante eficiente, sendo os carvões ativados os adsorventes mais comummente utilizados. Uma vez que os carvões ativados comerciais são caros, em parte devido ao preço dos seus precursores, a produção de adsorventes a partir de matérias-primas alternativas é uma solução interessante que se enquadra no conceito de economia sustentável. Neste trabalho foram utilizados dois tipos de pasta, branqueada (BP) e crua (RP), derivadas do processo de produção da pasta de papel, como precursores para a produção de carvões ativados e não ativados. Na ativação, as pastas foram impregnadas com dois agentes químicos ativantes (K2CO3 ou H3PO4) e posteriormente pirolisadas e lavadas com ácido. Após a produção, os materiais foram física e quimicamente caraterizados. De forma a testar o desempenho dos carvões enquanto adsorventes, foram realizados testes de adsorção em descontínuo com água ultrapura e com efluentes recolhidos em ETAR, utilizando dois fármacos: o antiepilético carbamazepina (CBZ) e o antibiótico sulfametoxazol (SMX). Para as quantidades de carvão utilizadas, os resultados em água-ultrapura mostraram adsorção nula para os carvões não ativados e boas capacidades de adsorção para os carvões ativados. Comparando os testes realizados para os efluentes reais com CBZ e SMX, os testes com SMX apresentaram baixas capacidades de adsorção, provavelmente devido às diferentes interações estabelecidas entre as superfícies do fármaco e do carvão, na presença de elevada carga orgânica. Os testes com efluentes reais apresentaram melhores capacidades de adsorção para carvões ativados com H3PO4 e produzidos a partir da BP: 92 ± 19 mg.g-1 para a CBZ e 13.0 ± 0.6 mg.g-1 para o SMX. Estes resultados refletem as potencialidades destas pastas para serem utilizadas como precursoras de carvões ativados, os quais podem ser aplicados no tratamento de águas residuais.