Degradação de amoxicilina em efluente farmacêutico usando oxidação por água sob condições supercríticas

ÁREA

Química Ambiental

Autores

Dias, I.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Viana, J.C.V. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Mourão, L.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS) ; Alonso, C.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIAS)

RESUMO

Este estudo apresenta a investigação da degradação de amoxicilina em águas residuais via oxidação por água supercrítica (OASC). Para tal, o efeito das variáveis vazão, temperatura e concentração de H2O2 na degradação de 1 g/L de amoxicilina foram avaliadas utilizando a ferramenta estatística de planejamento composto central (PCC). As condições ideais de temperatura, vazão e concentração de H2O2 ─ 682°C; 5,1 mL/min e 9,2% m/m, respectivamente ─ foram determinadas utilizando PCC associado a um algoritmo de otimização segundo o método de evolução diferencial. O uso de OASC apresentou degradação de matéria orgânica com remoção de 60,1% de carbono orgânico total. O uso de OASC para tratamento de efluentes contendo amoxicilina se mostrou promissor e pode ser aplicado para outros contaminantes.

Palavras Chaves

tratamento de efluente; antibiótico; poluente emergente

Introdução

As preocupações ambientais nas últimas décadas levam a indagações sobre os impactos das ações antrópicas no meio ambiente diante do crescimento industrial e tecnológico (GUPTA et al., 2012). Nesse cenário de desenvolvimento a demanda industrial é crescente, bem como a geração de resíduos. No Brasil o mercado da indústria farmoquímica é o maior da américa latina e o sexto maior do mundo (FIOCRUZ, 2014). Por consequência, a presença de resíduos farmacêuticos no meio ambiente e na água, ainda que em concentrações de nível traço (microgramas ou nanogramas por litro) traz enorme preocupação. Dentre as várias classes de fármacos, os antibióticos ganharam destaque especial por apresentar riscos à saúde humana. Uma vez que, a resistência aos antibióticos está crescendo para níveis perigosamente elevados em todas as partes do mundo, e segundo a Organização Mundial da Saúde, esta é uma das maiores ameaças globais à saúde, segurança dos alimentos e desenvolvimento (WHO, 2016). A partir de uma perspectiva ambiental, o uso de fluido supercrítico é uma possibilidade para o tratamento de resíduos industriais. Essa tecnologia consiste no uso de qualquer substância em uma temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, no qual não há distinção entre as fases líquida e gasosa (LI; XU, 2019). Desse modo, o uso de água (solvente simples e abundante) em condição supercrítica pode ser utilizado no processo de tratamento para a completa oxidação do resíduo industrial. A oxidação por água supercrítica (OASC) apresenta as vantagens de ser um processo de reação homogênea, taxa de reação rápida e sem limitação de transferência de massa (BARNER et al., 1992). Diante disso tudo, o uso de OASC para tratamento de antibióticos foi investigado e se mostrou bastante promissor.

Material e métodos

Os testes de oxidação usando água supercrítica para tratamento de efluente farmacêutico foram realizados em reator de fluxo contínuo a pressão de 25 MPa. O reator consiste em um tubo com 30 cm de comprimento e 1 cm de diâmetro interno. Após passagem pelo reator, a amostra passou por um separador de fases e a vazão dos produtos reacionais foram aferidas e coletadas para análises. A fase líquida foi acondicionada em frasco âmbar e refrigerada, enquanto a fase gasosa foi acondicionada em ampola gasométrica. No que se refere as condições experimentais, os parâmetros de temperatura (T), vazão (V) e concentração de catalisador homogêneo (C) foram otimizados utilizando planejamento composto central (PCC). O PCC é uma ferramenta estatística que possibilita prever uma resposta, diante das condições experimentais de até 8 variáveis independentes. A matriz PCC foi estruturada usando software Statistica© versão 7.1 e os intervalos de cada parâmetro foram definidos baseados na capacidade de operação da unidade reacional. Por conseguinte, os limites de T variaram de 287 a 683 °C, os limites de V variaram de 5,1 a 24,9 mL/min e os limites de C variaram de 0,0 a 94,5%. Para predição dos parâmetros ideais de operação utilizou-se o software MATLAB©. Após os testes reacionais, na fase líquida foram feitas análise de carbono orgânico total (COT) em equipamento TOC-L modelo CSH/CSN fabricado pela Shimadzu. Na fase gasosa, foram feitas análises de cromatografia gasosa (CG) em equipamento modelo Clarus 580 GC fabricado pela Perkin Elmer, equipado com detector de condutividade térmica (DCT) e detector de ionização de chama (DIC). Utilizou-se uma coluna de separação modelo ZB-5MS (30 m x 0,32 mm x 0,255 µm) fabricada pela Zebron. As análises foram feitas a 60 °C com argônio como gás de arraste.

Resultado e discussão

O planejamento composto central é uma ferramenta estatística que possibilitou prever a remoção de COT de uma solução contendo amoxicilina. Como resultado da matriz de planejamento obteve-se uma equação decodificada (Equação 1) usando técnicas de regressão. Essa é a representação matemática que dá sentido físicos aos testes reacionais. Remoção de COT= 65.583-0.154T+0.00024T^2-1.507V-0.064C+0.012CV Equação 1 Observou-se que as variáveis independentes e suas interações possuem efeito estatístico significativo na distribuição de remoção de COT, visto que, o coeficiente de determinação (R2) dessa equação foi de 0,914. Além disso, o resultado foi estatisticamente significativo em um teste de hipóteses com limite de confiança de 90% e nível de significância de p = 0,1. Ao analisar a superfície de resposta para a remoção de COT assumindo a concentração de catalisador no ponto central (Figura 1), verificou-se que a temperatura foi a variável de maior efeito sob a resposta, seguida pela vazão e concentração de H2O2. O aumento de vazão provocou um decréscimo na remoção de COT. Isso pode ser facilmente explicado, visto que em vazões maiores o tempo de residência da amostra no reator diminui. Para prever a condição ideal de operação da unidade reacional, a Equação 1 foi processada/resolvida de modo a obter a maior remoção de COT utilizando OASC. As condições ideais de T, V e C ─ 682°C, 5,1 mL/min e 9,2% (m/m), respectivamente ─ foram determinadas para uma remoção máxima de 65,02% de COT. Stavbar e colaboradores (2017) estudaram a degradação de amoxicilina e ciprofloxacino por água em condições sub e supercrítica, e obtiveram 63% de remoção de matéria orgânica (STAVBAR et al., 2017). Resultado similar ao que foi observado neste estudo, no entanto, com tempo de residência maior.

Superfície de resposta para a remoção de COT em função da temperatura e da vazão tendo a concentração de catalisador no ponto central

Conclusões

De modo geral, a tecnologia de oxidação por água supercrítica se mostrou promissora para degradação do antibiótico amoxicilina com potencial para o tratamento de efluente farmacêutico. Além disso, o volume de efluente processado em curto tempo, comparado a outras técnicas de tratamento, é uma vantagem que merece destaque. Diante disso tudo, é necessário que esta tecnologia seja investigada como possibilidade de tratamento de efluentes industriais contendo contaminantes emergentes.

Agradecimentos

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Referências

BARNER, H. E. et al. Supercritical water oxidation: An emerging technology. Journal of Hazardous Materials, v. 31, n. 1, p. 1–17, 1992.
FIOCRUZ. Grupo faz mapeamento da farmoquímica nacional. Disponível em: <https://agencia.fiocruz.br/grupo-faz-mapeamento-da-farmoquímica-EMIS Insights>. Acesso em: 18 mar. 2020.
GUPTA, V. K. et al. Chemical treatment technologies for waste-water recycling—an overview. RSC Advances, v. 2, n. 16, p. 6380, 2012.
LI, K.; XU, Z. A review of current progress of supercritical fluid technologies for e-waste treatment. Journal of Cleaner Production, v. 227, p. 794–809, 2019.
STAVBAR, S. et al. Sub- and super-critical water oxidation of wastewater containing amoxicillin and ciprofloxacin. Journal of Supercritical Fluids, v. 128, n. May, p. 73–78, 2017.
WORLD HEALTH ORGANIZATION. United Nations meeting on antimicrobial resistance. Bulletin of the World Health Organization, v. 94, n. 9, p. 638–639, 1 set. 2016.