حذف لووفلوکساسین با نانو جاذب مغناطیسی سه بعدی بر پایه گرافن اکساید عامل-دار شده با ملامین و کیتوسان دی آلدهید: مطالعات سینتیک و ایزوترم¬¬ جذب

محورهای موضوعی : آلودگی محیط زیست (آب و فاضلاب)

حافظ گرمانی نژاد ¹ , امیرحسام حسنی ^{2 *} , همایون پناهی ³ , الهام منیری ⁴

1 - گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست، واحد علوم تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران. *(مسوول مکاتبات)
3 - گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، واحد تهران مرکز، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
4 - گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، واحد ورامین (پیشوا)، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/04/29 تاریخ پذیرش : 1403/08/24 تاریخ انتشار : 1403/12/01

کلید واژه: نانوجاذب مغناطیسی, نانوذرات اکسیدآهن, گرافن اکساید, ملامین , کیتوسان , لووفلوکساسین, آلودگی آب.,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف :آلودگی منابع آب و محیط زیست توسط آنتی بیوتیک ها یکی از مشکلات محیط زیستی می­باشد. از مهم­ترین مشکلات ایجاد شده ناشی از این آلودگی­ها مقاومت باکتری­ها نسبت به آنتی بیوتیک­ها می­باشد، لذا امروزه حذف آنتی بیوتیک­­ها نظیر لووفلوکساسین از منابع آب یکی از دغدغه­­های مهم سلامت می­باشد. یکی از مهم­ترین روش­های حذف آنتی بیوتیک­ ها از منابع آبی استفاده از نانو جاذب­­ها می­باشد.

روش بررسی : در این مطالعه تمرکز بر سنتز یک نانو جاذب جدید مغناطیسی سه بعدی بر پایه گرافن اکساید که با ملامین (ME) و کیتوسان دی آلدهید  (DCS) پیوند شده3D/Fe/ GO/ME/DCS) )  و بررسی اثر بخشی حذف آنتی بیوتیک لووفلوکساسین (LEV)از محیط­های آبی با استفاده از آن شده است. مشخصات  نانو جاذب مغناطیسی سه بعدی سنتز شده توسط آنالیزهای میکروسکوپ الکترون روبشی، پراش اشعه ایکس، طیف­ سنج تبدیل فوریه، وزن سنجی گرمایی و مغناطیس­ سنج نمونه ارتعاشی بررسی شد.

 یافته ها : تاثیر مقادیر پارامترهای مختلف مانند pH (3-11)، غلظت اولیه آنتی بیوتیک (50- 1 میلی گرم بر لیتر)، مقدار جاذب (2-5/0 گرم در لیتر) بر ظرفیت جذب بررسی و شرایط بهینه تعیین گردید. یافته­های حاصل از آزمایشات جذب، با سینتیک شبه درجه دوم (9996/0= R²) و مدل هم­ دمای لانگمویر ( 9947/0 = R²) مطابقت بالایی دارد.

بحث و نتیجه گیری: ماکزیمم ظرفیت جذب لووفلوکساسین با غلظت 5 میلی گرم بر لیتردر7 pH= ، دوز جاذب 1 گرم بر لیتر و زمان تماس 90 دقیقه 72/9 میلی گرم بر گرم است. نتایج پژوهش گویای آن است که نانو جاذب سنتز شده می­تواند برای حذف لووفلوکساسین از محیط­های آبی به کار گرفته شود.

چکیده انگلیسی:

Background and Objective: Pollution of water resources and the environment by antibiotics is one of the most concerning environmental issues. The most important problems caused by these contaminations are the resistance of bacteria to antibiotics. So, one of the most important health concerns is the removal of antibiotics such as levofloxacin (LEV) from water resources. One of the most important techniques for the removal of antibiotics from water resources is nanoadsorbents.

Material and Methodology: This study focuses on the synthesis of a new graphene oxide-based three-dimensional magnetic nanoadsorbent (3D/Fe/GO/ME/DCS), grafted onto melamine (ME) and chitosan dialdehyde (DCS), and utilized for the efficient removal of LEV from aqueous solutions. The synthesized nanoadsorbent was characterized by scanning electron microscope, x-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, thermal gravimetric analysis, and vibrating sample magnetometer.

Findings: The effects of various parameters such as pH (3-11), initial LEV concentration (1-50 mg L^-1), and the amount of adsorbent dosage (0.5-2 g L^-1) on the removal efficiency were investigated. The Langmuir model best described the isotherm results (R² = 0.9947), while the pseudo-second-order model best described the kinetic results (R2 = 0.9996).

Discussion and Conclusion: The maximum adsorption capacity for LEV was 9.72 mg g⁻¹ with an initial concentration of 5 mg L⁻¹ at pH = 7, the adsorbent dosage of 1 g L⁻¹, and contact time of 30 min. According to the obtained data, the prepared nanoadsorbent can be a used for the removal of LEV from aqueous solutions.

 

منابع و مأخذ:

1. Kraemer. S. A., Ramachandran. A., Perron. G.G., 2019. Antibiotic Pollution in the Environment: From Microbial Ecology to Public Policy, Microorganisms, 7, 180.
2. Mahmood. A.R., Al-Haideri. H. H., Hassan. F.M., 2019. Detection of Antibiotics in Drinking Water Treatment Plants in Baghdad City, Iraq. Hindawi , Advances in Public Health .
3. Lesher. G.Y., Froelich. E.J., Gruett. M.D., Bailey. J.H., Brundage. R.P.,1962. 1, 8-Naphthyridine derivatives. A new class of hemotherapeutic agents. J Med Chem, 5, 1063-5.
4. Panah. O., Najafi. M., Peymani. A., 2018. Plasmid-mediated quinolones resistance in clinically important bacteria. J Qazvin Univ Med Sci, 22, 90-99.
5. Xiong. J.Q., Kurade. M.B., 2017. Biodegradation and metabolic fate of levofloxacin via a freshwater green alga, Scenedesmus obliquus in synthetic saline wastewater. Algal Research 25, 54–61.
6. Liu. Y., Dong. Ch., Wei. H.,2015. Adsorption of Levofloxacin onto an iron-pillared montmorillonite (clay mineral): Kinetics, equilibrium and mechanism. Applied Clay Science.
7. Suk.J., Sinh.T., Vo.B.,2020. Recycling performance of graphene oxide‑chitosan hybrid hydrogels for removal of cationic and anionic dyes. Vo et al. Nano Convergence (2020) 7:4.
8. Jang. W. H., Yoo. D. H., Park. S.W.,2011. Prevalence of and Risk Factors for Levofloxacin-Resistant E. coli Isolated from Outpatients with Urinary Tract Infection. Korean J Urol , 52,554-559.
9. Zheng. Zh. C., Hu. C., Wang. Y., Wang. Y., Zhao. C., Ding. W., Sun. Q., 2019. Structural design of magnetic biosorbents for the removal of ciprofloxacin from water, Bioresource Technology.
10. Tran. H. V., Bui. L.T., Dinh. T. T., 2017. Graphene oxide/Fe3O4/chitosan nanocomposite: a recoverable and recyclable adsorbent for organic dyes removal. Application to methylene blue Mater. Res. Express 4, 035701.
11. Moazen. M.K., Panahi.H.A., 2017. Magnetic iron oxide nanoparticles grafted N-isopropylacrylamide/chitosan copolymer for the extraction and determination of Letrozole in human biological samples. J Sep Sci.40., 1125-1132.
12. Boruah. P.K., et al.,2017. Magnetically recoverable Fe3O4/graphene nanocomposite towards efficient removal of triazine pesticides from aqueous solution: investigation of the adsorption phenomenon and specific ion effect, Chemosphere 168 ,1058-1067.
13. Narain. R., et al., 2007. Synthesis of monodisperse biotinylated p (NIPAAm)-coated iron oxide magnetic nanoparticles and their bioconjugation to streptavidin, Langmuir 23, 6299.
14. Liu. X., Hu. Q., Fang. Zh., Zhang. X., 2009. Magnetic Chitosan Nanocomposites: A Useful Recyclable Tool for Heavy Metal Ion Removal. Langmuir, 25, 3-8.
15. Dong. S., Sun. Y., Wu. J., Wu. B.,2015. Graphene oxide as filter media to remove Levofloxacin and lead from aqueous solution, Chemosphere.
16. Yao. B., Luo. Z., Du. S., Yang. J., Zhi. D., Zhou. Y., 2021. Sustainable biochar/ MgFe2O4 adsorbent for levofloxacin removal: adsorption performances and mechanisms. Bioresource Technology 340, 125698
17. Al-Jabari. M.H., Sulaiman. S., Ali. S., 2019.Adsorption study of levofloxacin on reusable magnetic nanoparticles: Kinetics and antibacterial activity, J. Mol. Liq. 291, 111249.
18. Monji. P., Jahanmardi. R., 2018. Preparation of melamine-grafted graphene oxide and evaluation of its efficacy as a flame-retardant additive for polypropylene, Carbon Letters 27, 81.
19. Germani Nejad. H., Hassani. A. H., Ahmad Panahi. H., Moniri. E.,2023. Efficiency of levofloxacin removal from aqueous solutions using three‑dimensional magnetic composite graphene oxide nanoparticle grafted onto melamine and chitosan dialdehyde, International Journal of Environmental Science and Technology. 20:4767–4778.
20. Zhaoa. X., Yia. Sh., 2018. Removal of levofloxacin from aqueous solution by magnesium-impregnated biochar: batch and column experiments, Chemical Speciation & Bioavailability Lablity, 30, 68-75.
21. Hao. L., Wang. C.,2014. Magnetic three-dimensional graphene solid-phase extraction coupled with high performance liquid chromatography for the determination of phthalate esters in fruit juice. Anal. Methods.
22. Langmuir.I.,1918. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum, J. Am. Chem. Soc. 40 , 1361-403.
23. Freundlich. H.M.F.,1906. Über die adsorption in lösungen, Z Phys Chem (Leipzig). 57, 385–470.
24. Temkin. M.I., 2019. Adsorption equilibrium and kinetics of processes on heterogeneous surfaces and at interaction between adsorbed molecules, Zh Fiz Khim (Russ J Phys Chem). 15 , 296–332.
25. Dubinin. M.M.,1960. The potential theory of adsorption of gases and vapors for adsorbents with energetically non-uniform surface. Chem. Rev. 60, 235– 266.
26. Mahmoud. M.E., et al., 2021. Effective removal of Levofloxacin drug and Cr (VI) from water by a composed nanobiosorbent of vanadium pentoxide@chitosan@MOFs; International Journal of Biological Macromolecules 188, 879-891.
27. Balarak.D., Kord F Mostafapourand., Langmuir., Freundlich., Temkin and Dubinin– radushkevich.,2017. Isotherms Studies of Equilibrium Sorption of Ampicilin unto Montmorillonite anoparticles; JPRI, 20, 1-9.
28. Albadarin. A.B., Charara. M., Tarboush. B.M.A., Ahmad. M.N.M., Kurniawan. T.A., Mu. N., 2017.Mechanism analysis of tartrazine biosorption onto masau stone, a low-cost byproduct from semi-arid regions. J. Mol. Liq. 242, 478–483.
29. Suganya. S., Kumar. P.S., 2018. Kinetic and thermodynamic analysis for the redemption of effluents containing Solochrome Black T onto powdered activated carbon: A validation of new solid-liquid phase equilibrium model, J. Mol. Liq. 259, 88–101
30. Berizi. Z., Hashemi. S.Y., Hadi. M., Azari. A., Mahvi A.H.,2016. The study of non-linear kinetics and adsorption isotherm models for acid red 18 from aqueous solutions by magnetite nanoparticles and magnetite nanoparticles modified by sodium alginate. Water. Sci. Technol. 74, 1235– 1242.