Primena Novih Nanostrukturnih Fotokatalizatora u Razgradnji Aktivnih Supstanci Odabranih Farmaceutika u Akvatičnom Matriksu

Abstract

Cilj doktorske disertacije je ispitivanje mogućnosti implementacije novih nanostrukturnih mešavina cink oksida sa indijum oksidom, kalaj oksidom i titanijum dioksidom (ZnO/In₂O₃, ZnO/SnO₂, ZnO/TiO₂) u odnosu 2:1 za fotokatalitičku razgradnju selektovanih farmaceutskih jedinjenja. Selektovana farmaceutska jedinjenja predstavljaju ketoprofen, naproksen, ibuprofen i diklofenak koji pripadaju grupi nesteroidnih antinflamatornih lekova koja je najfrekventnije detekovana u komunalnim otpadnim vodama. Sinteza nanomaterijala je sprovedena primenom mehanohemijske solid-state metode. U okviru teze prikazana je detaljna fizička karakterizacija analiziranih fotokatalizatora. Morfološka i kristalografska struktura novosintetisanih nanomaterijala je analizirana primenom skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) i XRD difrakcije, respektivno. Niz eksperimentalnih procedura je sprovedeno sa ciljem optimizacije fotokatalitičkog tretmana koja uključuje ispitivanje uticaja inicijalne koncentracije nanomaterijala, inicijalne pH vrednosti, inicijalne koncentracije farmaceutskih polutanta i inicijalnog vremena tretmana.

Poseban istraživački zadatak u okviru teze je bio usmeren ka analizi efikasnosti u razgradnji farmaceutskih jedinjenja u kompetitivnom fotokatalitičkom tretmanu. Efekti neorganskih konstituenata koji su prisutni u realnim akvatičnim medijuma su ispitivani kako bi se procenila sveukupna efikasnost ispitivanog tretmana. Dobijeni rezultati ukazuju na kompletnu degradaciju naproksena, ketoprofen i diklofenaka nakon kratkog vremena izloženosti UV zračenju.

Ibuprofen predstavlja najrezistentniju farmaceutsku kompenentu čija kompletna dekompozicija nije postignuta pri analiziranom vremenu fotokatalitičkog tretmana. Rezultati ukazuju da se kompetitivnom reakcijom četiri odabrana farmaceutika postiže visoka efikasanost analiziranog naprednog oksidacionog tretmana i analiziranih nanostrukturnih mešavina. U okviru disertacije posebni istraživački tok je baziran na sprovođenju citotoksičnih testova primenom humanih HepG2 ćelija sa ciljem analize pogodnosti izabranog fotokatalitičkog procesa koji uključuje utvrđivanje biokompatibilnosti nanomaterijala, farmaceutskih komponenata i degradacionih produkata. Umereno citotoksičan uticaj je ispoljavao diklofenak pri višim koncentracijama, dok naproksen, ketoprofen i ibuprofen nisu imali značajan uticaj.

Prema ekonomskoj i SWOT analizi, fotokatalitički tretman sa selektovanim nanomaterijalima predstavlja ekonomski isplatliv proces i može predstavljati potencijalnu alternativu za efikasnu eliminaciju farmaceutskih mikrokontaminanata u realnim postrojenjima za tretman komunalnih otpadnih voda.

Alternate abstract:

The aim of the doctoral dissertation is to investigate the possibility of implementing new nanostructured mixtures of zinc oxide with indium oxide, tin oxide and titanium dioxide (ZnO/In₂O₃, ZnO/SnO₂, ZnO/TiO₂) in a 2: 1 ratio for photocatalytic degradation of selected pharmaceuticals. The selected pharmaceutical compounds are ketoprofen, naproxen, ibuprofen and diclofenac, which belong to the group of nonsteroidal anti-inflammatory drugs that are most frequently detected in municipal wastewater. The synthesis of nanomaterials was carried out using the mechanochemical solid-state method. Within the thesis, a detailed physical characterization of the analyzed photocatalysts is presented. The morphological and crystallographic structure of the newly synthesized nanomaterials was analyzed using scanning electron microscopy (SEM) and XRD diffraction, respectively. A series of experimental procedures were performed with the aim of optimizing photocatalytic treatment, which includes examining the effects of initial nanomaterial concentration, initial pH value, initial concentration of pharmaceutical pollutants and initial treatment time.

A special research task within the thesis was focused on the analysis of the efficacy in the degradation of pharmaceutical compounds in competitive photocatalytic treatment. The effects of inorganic constituents present in real aquatic media were examined to assess the overall efficacy of the study treatment. The obtained results indicate complete degradation of naproxen, ketoprofen and diclofenac after a short time of exposure to UV radiation.

Ibuprofen is the most resistant pharmaceutical component whose complete decomposition was not achieved during the analyzed time of photocatalytic treatment. The results indicate that the competitive reaction of the four selected pharmaceuticals shows the high efficiency of the analyzed advanced oxidation treatment and the analyzed nanostructured mixtures. Within the dissertation, a special research course was based on conducting cytotoxic tests using human HepG2 cells with the aim of analyzing the suitability of the selected photocatalytic process, which includes determining the biocompatibility of nanomaterials, pharmaceutical components and degradation products. Diclofenac had a moderate cytotoxic effect at higher concentrations, while naproxen, ketoprofen and ibuprofen had no significant effect.

According to economic and SWOT analysis, photocatalytic treatment with selected nanomaterials is an economically viable process and can represent a potential alternative for efficient elimination of pharmaceutical microcontaminants in real municipal wastewater treatment plants.