حذف آنتی‌بیوتیک سفازولین با استفاده از رزین پلی‌انیلین-پلی‌اتیلن ‌گلایکول از محیط آبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای مهندسی محیط‌زیست، آب و فاضلاب، گروه آب و فاضلاب، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

3 دانشیار، دانشکده منابع طبیعی و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

4 استاد، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران، ایران

چکیده

سفازولین آنتی‌بیوتیکی پرمصرف در درمان عفونت‌های باکتریایی است که به شکل اصلی و یا متابولیزه شده از طریق تخلیه فاضلاب‌ها و پساب‌ها، وارد منابع آبی می‌شود. حضور آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط می‌تواند باعث تأثیرگذاری بر روی پاتوژن‌های غیرهدف، تغییر ساختار، غنای جلبک‌های موجود در منابع آبی، مداخله بر فتوسنتز گیاهان و ایجاد ناهنجاری‌های مورفولوژی در گیاهان شود. روش‌های مختلفی برای حذف آنتی‌بیوتیک بررسی شد. در این میان جذب سطحی یکی از روش‌های مناسب است. بنابراین در این پژوهش، سنتز رزین پلی‌انیلین-پلی‌اتیلن گلایکول و ارزیابی عملکرد آن در حذف سفازولین توسط فرایند جذب سطحی بررسی شد. رزین پلی‌انیلین-پلی‌اتیلن ‌گلایکول به روش پلیمریزاسیون شیمیایی تهیه شد. برای تعیین ویژگی‌های رزین سنتز شده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، دستگاه گرما وزن‌سنجی و طیف‌سنج مادون قرمز استفاده شد. در این پژوهش تأثیر پارامترهای pH معادل 2 تا 8، مقدار جاذب 1/0 تا 5 گرم، غلظت اولیه آنتی‌بیوتیک در مقدار 10 تا 100 میلی‌گرم در لیتر، زمان تماس 15 تا 120 دقیقه و دمای 20 تا 70 درجه سلسیوس، واجذب جاذب با اسید نیتریک و هیدروکسید سدیم، ترکیبات مزاحم کلرور و سولفات بررسی شد. ایزوترم‌های جذب لانگمیر، فروندلیچ، تمکین و سینتیک جذب تعیین شد. در تمامی مراحل برای تعیین غلظت سفازولین از دستگاه اسپکتوفتومتر استفاده شد و برای تعیین تأثیر یون‌های مداخله‌گر در حذف سفازولین و تأیید نتایج اسپکت تعیین تأثیر یون‌های مداخله‌گر از دستگاه HPLC استفاده شد. زمان تماس 60 دقیقه جاذب و سفازولین به‌دلیل کامل شدن ظرفیت جذب رزین پلی‌انیلین-پلی‌اتیلن گلایکول و کارایی بالای حذف به‌عنوان زمان بهینه انتخاب شد. با توجه به کارایی بالای حذف سفازولین در pH برابر 5 به‌دلیل رقابت بین یون‌های -OH و مولکول‌های با بار منفی سفازولین به‌عنوان pH بهینه انتخاب شد. جاذب با مقدار 3 گرم به‌دلیل افزایش بازدهی حذف با افزایش جاذب مصرفی و وجود تعداد زیاد مکان‌های جذب به‌عنوان جاذب بهینه انتخاب شد. حذف سفازولین در محدوده غلظت 50،20،10، 70 و 100 میلی‌گرم در لیتر، آزمایش شد و نتایج نشان داد که با افزایش غلظت سفازولین میزان کارایی حذف از 69 درصد به 50 درصد به‌دلیل مکان‌های جذب بیشتری روی سطح جاذب درغلظت‌های کم که موجب می‌شود سفازولین به سرعت جذب و کارایی حذف افزایش یابد. نتایج آزمایش‌ها، تأثیر ترکیبات مزاحم را نشان داد که درصد حذف سفازولین در آب مقطر از 46/98 درصد به 72/72 درصد در آب شهری با وجود ترکیبات مزاحم کلرور و سولفات به‌دلیل تشکیل کمپلکس آنیون‌ها با سطح جاذب و تشکیل کمپلکس پایدار و ایجاد مانع برای جذب سفازولین کاهش یافت. نتایج احیای جاذب نشان داد که درصد حذف سفازولین بعد از 6 مرحله توسط اسید نیتریک از 99/93 به 55/74 درصد و توسط سود از 25/41 به 56/21 درصد کاهش یافت. بر مبنای این نتایج می‌توان اظهار کرد که رزین پلی‌انیلین-پلی‌اتیلن ‌گلایکول قابلیت خوبی برای حذف آنتی‌بیوتیک سفازولین از محیط‌های آبی دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Removal of the Cefazolin Antibiotic Using Polyaniline Resin-Polyethylene Glycol from Aqueous Medium

نویسندگان [English]

  • Mozhgan Arman 1
  • Seyd Mehdii Borghei 2
  • Amir Hesam Hassani 3
  • Morteza Ehsani 4
1 Prof., Faculty of Natural Resources and Environment, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran
2 Prof., Faculty of Natural Resources and Environment, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran
3 Assoc. Prof., Faculty of Natural Resources and Environment, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran, Iran
4 Prof., Iran Polymer and Petrochemical Research Institute, Tehran, Iran
چکیده [English]

Cefazolin is a widely used antibiotic in the treatment of bacterial infections that enters the water sources in original or metabolized form through the discharge of sewage and effluents. The presence of antibiotics in the environment can affect non-target pathogens, change the structure, enrich the algae in water sources, interfere with photosynthesis in plants and cause morphological abnormalities in plants. Various methods have been studied to remove antibiotics. Among these, surface adsorption is one of the appropriate methods. Therefore, in this study, the synthesis of polyaniline-polyethylene glycol resin and its evaluation in the removal of cefazolin by the adsorption process were investigated. Polyanyylene-polyethylene glycol resin was prepared by chemical polymerization method. Transfer electron microscope, thermometer and infrared spectrometer were used to determine the properties of the synthesized resin. In this study, the effect of pH parameters in the range of 2 to 8, the amount of adsorbent 0.1 to 5 g, the initial concentration of antibiotics in the amount of 10 to 100 mg/L, contact time 15 to 120 minutes and the temperature range of 20 to 70 °C, adsorbent desorption with nitric acid and sodium hydroxide, the interfering compounds of chloride and sulfate were investigated. The adsorption isotherms of Langmuir, Freundlich, Tamkin and adsorption kinetics were determined. In all stages, spectrophotometer was used to determine the concentration of cefazolin and HPLC was used to determine the effect of interfering ions on the removal of cefazolin and to confirm the results of spectra to determine the effect of interfering ions. The contact time of 60 minutes of adsorbent and cefazolin was selected as the optimal time due to the completion of the adsorption capacity of polyaniline-polyethylene glycol resin and high removal efficiency. Due to the high removal efficiency of cefazolin at (pH = 5), cefazolin was selected as the optimal pH due to the competition between OH- ions and negatively charged molecules. Adsorbent (3 g) was selected as the optimal adsorbent due to the increase in removal efficiency with increasing adsorbent consumption and the presence of a large number of adsorption sites. Elimination of cefazolin was tested in the concentration range (10, 20, 50, 70 and 100 mg/L) and the results showed that with increasing the concentration of cefazolin, the removal efficiency decreased from 69% to 50% due to more adsorption sites on the adsorbent surface in concentrations. Low concentration of cefazolin causes to be rapidly absorbed and the removal efficiency increases. The results of experiments of the effect of disturbing compounds showed that the removal percentage of cefazolin in distilled water from 98.46% to 72.72% in municipal water despite the disturbing compounds of chloride and sulfate due to the formation of anions with the adsorbent surface and the formation of stable complexes and barriers to cefazolin uptake decreased. The results of adsorbent reduction showed that the percentage of removal of cefazolin after 6 steps by nitric acid decreased from 93.99 to 74.55% and decreased by profit from 41.25 to 21.56%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyaniline
  • Polyethylene Glycol
  • Cefazolin
  • Methyl Hexyl Imidazolium Hexafluoride Phosphate
Addamo, M., Augugliaro, V., Paola, A. D., Garcia-Lopez, E., Loddo, V., Marci, G., et al. 2005. Removal of drugs in aqueous systems by photoassisted degradation. Journal of Applied Electrochemistry, 35(7), 765-774.
Andreozzi, R., Campanella, L., Fraysse, B., Garric, J., Gonnella, A., Lo Giudice, R., et al. 2004. Effects of advanced oxidation processes (AOPs) on the toxicity of a mixture of pharmaceuticals. Water Science and Technology, 50(5), 23-28.
Azadbakht, F., Shojaeyan, S., yeganeBadi, M. & Gholami, M. 2019. Efficiency assesment of chitosan graphene oxide composite in aniline removal from aqueous solutions. Journal of Environmental Health Enginering, 6(2), 133-148.
Buruga, K., Song, H., Shang, J., Bolan, N., Jagannathan, T. K. & Kim, K. H. 2019. A review on functional polymer-clay based nanocomposite membranes for treatment of water. Journal of Hazardous Materials, 379, 120584.
Chen, J., Li, B., Zheng, J., Zhao, J., Jing, H. & Zhu, Z. 2011. Polyaniline nanofiber/carbon film as flexible counter electrodes in platinum-free dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta, 56(12), 4624-4630.
Dapeng, L. I. & Jiuhui, Q. U. 2009. The progress of catalytic technologies in water purification: a review. Journal of Environmental Sciences, 21(6), 713-719.
Fakhri, A., Rashidi, S., Asif, M., Tyagi, I., Agarwal, S. & Gupta, V. K. 2016. Dynamic adsorption behavior and mechanism of cefotaxime, cefradine and cefazolin antibiotics on CdS-MWCNT nanocomposites. Journal of Molecular Liquids, 215, 269-275.
Fan, Y., Zhou, Z., Feng, Y., Zhou, Y., Wen, L. & Shih, K. 2020. Degradation mechanisms of ofloxacin and cefazolin using peroxymonosulfate activated by reduced graphene oxide-CoFe2O4 composites. Chemical Engineering Journal, 383, 123056.
Gad-Allah, T. A., Ali, M. E. & Badawy, M. I. 2011. Photocatalytic oxidation of ciprofloxacin under simulated sunlight. Journal of Hazardous Materials, 186(1), 751-755.
Gholami, P., Dinpazhoh, L., Khataee, A., Hassani, A. & Bhatnagar, A. 2020. Facile hydrothermal synthesis of novel Fe-Cu layered double hydroxide/biochar nanocomposite with enhanced sonocatalytic activity for degradation of cefazolin sodium. Journal of Hazardous Materials, 381, 120742.
Gurkan, Y., Turkten, N., Hatipoglu, A. & Cinar, Z. 2012. Photocatalytic degradation of cefazolin over N-doped TiO2 under UV and sunlight irradiation: prediction of the reaction paths via conceptual DFT. Chemical Engineering Journal, 184, 113-124.
Krishnan, K., Sreejalekshmi, K. & Varghese, S. 2010. Adsorptive retention of citric acid onto activated carbon prepared from Havea braziliansis sawdust, kinetic and isotherm overview. Desalination, 257(1-3), 46-52.
Kümmerer, K. 2009. Antibiotics in the aquatic environment–a review–part I. Chemosphere, 75(4), 417-434.
Li, Z., Schulz, L., Ackley, C. & Fenske, N. 2010. Adsorption of tetracycline on kaolinite with pH-depedent surface charge. Journal of Colloid and Interface Science, 351(1), 254-60.
Lin, P. & Yan, F. 2012. Organic thin film transistors for chemical and biological sensing. Advanced Materials, 24, 34-51.
Lucas, M., Peres, J. & Puma, G. 2010. Treatment of winery wastewater by ozone-based advancedoxidation processes (O3, O3/UV and O3/UV/H2O2) in a pilot-scale bubble column reactor and process economics. Separation and Purification Technology, 72(3), 235-241.
Luo, Y., Guo, W., Ngo, H. H., Nghiem, L. D., Hai, F. I., Zhang, J., Liang, S. and Wang, X. C., 2014. A review on the occurrence of micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment. Science of the Total Environment, 473, 619-641.
Nawrocki, J. & Kasprzyk-Hordern, B. 2010. The efficiency and mechanisms of catalytic ozonation. Applied Catalysis B: Environmental, 99(1-2), 27-42.
Niziol, J., Sniechowski, M. & Pielichowski, J. 2011. Alternative oxidizers in polyaniline synthesis. Polymer Bulletin, 66, 761-770.
Olad, A. & Rashidzadeh, A. 2008. Preparation and anticorrosive properties of PANI/Na-MMT and PANI/O-MMT nanocomposites. Progress in Organic Coatings, 62, 293-298.
Olad, A., Barati, M. & Shirmohammadi, H. 2011. Conductivity and anticorrosion performance of polyaniline/zinc composites: investigation of zinc particle size and distribution. Progress in Organic Coatings, 72, 599-604.
Ryu, K. et al., 2010. Physical characterization of lithium ionic salt doped polyaniline as a polymer electrode of lithium secoundary battery. Synthetic Metals, 110, 213-17.
Samarghandi, M., Rahmani, A., Asgari, G., Ahmadidoost, G. & Dargahi, A. 2018. Photocatalytic removal of cefazolin from aqueous solution by AC prepared from mango seed+ ZnO under uv irradiation. Global Nest Journal, 20(2), 399-407.
Samarghandi, M., Rahmani, A., Asgari, G., Ahmadidoost, G. & Dargahi, A. 2018. Photocatalytic removal of cefazolin from aqueous solution by AC prepared from mango seed+ ZnO under uv irradiation. Global Nest Journal, 20(2), 399-407.
Vega, E., Narda, G. & and Ferretti, H. 2003. Adsorption of citric acid from dilute aqueous solutions by hydroxyapatite. Journal of Colloid and Interface Science, 268, 37-42.
Wang, Y., Tran, H. D., Liao, L., Duan, X. & Kaner, R. B. 2010. Nanoscale morphology, dimensional control and electrical properties of oligoanilines. Journal of the American Chemical Society, 132(30), 10365-10373.
Wei, R., Ge, F., Huang, S., Chen, M. and Wang, R. 2011. Occurrence of veterinary antibiotics in animal wastewater and surface water around farms in Jiangsu Province, China. Chemosphere, 82(10), 1408-1414.
Zheng, S., Cui, C., Liang, Q., Xia, X. & Yang, F. 2010. Ozonation performance of WWTP secondary effluent of antibiotic manufacturing wastewater. Chemosphere, 81(9), 1159-1163.