بررسی تاثیر کارایی فرآیند ازن زنی بر فرآیند فتوکاتالیستی نانوذرات اکسید منیزیم در حذف آموکسی سیلین از محلول های آبی

آنتی ­بیوتیک­ ها به طور گسترده به عنوان داروهای انسانی، حیوانی برای درمان عفونت­ های میکروبی استفاده می­شوند(1, 2). حدود 90-30 درصد آنتی­ بیوتیک­ ها در بدن انسان و حیوانات تجزیه نشده و به صورت ترکیبات فعال از ادرار و مدفوع وارد محیط زیست می­شوند(3). برخی از عوارض نامطلوب آنتی­ بیوتیک­ ها شامل: افزایش مقاومت باکتریایی، ژنوتوکسیت و اختلالات گوارشی می­باشد(4, 5).

ترکیبات دارویی از منابعی مثل صنایع دارویی، پساب بیمارستان­ ها، مدفوع انسان و احشام، پساب تصفیه ­خانه­ های فاضلاب، فعالیت­ های آزمایشگاهی و تحقیقاتی به محیط­ های آبی وارد می­شوند(6, 7). تصفیه متعارف فاضلاب فقط90 -60 درصد آنتی­بیوتیک ­ها را حذف می­کند(3, 8). ترکیبات دارویی شامل آنتی­ بیوتیک­ ها در محیط­ های آبی از جمله آب­های سطحی، آب­های زیرزمینی، پساب فاضلاب­ها و حتی در آب آشامیدنی، خاک و رسوبات مشاهده شده است(1, 6).

آنتی ­بیوتیک­ های بتالاکتام (آمپی­ سیلین، آموکسی­ سیلین و پنی­ سیلین)، پرمصرف­ ترین گروه آنتی­ بیوتیک ­های مصرفی جهان ( بیش از65 درصد ) است و در ایران نیز 6/32 درصد را شامل می­شود و پرمصرف­ ترین آنها آموکسی­ سیلین (15 درصد از کل داروهای مصرفی ) می­باشد(9).

آموکسی­ سیلین یک آنتی­ بیوتیک بتالاکتام (فرمول شیمیایی (C₁₆H₁₉N₃O₅S₃) با وزن مولکولی 41/365 گرم بر مول هستند و کاربردش برای درمان عفونت­ های باکتریایی معده ­ای – روده­ ای و سیستماتیک می­باشد(10, 11). آموکسی­ سیلین از دسته پنی­ سیلین نیمه ­سنتز است که دارای ویژگی­ های ضدمیکروبی به دلیل وجود حلقه بتالاکتام در ساختارش است(4) .

 روش­های مورد استفاده برای حذف آنتی­ بیوتیک ­ها شامل فرآیندهای غشایی(12)، جذب(2, 3, 7, 9-11) و فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته شامل: ازن­ زنی(8, 13, 14) اشعه ماوراء­بنفش(4) و روش­ های ترکیبی مثل فتوفنتون (15)، الکتروفنتون (5)، UV/H₂O₂، UV/TiO₂ ،UV/ZnO ، UV/Sn/TiO₂ ، UV/H₂O₂/TiO₂ است(4, 6, 16, 17).

از بین روش­های فوق، فرآیند اکسیداسیون پیشرفته، روش عالی و موثر برای تجزیه انواع آلاینده­ های خطرناک، مقاوم و غیر­قابل­ تجزیه از محلول­های آبی است(18). چرا که دارای مزایایی از جمله سادگی فرایند، هزینه پایین، راندمان بالا و معدنی ­کردن باعث حذف موثر آلاینده ­ها می­شوند(19, 20).

فتوکاتالیست، تجزیه آلاینده­ ها با استفاده از نور در حضور یک کاتالیزور شتابدهنده می­باشد(21).

استفاده از کاتالیست در فرآیندهای ازن زنی و اشعه ماوراءبنفش باعث افزایش سرعت واکنش، کاهش زمان مورد نیاز، افزایش تولید رادیکال هیدروکسیل، کاهش تولید فرآورده ­های سمی و افزایش راندمان می­شود(14, 22, 23).

امروزه از  مواد نیمه­ رسانای مختلف مانند: (Tio₂،Mno₂ ، Al₂o₃  وZnO ،  CuO،MgO ، ... )،  فلزات یا اکسید­های فلزی تقویت شده (Cu/Tio₂، Cu/Al₂o₃،Fe₂o₃/Al₂  O₃ ، TiO₂/Al₂O₃ ، Co/SiO₂ ، Ru/CeO₂ ، MnOx/ZrO₂ ، CoOx/Al₂o₃ ) و برخی از مواد متخلخل (کربن ­فعال گرانولی، زئولیت، سرامیک لانه­ زنبوری و غیره ) به کرات برای حذف آلاینده­ ها در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می­شود(18, 24).

از بین روش­های اکسیداسیون پیشرفته، فرایندهای مبتنی بر مواد نیمه­ رسانا مانند  ZnO و TiO₂ به دلیل راندمان بالا در حذف آلاینده­ ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است (21).

منیزیم ­اکساید به عنوان یک کاتالیست غیرهمگن پتانسیل خیلی خوبی برای تجزیه آلاینده­ های آلی مختلف دارد. و از مواد مقرون­ به ­صرفه، غیر سمی و سازگار با محیط زیست است. منیزیم­ اکساید تقریبا به طور گسترده در تصفیه فاضلاب استفاده می­شود (24). برای مثال برای حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول (14)، رنگها (19) استفاده شده است.

بذرافشان و همکاران از فرآیند ازن­ زنی کاتالیزوری با نانوذرات اکسید­منیزیم در حذف اتیل­ بنزن استفاده کردند حداکثر حذف اتیل­ بنزن در شرایط بهینه 99/99 درصد بدست آمده بود(25). در فرآیند فتوکاتالیستی با نانوذرات اکسید­­­منیزیم در حذف آنیلین از محلول­های آبی که توسط بذرافشان و همکاران انجام شده است در شرایط بهینه راندمان حذف 63/90 درصد گزارش شده است(26). بنابراین هدف از این مطالعه بررسی تاثیر کارایی فرآیند ازن زنی بر فرایند فتوکاتالیستی با نانوذرات اکسید منیزیم در حذف آموکسی سیلین از محلولهای آبی است.

1. درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسید­منیزیم به روش سطح-پاسخ از محیط‌های آبی بر حسب pH  چقدر است؟
2. درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسید­منیزیم به روش سطح-پاسخ از محیط‌های آبی برحسب زمان­های مختلف چقدراست؟
3. درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسید منیزیم به روش سطح-پاسخ از محیط‌های آبی بر حسب دوز‌های مختلف نانوذره چقدراست؟
4. درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین با تاثیر ازن­زنی بر فرآیند فتوکاتالیستی بهینه شده چقدر است؟

تعیین کارایی فرآیند ازن ­زنی و فتوکاتالیستی نانوذرات اکسید منیزیم در حذف آموکسی­ سیلین از محلول­های آبی

1. PHتعیین درصد تغییرات حذف آموکسی سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسیدمنیزیم به روش سطح و پاسخ از محیط های آبی بر حسب  
2. تعیین درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسید منیزیم به روش سطح-پاسخ از محیط‌های آبی برحسب زمان­های مختلف
3. تعیین درصد تغییرات حذف آموکسی­ سیلین بوسیله فرآیند فتوکاتالیست نانوذرات اکسید منیزیم به روش سطح-پاسخ از محیط‌های آبی بر حسب دوز­های مختلف نانو­ذره
4. تعیین درصد تغییرات حذف آموکسی ­سیلین با تاثیر ازن­ زنی بر فرآیند فتوکاتالیستی بهینه شده

بیمارستان ها، کارخانه­ های داروسازی، سازمان منابع طبیعی، شهرداری ها، سازمان آب و فاضلاب

فرایند فوتوکاتالیستی: تحریک نانوذرات با اشعه فرابنفش و تولید رادیکال هیدروکسیل برای حذف الاینده ها

تجربی - آزمایشگاهی

محلول­ های سنتتیک حاوی غلظت­ های مختلف آنتی­ بیوتیک آموکسی ­سیلین در آزمایشگاه

معیارهای ورود : نمونه سنتتیک شده حاوی آنتی­ بیوتیک آموکسی­ سیلین باشد.

با استفاده از نرم افزار Design Expert نسخه 7 با در نظر گرفتن pH در گستره( 9-6-3 ) ، دوز نانوذره اکسید ­منیزیم (750-500-250 )میلی­ گرم در لیتر، زمان تماس (90-60-30 ) دقیقه مقدار پارامترهای مورد بررسی را در هر نمونه مشخص می­کنیم. در مجموع 20 نمونه با توجه به نرم افزارDesign­Expert تهیه می­شود. آزمایشات دو بار تکرار می­شوند. 40=2*20

نمونه ­ها در آزمایشگاه به صورت سنتتیک ساخته می­شود.

در انتهای هر فرآیند نمونه های مورد آزمایش از فیلتر سرنگی عبور داده می­شوند سپس با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری مقدار جذب آنتی بیوتیک قرائت می­شود و با توجه به میزان درصد حذف، کارایی فرآیند تعیین خواهد شد.

مواد و وسایل مورد نیاز: آنتی­ بیوتیک آموکسی­ سیلین (شرکت سیگما آلدریچ ) ، اسیدسولفوریک0.02 نرمال ( ساخت شرکت Merch)، سدیم هیدروکسید0.1 نرمال(ساخت کشور Merch)، نانوذرات منیزیم اکساید (ساخت شرکتMerch )، لامپ UV (شرکت ایرانی لاپترن) از لوازم پزشکی خریداری گردد. راکتور از جنس استیل ضدزنگ با حجم یک لیتر ، دستگاه مولد ازن ( مدل دنالی ازن ) ساخت شرکت ازن سازان پاسارگاد با ظرفیت تولید ازن معادل 0.2 گرم در ساعت ( ظرفیت اسمی 5 گرم در ساعت)، شیرها و اتصالات، فلومتر، کمپرسور هوا، دستگاه pHمتر(MTT65)، ترازو(KERN Anti-electrostatic)، دستگاه اسپکتروفتومتری(DR5000 -HACH )، بشر، ارلن و بالن ژوژه در حجم ­های مختلف، راکتور شیشه­ ای، فیلتر­سرنگی( قطر­منافذ 0.22 میکرومتر)، همزن مغناطیسی(مدل MSH basic ساخت کشور آلمان )  

روش اجرا :

در ابتدای کار یک محلول استوک آموکسی­ سیلین با حل کردن100میلی­ گرم پودر آموکسی ­سیلین در 1000 میلی­ لیتر آب دیونیزه تهیه می­ شود. محلول استوک تهیه شده به صورت هفتگی تهیه می­ شود و برای جلوگیری از تغییر غلظت در درون یخچال در دمای 4 درجه سانتی­گراد نگهداری می­ شود.

 pH نمونه­ ها با اسید­سولفوریک 0.02 نرمال و سدیم هیدروکسید 0.1 نرمال توسط pHمتر تنظیم می­ شود. نمونه ­های ساخته شده در مجاورت لامپ UV (30وات ) درون راکتور قرار داده برای اختلاط نمونه­ ها از مگنت و همزن مغناطیسی استفاده شود و پس از اتمام زمان تعیین شده نمونه­ ها را خارج کرده از فیلتر سرنگی عبورداده و توسط دستگاه اسپکتروفتومتر، مقدار جذب آنتی ­بیوتیک باقی­مانده در طول­ موج بدست آمده قرائت می­شود و براساس منحنی استاندارد غلظت خروجی آنتی ­بیوتیک مشخص خواهد شد.

برای انجام ازن­ زنی با توجه به مقدار بهینه بدست آمده از متغیرهای مورد نظر نمونه ساخته شده در درون راکتور استیل یک­ لیتری، با دوز ازن 0.2گرم در ساعت قرار داده پس از اتمام زمان بهینه لازم، نمونه­ ها را از فیلتر سرنگی عبور داده و با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری مقدار جذب قرائت گردد و سپس براساس منحنی استاندارد غلظت خروجی آنتی­ بیوتیک مشخص خواهد شد.

راندمان حذف آنتی­ بیوتیک آموکسی­ سیلین با استفاده از فرمول زیر  بدست می­ آید :

C₀  C₀ – C₁ / = راندمان حذف آنتی­ بیوتیک آموکسی­ سیلین

C0: غلظت اولیه آنتی­ بیوتیک آموکسی­ سیلین     C₁ : غلظت خروجی آنتی ­بیوتیک آموکسی­ سیلین

با استفاده از نرم افزار Design Expert و آزمون های آماری تجزیه و تحلیل داده ها انجام میشود.

ندارد

استفاده از دستگاه ازن ­زنی  به دلیل اینکه ازن گازی سمی است محدود­کننده می­باشد که با استفاده از وسایل ایمنی میتوان از خطرات ازن پیشگیری کرد.

آموکسی ­سیلین، ازن­ زنی، فتوکاتالیست، نانوذرات اکسید­منیزیم

1.            Dimitrakopoulou D, Rethemiotaki I, Frontistis Z, Xekoukoulotakis NP, Venieri D, Mantzavinos D. Degradation, mineralization and antibiotic inactivation of amoxicillin by UV-A/TiO 2 photocatalysis. Journal of environmental management. 2012;98:168-74.

2.            Fakhri A, Adami S. Adsorption and thermodynamic study of Cephalosporins antibiotics from aqueous solution onto MgO nanoparticles. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014;45(3):1001-6.

3.            Liu H, Liu W, Zhang J, Zhang C, Ren L, Li Y. Removal of cephalexin from aqueous solutions by original and Cu (II)/Fe (III) impregnated activated carbons developed from lotus stalks Kinetics and equilibrium studies. Journal of hazardous materials. 2011;185(2):1528-35.

4.            Jung YJ, Kim WG, Yoon Y, Kang J-W, Hong YM, Kim HW. Removal of amoxicillin by UV and UV/H 2 O 2 processes. Science of the Total Environment. 2012;420:160-7.

5.            Fazlzadeh M, Gulshan S, Bohloul A, Rezaei M. Evaluation of Electro-Fenton Process in Amoxicillin Removal from Aqueous Solutions. Journal of Health. 2016;7(3):276-87.

6.            Elmolla ES, Chaudhuri M. Photocatalytic degradation of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution using UV/TiO 2 and UV/H 2 O 2/TiO 2 photocatalysis. Desalination. 2010;252(1):46-52.

7.            Kakavandi B, Rezaei Kalantary R, Jonidi Jafari A, Esrafily A, Gholizadeh A, Azari A. Efficiency of powder activated carbon magnetized by Fe3O4 nanoparticles for amoxicillin removal from aqueous solutions: Equilibrium and kinetic studies of adsorption process. Iranian Journal of Health and Environment. 2014;7(1):21-34.

8.            Samarghandi M, Asgari G, Chavoshi S, Ghavami Z, Mehralipour J. Performance of Catalytic Ozonation by Fe/MgO Nanoparticle for Degradation of Cefazolin from Aqueous Environments. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2015;25(128):77-90.

9.            ALAHABADI A, MOUSSAVI G, YAGHMAEIAN K, KAREMISANY H. Adsorption potential of the granular activated carbon for the removal of amoxicillin from water. 2014.

10.          Putra EK, Pranowo R, Sunarso J, Indraswati N, Ismadji S. Performance of activated carbon and bentonite for adsorption of amoxicillin from wastewater: Mechanisms, isotherms and kinetics. Water research. 2009;43(9):2419-30.

11.          Samadi MT, Shokoohi R, Araghchian M, Tarlani Azar M. Amoxicillin Removal from Aquatic Solutions Using Multi-Walled Carbon Nanotubes. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2014;24(117):103-15.

12.          Javier Benitez F, Acero JL, Real FJ, Roldán G, Rodriguez E. Ultrafiltration and nanofiltration membranes applied to the removal of the pharmaceuticals amoxicillin, naproxen, metoprolol and phenacetin from water. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 2011;86(6):858-66.

13.          Andreozzi R, Canterino M, Marotta R, Paxeus N. Antibiotic removal from wastewaters: the ozonation of amoxicillin. Journal of hazardous Materials. 2005;122(3):243-50.

14.          Kermani M, Bahrami Asl F, Farzadkia M, Esrafili A, Salahshur Arian S, Arfaeinia H, et al. DEGRADATION EFFICIENCY AND KINETIC STUDY OF METRONIDAZOLE BY CATALYTIC OZONATION PROCESS IN PRESENCE OF MGO NANOPARTICLES. Urmia Medical Journal. 2013;24(10):839-50.

15.          Trovó AG, Nogueira RFP, Agüera A, Fernandez-Alba AR, Malato S. Degradation of the antibiotic amoxicillin by photo-Fenton process–chemical and toxicological assessment. Water research. 2011;45(3):1394-402.

16.          Elmolla ES, Chaudhuri M. Degradation of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution by the UV/ZnO photocatalytic process. Journal of hazardous materials. 2010;173(1):445-9.

17.          Mohammadi R, Massoumi B, Rabani M. Photocatalytic decomposition of amoxicillin trihydrate antibiotic in aqueous solutions under UV irradiation using Sn/TiO2 nanoparticles. International Journal of Photoenergy. 2012;2012.

18.          Su S, Guo W, Yi C, Leng Y, Ma Z. Degradation of amoxicillin in aqueous solution using sulphate radicals under ultrasound irradiation. Ultrasonics sonochemistry. 2012;19(3):469-74.

19.          Bahrami-asl F, Kermani M, Salahshour-Arian S, Mollamahmoudi-Abadi M, Zeynalzadeh D. Catalytic ozonation of azo dye Reactive Red 120 in the presence of MgO nanoparticles. Journal of Health in the Field. 2017;2(2).

20.          Kıdak R, Doğan Ş. Medium-high frequency ultrasound and ozone based advanced oxidation for amoxicillin removal in water. Ultrasonics Sonochemistry. 2017.

21.          Hemmati Borji S, Nasseri S, Nabizadeh Nodehi R, Mahvi A, Javadi A. Photocatalytic degradation of phenol in Aqueous Solutions by Fe (III)-doped TiO2/UV Process. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;3(4):369-80.

22.          Sui M, Xing S, Sheng L, Huang S, Guo H. Heterogeneous catalytic ozonation of ciprofloxacin in water with carbon nanotube supported manganese oxides as catalyst. Journal of hazardous materials. 2012;227:227-36.

23.          Taghi Ghaneian M, Ebrahimi A, Salimi J, Khosravi R, Fallahzadeh RA, Amrollahi M, et al. Photocatalytic Degradation of 2, 4-Dichlorophenoxyacetic acid from Aqueous Solutions Using In2O3 Nanoparticles. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2016;26(137):159-70.

24.          Mohammadi L, Bazrafshan E, Noroozifar M, Ansari-Moghaddam A. Application of Heterogeneous Catalytic Ozonation Process with Magnesium Oxide Nanoparticles for Toluene Degradation in Aqueous Environments. Health Scope. 2016 (Inpress).

25.          Mohamadi L, Bazrafshan E, Noroozifar M, Ansari-Moghaddam A. Ethyl Benzene Removal from Aqueous Environments by Catalytic Ozonation Process Using MgO Nanoparticles. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2016;26(143):129-44.

26.          Bazrafshan E, Noorzaei S, KordMostafapour F. Photocatalytic Degradation of Aniline in Aqueous Solutions Using Magnesium Oxide Nanoparticles. Journal of Mazandaran University of Medical Sciences. 2016;26(139):126-36.

27.          Mavronikola C, Demetriou M, Hapeshi E, Partassides D, Michael C, Mantzavinos D, et al. Mineralisation of the antibiotic amoxicillin in pure and surface waters by artificial UVA‐and sunlight‐induced Fenton oxidation. Journal of chemical technology and biotechnology. 2009;84(8):1211-7.

28.          Yazdanbakhsh A, Rafiee M, Daraei H, Kamali H. Amoxicillin Oxidative Degradation Synthesized by Nano Zero Valent Iron. SSU_Journals. 2016;23(12):1155-68.