بررسی نانوکامپوزیت مغناطیسی NH2-MIL-101 (Al) / کیتوزان (MNMC NCs) به عنوان یک جاذب جدید برای حذف آزیترومایسین از محلول آبی: مدل‌سازی و بهینه‌سازی فرآیند با طراحی کامپوزیت مرکزی

در سال های اخیر دسترسی مردم به انواع دارو ها به دلیل گسترش بیماری ها، پیشرفت علوم پزشکی، دارو سازی و ....در جهان افزایش چشمگیری داشته است. متاسفانه کشور ما جز 20 کشور نخست در مصرف دارو در جهان بوده و در این ارتباط در آسیا پس از چین دومین رتبه را به خود اختصاص داده است. آنتی بیوتیک ها گروه بزرگی از این داروهای مصرفی را تشکیل می دهند که برای ریشه کنی و توقف رشد میکروارگانیسم ها مورد استفاده قرار می گیرند(1). آنتی بیوتیک ها از راه های مختلفی که عمده ترین آنها کارخانجات تولید دارو است تولید و پتانسیل ورود به محیط زیست را دارند. نکته جالب در ارتباط با این خانواده دارویی آن است که آنتی بیوتیک ها عمدتا در محیط پایدار بوده و قدرت زیست تخریب پذیری پائینی دارند به گونه ای که فقط 10 درصد از آنها در بدن انسان متابولیزه شده و بقیه بدون تغییر از بدن دفع می شوند(2). مطالعات اخیر نشان دهنده این نکته است که روش های متداول تصفیه فاضلاب توانایی قابل قبولی در حذف آنتی بیوتیک ها ندارند و این آلاینده ها توسط پساب به محیط آبی/خشکی راه می یابند(3). Gao و همکاران در مطالعه خود بیان نمودند که غلظت آنتی بیوتیکها در آبهای سطحی و زیر زمینی از 1 تا 100 میکرو گرم در لیتر متغیر می باشد و صنایع دارویی بیشتر غلظت آنتی بیوتیک ها را در پساب خود نشان داده است (4). حضور آنتی بیوتیکها در اکوسیستم مشکلات عدیده ای همچون سرطان زایی، سمیت حاد، صدمه به DNA، ایجاد اختلال در فعالیت لنفوسیتها، ایجاد آلرژی و افزایش مقاومت باکتری ها را به همراه خواهد داشت.(5) بنابراین حذف آلاینده ها و رساندن آن ها به استانداردهای تخلیه امری اجتناب ناپذیر است. WHO مصرف روزانه آنتی بیوتیک را در جهان معادل 7700 کیلو گرم بر اورد نموده است. اله آبادی و همکاران نیز میزان مصرف آنتی بیوتیک را در کشور ایران 15 درصد کل داروهای مصرفی گزارش نموده اند(6).

                        از میان خانواده وسیع آنتی بیوتیکها، آزیترومایسین (C₃₈H₇₂N₂O₁₂, AZT) به خاطر داشتن خواص ضد باکتری بالا در داروسازی کاربرد قابل ملاحظه‌ای دارند. آزیترومایسین برای درمان برخی از عفونت‌های باکتریایی مانند عفونت گوش میانی، گلودرد استرپتوکوکی، سینه‌پهلو، اسهال مسافران و برخی دیگر از التهاب‌های معدی-‌روده‌ای به کار گرفته می شود. این آنتی‌بیوتیک همچنین برای موارد دیگری مانند بیماری‌های آمیزشی مثال عفونت کلامیدیا و سوزاک تجویز می‌شود. آزیترومایسین یکی از موثرترین آنتی بیوتیک‌ها برای درمان عفونت‌های شدید است. انتی بیوتیک آزیترومایسین به سرعت و تقریباً به طور کامل از راه مجاری گوارشی جذب می شود. غلظت سرمی دارو 4-1 ساعت پس از مصرف خوراکی به اوج خود می رسد. این دارو به طور وسیع در بدن انتشار می یابد (6). عموما این خانواده از آنتی بیوتیک ها دارای اثرات پایدار در محیط زیست هستند و به صورت جزئی در بدن تجزیه می شوند. ورود آنتی بیوتیک ها و متابولیتهای حاصل از آنها در محیط های آبی در سالهای اخیر نگرانی های زیادی را به دنبال داشته است. این مواد علاوه بر پایداری بالا در اکوسیستم، مقاوم به تجزیه هستند و سرطان زایی و تجمع پذیری  آن ها در بافت موجودات زنده در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل حذف این آلاینده از محیط پیرامون امری اجتناب ناپذیر محسوب می شود.

                        تاکنون روش های مختلفی مانند تصفیه بیولوژیکی، تصفیه فیزیکی و فرایند اکسیداسیون پیشرفته برای حذف این آلاینده از محیط آبی مورد استفاده قرار گرفته است. هر یک از این روش ها داری معایبی می باشند، به طور مثال اکسیداسیون پیشرفته سبب تجزیه و شکستن آنتی بیوتیک ها می شود (معدنی سازی) ولی این روش گران است و سمیت نهایی محصول تجزیه آنتی بیوتیک ها مشخص نمی باشد. در ارتباط با روش های بیولوژیک نیز قابلیت مناسبی در حذف گزارش نشده است و چیزی در حدود 40 در صد از آنتی بیوتیک ها را حذف می کنند. علت این موضوع را می توان اثر سوء انتی بیوتیک ها بر میکروب های زنده و فعال در فرایند تصفیه دانست(7-11). لذا می توان روش های فیزیکی را مناسب ترین گزینه در حذف این گروه از آلاینده ها دانست. در میان روش های فیزیکی، فرایند جذب به دلیل سادگی در اجرا و بهره برداری، راندمان مناسب، عدم ایجاد محصولات سمی و هزینه مناسب گزینه مناسبی به شمار می آید(12, 13).

                        MIL دسته‌ای از مواد چارچوب‌های فلزی-آلی (Metal-Organic Frameworks or MOF) است که اولین بار در سال ۲۰۰۲ سنتز شد. ساختار MIL از زنجیره‌های غیر آلی [M-OH] تشکیل شده‌است که توسط مولکول‌های پیوند دهنده مستقر در ترفتالات به چهار زنجیره غیر آلی همسایه متصل می‌شوند. هر مرکز فلزی به‌صورت هشت وجهی توسط شش اتم اکسیژن کوردینه می‌شود(14).  MIL-101(Al)به دلیل ساختار کریستالی و چند وجهی خود، دارای تخلخل و سطح تماس بسیار بالایی هستند که این امر جذب الاینده ها را به صورت گسترده و قابل توجه اسان می سازد(15). در برخی از مطالعات، ، عامل‌دار کردن جاذبهای بر پایه مواد چارچوب‌های فلزی-آلی به عنوان مسیری ساده و پر بازده به منظور افزایش سرعت و ظرفیت جذب و همچنین افزایش انتخاب‌پذیری این جاذب‌ها، مطرح شده است. در بین گروه‌های عاملی مختلف، گروه‌های آمینی (NH₂) به دلیل واکنش آسان با گروه‌های عاملی مختلف که روی دیواره جاذبها وجود دارند و همچنین خواص خوبی که در جذب انواع آلاینده ها از خود نشان داده اند، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین انتظار می رود کاربرد گروه های آمینی در ساختار MIL-101(Al) عملکرد مناسبی در حدف SAs از خود نشان دهند (16, 17).

                         از سوی دیگر، کیتوسان، پلی ساکاریدی طبیعی، غیر سمی، ارزان و داری خاصیت ضد میکروبی بوده، ساختاری مشابه سلولز دارد و از استیل زدایی کیتین به دست می آید. این ماده، دومین زیست پلیمر از نظر فراوانی در طبیعت پس از سلولز است که به وسیله بسیاری از موجودات زنده ساخته می شود. برخی خواص منحصر به فرد کیتوسان مانند زیست سازگازی، زیست تخریب پذیری و وجود گروهای عاملی مختلف (مانند هیدروکسیل و آمین های نوع اول) سبب شده است که این ماده به عنوان بستر ( به منظور جلوگیری از گلوله شدن MOF) و عاملی جهت بهبود ظرفیت جذب انواع جاذب های متخلف (به دلیل القای گروهای عاملی گوناگون و اجازه اصلاح شیمایی سازه ها) به کار گرفته شود.

پس از سنتز جاذبی موثر و کارآمد در حذف آلاینده های مختلف ( در این مطالعه AZT)، جداسازی و استفاده مجدد از جاذب امری بسیار مهم و اجتناب ناپذیر است. این پروسه عموماً به کمک فرایند های فیلتراسیون و سانتریفیوژ انجام می شود که صرف زمان، هزینه و نیروی انسانی زیادی را به همراه دارد. بنابراین، برای رفع این مشکل، در مطالعه حاضر بر آن شدیم که از القای خاصیت مغناطیسی به جاذب (با نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄ NPs)) و جداسازی آن ها به کمک اهنربای خارجی، هزینه ها، نیروی انسانی و استفاده از روش های متداول جداسازی مانند سانتریفیوژ و فیلتراسیون را تا مقدار زیادی کاهش دهیم

-  بیان مسئله تحقیق (مشتمل بر مرور تحقیقات گذشته داخلی وخارجی مرتبط با موضوع با ذکر منابع و توجیه ضرورت انجام طرح) :

در سال های اخیر دسترسی مردم به انواع دارو ها به دلیل گسترش بیماری ها، پیشرفت علوم پزشکی، دارو سازی و ....در جهان افزایش چشمگیری داشته است. متاسفانه کشور ما جز 20 کشور نخست در مصرف دارو در جهان بوده و در این ارتباط در آسیا پس از چین دومین رتبه را به خود اختصاص داده است. آنتی بیوتیک ها گروه بزرگی از این داروهای مصرفی را تشکیل می دهند که برای ریشه کنی و توقف رشد میکروارگانیسم ها مورد استفاده قرار می گیرند(1). آنتی بیوتیک ها از راه های مختلفی که عمده ترین آنها کارخانجات تولید دارو است تولید و پتانسیل ورود به محیط زیست را دارند. نکته جالب در ارتباط با این خانواده دارویی آن است که آنتی بیوتیک ها عمدتا در محیط پایدار بوده و قدرت زیست تخریب پذیری پائینی دارند به گونه ای که فقط 10 درصد از آنها در بدن انسان متابولیزه شده و بقیه بدون تغییر از بدن دفع می شوند(2). مطالعات اخیر نشان دهنده این نکته است که روش های متداول تصفیه فاضلاب توانایی قابل قبولی در حذف آنتی بیوتیک ها ندارند و این آلاینده ها توسط پساب به محیط آبی/خشکی راه می یابند(3). Gao و همکاران در مطالعه خود بیان نمودند که غلظت آنتی بیوتیکها در آبهای سطحی و زیر زمینی از 1 تا 100 میکرو گرم در لیتر متغیر می باشد و صنایع دارویی بیشتر غلظت آنتی بیوتیک ها را در پساب خود نشان داده است (4). حضور آنتی بیوتیکها در اکوسیستم مشکلات عدیده ای همچون سرطان زایی، سمیت حاد، صدمه به DNA، ایجاد اختلال در فعالیت لنفوسیتها، ایجاد آلرژی و افزایش مقاومت باکتری ها را به همراه خواهد داشت.(5) بنابراین حذف آلاینده ها و رساندن آن ها به استانداردهای تخلیه امری اجتناب ناپذیر است. WHO مصرف روزانه آنتی بیوتیک را در جهان معادل 7700 کیلو گرم بر اورد نموده است. اله آبادی و همکاران نیز میزان مصرف آنتی بیوتیک را در کشور ایران 15 درصد کل داروهای مصرفی گزارش نموده اند(6).

از میان خانواده وسیع آنتی بیوتیکها، آزیترومایسین (C₃₈H₇₂N₂O₁₂, AZT) به خاطر داشتن خواص ضد باکتری بالا در داروسازی کاربرد قابل ملاحظه‌ای دارند. آزیترومایسین برای درمان برخی از عفونت‌های باکتریایی مانند عفونت گوش میانی، گلودرد استرپتوکوکی، سینه‌پهلو، اسهال مسافران و برخی دیگر از التهاب‌های معدی-‌روده‌ای به کار گرفته می شود. این آنتی‌بیوتیک همچنین برای موارد دیگری مانند بیماری‌های آمیزشی مثال عفونت کلامیدیا و سوزاک تجویز می‌شود. آزیترومایسین یکی از موثرترین آنتی بیوتیک‌ها برای درمان عفونت‌های شدید است. انتی بیوتیک آزیترومایسین به سرعت و تقریباً به طور کامل از راه مجاری گوارشی جذب می شود. غلظت سرمی دارو 4-1 ساعت پس از مصرف خوراکی به اوج خود می رسد. این دارو به طور وسیع در بدن انتشار می یابد (6). عموما این خانواده از آنتی بیوتیک ها دارای اثرات پایدار در محیط زیست هستند و به صورت جزئی در بدن تجزیه می شوند. ورود آنتی بیوتیک ها و متابولیتهای حاصل از آنها در محیط های آبی در سالهای اخیر نگرانی های زیادی را به دنبال داشته است. این مواد علاوه بر پایداری بالا در اکوسیستم، مقاوم به تجزیه هستند و سرطان زایی و تجمع پذیری  آن ها در بافت موجودات زنده در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل حذف این آلاینده از محیط پیرامون امری اجتناب ناپذیر محسوب می شود.

تاکنون روش های مختلفی مانند تصفیه بیولوژیکی، تصفیه فیزیکی و فرایند اکسیداسیون پیشرفته برای حذف این آلاینده از محیط آبی مورد استفاده قرار گرفته است. هر یک از این روش ها داری معایبی می باشند، به طور مثال اکسیداسیون پیشرفته سبب تجزیه و شکستن آنتی بیوتیک ها می شود (معدنی سازی) ولی این روش گران است و سمیت نهایی محصول تجزیه آنتی بیوتیک ها مشخص نمی باشد. در ارتباط با روش های بیولوژیک نیز قابلیت مناسبی در حذف گزارش نشده است و چیزی در حدود 40 در صد از آنتی بیوتیک ها را حذف می کنند. علت این موضوع را می توان اثر سوء انتی بیوتیک ها بر میکروب های زنده و فعال در فرایند تصفیه دانست(7-11). لذا می توان روش های فیزیکی را مناسب ترین گزینه در حذف این گروه از آلاینده ها دانست. در میان روش های فیزیکی، فرایند جذب به دلیل سادگی در اجرا و بهره برداری، راندمان مناسب، عدم ایجاد محصولات سمی و هزینه مناسب گزینه مناسبی به شمار می آید(12, 13).

MIL دسته‌ای از مواد چارچوب‌های فلزی-آلی (Metal-Organic Frameworks or MOF) است که اولین بار در سال ۲۰۰۲ سنتز شد. ساختار MIL از زنجیره‌های غیر آلی [M-OH] تشکیل شده‌است که توسط مولکول‌های پیوند دهنده مستقر در ترفتالات به چهار زنجیره غیر آلی همسایه متصل می‌شوند. هر مرکز فلزی به‌صورت هشت وجهی توسط شش اتم اکسیژن کوردینه می‌شود(14).  MIL-101(Al)به دلیل ساختار کریستالی و چند وجهی خود، دارای تخلخل و سطح تماس بسیار بالایی هستند که این امر جذب الاینده ها را به صورت گسترده و قابل توجه اسان می سازد(15). در برخی از مطالعات، ، عامل‌دار کردن جاذبهای بر پایه مواد چارچوب‌های فلزی-آلی به عنوان مسیری ساده و پر بازده به منظور افزایش سرعت و ظرفیت جذب و همچنین افزایش انتخاب‌پذیری این جاذب‌ها، مطرح شده است. در بین گروه‌های عاملی مختلف، گروه‌های آمینی (NH₂) به دلیل واکنش آسان با گروه‌های عاملی مختلف که روی دیواره جاذبها وجود دارند و همچنین خواص خوبی که در جذب انواع آلاینده ها از خود نشان داده اند، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. بنابراین انتظار می رود کاربرد گروه های آمینی در ساختار MIL-101(Al) عملکرد مناسبی در حدف SAs از خود نشان دهند (16, 17).

 از سوی دیگر، کیتوسان، پلی ساکاریدی طبیعی، غیر سمی، ارزان و داری خاصیت ضد میکروبی بوده، ساختاری مشابه سلولز دارد و از استیل زدایی کیتین به دست می آید. این ماده، دومین زیست پلیمر از نظر فراوانی در طبیعت پس از سلولز است که به وسیله بسیاری از موجودات زنده ساخته می شود. برخی خواص منحصر به فرد کیتوسان مانند زیست سازگازی، زیست تخریب پذیری و وجود گروهای عاملی مختلف (مانند هیدروکسیل و آمین های نوع اول) سبب شده است که این ماده به عنوان بستر ( به منظور جلوگیری از گلوله شدن MOF) و عاملی جهت بهبود ظرفیت جذب انواع جاذب های متخلف (به دلیل القای گروهای عاملی گوناگون و اجازه اصلاح شیمایی سازه ها) به کار گرفته شود.

پس از سنتز جاذبی موثر و کارآمد در حذف آلاینده های مختلف ( در این مطالعه AZT)، جداسازی و استفاده مجدد از جاذب امری بسیار مهم و اجتناب ناپذیر است. این پروسه عموماً به کمک فرایند های فیلتراسیون و سانتریفیوژ انجام می شود که صرف زمان، هزینه و نیروی انسانی زیادی را به همراه دارد. بنابراین، برای رفع این مشکل، در مطالعه حاضر بر آن شدیم که از القای خاصیت مغناطیسی به جاذب (با نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄ NPs)) و جداسازی آن ها به کمک اهنربای خارجی، هزینه ها، نیروی انسانی و استفاده از روش های متداول جداسازی مانند سانتریفیوژ و فیلتراسیون را تا مقدار زیادی کاهش دهیم.

سابقه پایان نامه و بررسی متون :

• بالارک و همکاران در سال 2021 به مطالعه جذب آزیترومایسین از محیط های آبی با استفاده از Azolla Filiculoides-Based Activated Porous Carbon پرداختند و پارامترهای تاثیر گذار فرایند جذب، نظیر pH، زمان، دما و غلظت اولیه ماده جاذب را مورد بررسی قرار دادند و بیان نمودند که ایزوترم و سینتیک جذب آلاینده مذکور از مدل ایزوترم فروندلیچ و معادله شبه درجه دوم پیروی می نماید. حداکثر راندمان حذف آزیترومایسین در شرایط قیلیایی، دوز جاذب 1 گرم در لیتر، زمان تعادل  معادل 75 دقیقه به دست آمد (18).
• Baoliang Zhang و همکارن با استفاده از نانوذرات BSA/Fe3O4 به حذف انتی بیوتیک های erythromycin, streptomycin, tetracycline and chloramphenicol پرداختند و روش استفاده ازنانوذرات مغناطیسی و بدنبال آن جداسازی مغناطیسی را رویکردی موثر و کارآمد در حذف آلاینده های مورد بررسی از محیط های آبی معرفی نمودند. در این مطالعه راندمان جذب  در محدوده 35/69 تا 83/147 میلی گرم به ازای هر گرم جاذب حاصل شد. ایزوترم لانگمیر نیز به عنوان ایزوترم برتر برای توصیف داده ها معرفی شد(19).
• داوودی و همکارانش برای حذف انتی بیوتیک آزیترومایسین در سال 2019 از نانو دیاموته اصلاح شده استفاده کردند و ثابت نمودند که فرایند جذب در این مطالعه در مدت زمان 3 دقیقه به نقطه ی تعادلی رسیده و ظرفیت جذب انتی بیوتیک مورد مطالعه برابر 7/91 mg/g می باشد. ایزوترم لانگمویر در این مطالعه بیشترین هماهنگی را با داده های بدست امده داشت (20).
• Qing  و همکاران در سال 2015 در استفاده از نانوذرات مغناطیسی Fe3O4/Polyacrylonitrile در حذف انتی بیوتیک تتراسایکلین نشان دادند که حدود 98% از آنتی بیوتیک در مدت زمان تماس 20 دقیقه حذف شده و ماکزیمم ظرفیت جذب توسط جاذب سنتز شده برابر 07/257  mg/gبوده و فرایند جذب از ایزوترم فروندلیچ تبعیت می کند. pH برابر 5 به عنوان شرایط بهینه در مطالعه مذکور گزارش شد.(21)
• در سال 2021، Imanipoor و همکاران به بررسی حذف انتی بیوتیک  azithromycin از محیط های آبی به کمک رس های ارگانیک پرداختند. در مطالعه مذکور، بیشترین میزان جذب برابر 98% بدست آمد.  شرایط بهینه در مطالعه مذکور برابر pH برابر 8، غلظت اولیه 50 میلی گرم در لیتر، دز 5/0 گرم در لیتر و دمای 298 درجه کلوین حاصل شد. ضمنا در این مطالعه مناسبترین ایزوترم جذب، مدل ایزوترم فروندلیچ عنوان شده بود. سینتیک فرایند از نوع شبه درجه پیروی می کرد (22).
• Hussain و همکاران در 2021 با استفاده از نانوامولسیون سبز به بررسی حذف انتی بیوتیک  azithromycin از محیط های آبی پرداختند. در مطالعه مذکور، ماکزیمم میزان جذب در مدت زمان تماس 20 دقیقه 96.7% بدست آمد (23).
• D. Hu, L. Wang  در سال 2016 در استفاده از Cellulose from flax noil (CFN) در حذف آنتی بیوتیک آزیترومایسین نشان دادند که حداکثر ظرفیت جذب از ایزوترم لانگمیر ، در PH برابر 10 ، غلظت اولیه 80 میلیگرم در لیتر، دوز 0.4 گرم در لیتر برابر 183.14 میلی گرم در گرم می باشد(24).
• Moussavi و همکاران به حذف آنتی بیوتیک آزیترومایسین  با استفاده از NH4Cl-induced activated carbon (NAC) در آب پرداختند. نتایج نشان داد، بیش از 99 درصد آموکسی سیلین 50 میلی گرم در لیتر  با استفاده از 0.4 g NAC/L درPH برابر با 6 به عنوان شرایط بهینه جذب شد. در حالی که کربن فعال استاندارد تنها میتواند 55 درصد از آموکسی سیلین را تحت شرایط آزمایشی مشابه حذف کند(25).
• Kerkez-Kuyumcu  O.¨ و همکاران در سال 2016  به بررسی حذف آموکسی سیلین با استفاده از magnetically modified graphene nanoplatelets(M-GNPs) پرداختند. در مطالعه مذکور، بیشترین میزان آموکسی سیلین در ( زمان 90 دقیقه، 9.6 میلیگرم جاذب، PH برابر 5 و دمای 293 درجه کلوین) حذف شد . حداکثر ظرفیت جذب ایزوترم لانگمیر برابر 106.38 میلی گرم بر گرم به دست آمد(26).

• • pH بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی چند است؟
  • دز  بهینه جاذب در فرایند جذب  آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی چه مقدار  است؟
  • زمان تماس بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی چند  است؟
  • آیا غلظت های مختلف آنتی بیوتیک آزیترومایسین در فرایند جذب آن  از نمونه محلول آبی تاثیر دارد؟
  • دمای بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی چند  است؟
  • راندمان فرایند جذب و حذف آنتی بیوتیک آزیترومایسین توسط جاذب سنتز شده  چه مقدار است؟
  • فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین توسط جاذب سنتز شده  از کدام مدل ایزوترمی  پیروی می کند؟
  • فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین توسط جاذب سنتز شده  از کدام معادله سینتیکی پیروی می کند؟
  • آیا فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین جاذب سنتز شده  اگزوترمیک است یا اندوترمیک؟

تعیین مشخصات نانوکامپوزیت مغناطیسی NH2-MIL-101 (Al) / کیتوزان (MNMC NCs) به عنوان یک جاذب جدید برای حذف آزیترومایسین از محلول آبی: مدل‌سازی و بهینه‌سازی فرآیند با طراحی کامپوزیت مرکزی

• • تعیین مشخصات فیزیکی و شیمیایی جاذب سنتز شده
  • تعیین pH بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از  محلول آبی
  • تعیین زمان تماس  بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی
  • تعیین دز بهینه جاذب در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی
  • تعیین تاثیر غلظت های مختلف  آنتی بیوتیک آزیترومایسین مورد مطالعه در فرایند جذب
  • تعیین درجه حرارت بهینه در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی
  • تعیین مدل های ایزوترمی مختلف در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی
  • تعیین مدل های سینتیکی مختلف در فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی
  • تعیین مدل ترمودینامیکی (اندوترمیک و اگزوترمیک) فرایند جذب آنتی بیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی

شرکت آب و فاضلاب و سازمان محیط زیست

جداسازی و حذف آنتی بیوتیک آزیترومایسین از نمونه های آلوده قبل از تخلیه به محیط زیست با رویکردی ساده، ارزان قیمت و قابل استفاده مجدد

• • فرایند جذب: فرایندی شیمیایی و فیزیکی است که در طی آن یک ماده بر دیگری متصل می شود.
  • ایزوترم: رابطه‌ای ریاضی (تجربی یا تحلیلی) است که مقدار تعادلی ماده جذب شده به صورت شیمیایی یا فیزیکی بر روی سطح یک جامد معین را با تغییرات فشار گاز در دمای ثابت بیان می‌کند
  • سینتیک: مطالعه ای به منظور تعیین سرعت فرایندهای شیمیایی است.
  • مواد چارچوب‌های فلزی-آلی: دسته ای از ترکیبات متشکل از یون‌های فلزی یا خوشه‌هایی است که با لیگاندهای آلی کوردینه شده و ساختارهای یک، دو یا سه بعدی ایجاد می‌کنند و دسته جدیدی از مواد نانومتخلخل به‌شمار می‌روند.

تجربی( آزمایشگاهی)

نمونه های فاضلاب سنتتیک تهیه شده در آزمایشگاه

اطلاعات اولیه بر اساس مطالعه مقالات و نتایج بر اساس کارهای ازمایشگاهی حاصل خواهند شد. از روش روش سطح پاسخ (RSM) به منظور تعیین تعداد نمونه ها و انجام مراحل ازمایش جذب استفاده می شود.

تعداد نمونه بر اساس روش RSM:

مجموع آزمایشات:

برای مدل سازی فرایند جذب AZT، از نرم افزارهای موده (MODDE) و دیزاین اکسپرت (Design expert) استفاده می شود. متغیرهای مورد بررسی و محدوده هر یک از آنها در جدول زیر گزارش شده است.

مدل سازی فرایند جذب با رویکرد سطح پاسخ (response surface method) و متد کامپوزیت مرکزی (central composite) انجام می شود. در مجموع 21 ازمایش توسط نرم افزار به منظور بررسی تاثیر پارامتر های مستقل بر میزان حذف AZT تعریف و تنظیم خواهد شد.

اجرایی و تجربی( آزمایشگاهی)

نرم افزارهای موده (MODDE) و دیزاین اکسپرت (Design expert)

1. فاز اول مطالعه : سنتز نانوکامپوزیت مغناطیسی NH2-MIL-101 (Al) / کیتوزان (MNMC NCs)

 .1.1مقدار از پیش تعیین شده اسکلت بیرونی میگو (پوسته میگو) با آب شسته شده و در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت در آون خشک خواهد شد. سپس با افزودن 1000 میلی لیتر هیدروکلراید (HCl) 1 مولار به 100 گرم پوسته میگو، دمینرالیزاسیون (  معدنی سازی یا demineralization) انجام می شود. واکنش مذکور در دمای 30 درجه سانتیگراد تحت هم زدن در 250 دور در دقیقه به مدت 2 ساعت ادامه می یابد. پس از آن، پوسته های دمینرالیزه شده، فیلتر می گردد و با آب مقطر تا PH خنثی شسته می شود. در ادامه، پوسته‌ی میگوی دمینرالیزاسیون شده، آسیاب و تحت تصفیه شیمیایی با محلول 1 مولار NaOH با نسبت جامد/مایع 1:10 (گرم بر میلی‌لیتر) قرار می گیرند تا پروتئین های موجود در ساختار پوسته میگو حذف شود. واکنش فوق تحت اختلاط با همزن مغناطیسی در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت انجام خواهد شد. محصول بدست

آمده فیلتر شده و با آب مقطر شسته می شود تا PH خنثی به دست آید. سپس برای سفید شدن (bleaching) نمونه ها، آنها به مدت 10 دقیقه در اتانول غوطه ور می شوند و کیتین به دست آمده در آون با دمای 80 درجه سانتیگراد خشک خواهد شد. فرآیند رنگ بری (discoloration process) با محلول 15% اتر، 75% استون و 10% آب مقطر در دمای 50 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت و با هم زدن مغناطیسی انجام خواهد شد. در نهایت، کیتوزان به دست آمده فیلتر شده، با آب مقطر شسته می شود تا PH خنثی شود و در اون با دمای 70 درجه سانتیگراد خشک خواهد شد(27).(28)

NH2-MIL-101 (Al )  .1.2  با روش مایکروویو مطابق با روشی که قبلا گزارش شده بود با برخی تغییرات سنتز شد. بر این اساس، 0.51 گرم AlCl₃·6H₂O  و 0.56 گرم اسید 2-aminoterephthalic در 70 میلی لیتر DMF حل می شوند. پس از 30 دقیقه هم زدن، مخلوط در اتوکلاو با آستر تفلون (Teflon®-lined autoclave) قرار داده می شود و در دمای 140 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت حرارت داده می شود. سپس به راکتور اتوکلاو اجازه داده می شود تا به طور طبیعی در دمای اتاق خنک شود. محصول بدست آمده، فیلتر شده و چندین بار با استون شسته می شود. در نهایت برای فعال شدن نمونه های حاصل، NH2-MIL-101 (Al)  با متانول تحت رفلاکس قرار گرفته و در نهایت در دمای 200 درجه سانتیگراد به مدت 16 ساعت خشک می شود(29).

 .1.3از روش وانگ و همکارانش برای سنتز NH2-MIL-101(Al)/Chitosan استفاده می شود. برای این منظور، 0.3 گرم پودر کیتوزان، 1.1 گرم اسید 2-آمینوترفتالیک، و 0.89 گرم AlCl3·6H2O به خوبی مخلوط شده و به 100 میلی لیتر DMF اضافه می شوند. مخلوط حاصل به مدت 45 دقیقه توسط حمام اولتراسونیک مخلوط و یکنواخت خواهد شد. در ادامه، همان روش به کار گرفته شده برای سنتز NH2-MIL-101 (Al) در مرحله قبل، در این مرحله نیز به کار گرفته می شود(30).

MNMC NCs .1.4 با روش هم ترسیبی در شرایط قلیایی تهیه خواهد شد. 0.5 گرم NMC NPs به 400 میلی لیتر محلول نمک آهن شامل کلرید آهن (II) (0.03 مولار) و کلرید آهن (III) (0.06 مولار) اضافه می شود. مخلوط به دست آمده با استفاده از حمام اولتراسونیک به مدت 30 دقیقه (20 کیلوهرتز، 585 وات) همگن می شود. تحت امواج اولتراسونیک، 30 میلی لیتر محلول NaOH به صورت قطره ای به مخلوط اضافه شده تا اینکه PH در 10-11 تثبیت شود. در نهایت محصول سیاه رنگ به دست می آید با اهنربا از نمونه جداسازی می گردد. محصول بدست آمده چندین بار با آب مقطر شسته شده تا PH خنثی بدست آید. در نهایت MNMC NCs در دمای 105 درجه سانتیگراد به مدت 2 ساعت به وسیله آون خشک شده و برای آزمایشات بعدی در یک ظرف دربسته نگهداری خواهد شد(31).

2. فاز دوم مطالعه : بررسی خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و ساختاری جاذب سنتز شده در مراحل مختلف تهیه بر اساس آنالیز های SEM، TEM، XRD، FTIR، VSM ، BET و ...

3. فاز سوم مطالعه : انجام آزمایشات مربوط به جذب AZT ، مدل سازی مراحل آزمایش و بهینه سازی شرایط

3.1 مراحل انجام آزمایشات

آزمایشات در حجم 100 میلی لیتر از ارلن مایر انجام می شود. مقادیر مختلف جاذب به 50 میلی لیتر از محلول AZT اضافه شده و محتویات آن در دور موتور 150 دور در دقیقه در شیکر انکوباتور (مدل MSW-232) در دمای اتاق هم زده می شود. تاثیر پارامترهای مختلف در محدوده pH  2 تا 10، دوز جاذب 1/0-5/0 گرم در لیتر، غلظت الاینده 10 تا 50 میلی گرم در لیتر و فاصله زمانی 10-90 دقیقه در میزان حذف AZT بررسی، مدل سازی و بهینه خواهد شد. همه آزمایشات یک بار انجام شده و میانگین داده ها گزارش خواهد شد.

راندمان حذف (٪) و ظرفیت جاذب جاذب (qe) در تعادل به وسیله معادله زیر محاسبه شد:

 qe = ((C0-Ce) / m) × V

راندمان (٪) = ((C0-Ce) / C0) × 100

در اینجا، C0  و Ce غلظت اولیه و باقیمانده  AZT است. V حجم محلول (L) و m وزن جاذب (g) است.

3.2مدل سازی و بهینه سازی فرایند

برای مدل سازی فرایند جذب AZT، از نرم افزارهای موده (MODDE) و دیزاین اکسپرت (Design expert) و آر (R) استفاده می شود. متغیرهای مورد بررسی و محدوده هر یک از آنها در جدول زیر گزارش شده است.

مدل سازی فرایند جذب با رویکرد سطح پاسخ (response surface method) و متد کامپوزیت مرکزی (central composite) انجام می شود. در مجموع 21 ازمایش توسط نرم افزار به منظور بررسی تاثیر پارامتر های مستقل بر میزان حذف AZT تعریف و تنظیم شد که در جدول زیر قابل مشاهده می باشد. رگرسیون چندگانه برای تجزیه، تحلیل و تعامل داده ها استفاده می شود. در ادامه، اثر پارامترهای مورد مطالعه بر روی میزان حذف الاینده به کمک نمودارهای کانتور نشان داده می شود. تناسب مدل یا نتایج حاصل، توسط پارامترهای R² ، adjusted R² و Q² مورد مطالعه قرار گرفت. از تحلیل واریانس (ANOVA) برای شناسایی فاکتورهای معنی دار در مدل استفاده می شود. بهینه سازی چند هدفه (Multi-objective optimization) با استفاده از مطلوبیت کامپوزیت (composite desirability) برای یافتن سطح بهینه هر پارامتر برای بدست آوردن حداکثر بازده جذب به کار رفته می شود. لازم به ذکر است که برای تعیین فاکتورهای مهم و دامنه آنها از طرح فاکتوریل کامل (FFD) جهت ورود به روش CCF استفاده شده است.

4. فاز چهارم مطالعه: بررسی ایزوترم، سینتیک و ترمودینامیک فرایند در شرایط بهینه شده در مرحله قبل

پس از بهینه سازی شرایط، ایزوترم های های فرایند جذب بررسی می شود. ایزوترم های لانگمویر، فروندلیچ و تمکین مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

5. فاز پنجم مطالعه ← بررسی و تعیین توانایی استفاده مجدد از جاذب

از اتانول در غلظت های مختلف بررسی بررسی توانایی واجذب جاذب سنتز شده استفاده می شود. این مرحله به منظور بررسی توانایی جاذب سنتز شده در استفاده مجدد به کار برده می شود. در این بخش از مطالعه تمامی پارامتر های در میزان بهینه آن تنظیم شده و جاذب بین 5 تا 10 بار به صورت متوالی مورد استفاده قرار می گیرد.

برای مدل سازی فرایند جذب DEX، از نرم افزارهای موده (MODDE) و دیزاین اکسپرت (Design expert) استفاده می شود. رگرسیون چندگانه برای تجزیه، تحلیل و تعامل داده ها استفاده می شود. در ادامه، اثر پارامترهای مورد مطالعه بر روی میزان حذف الاینده به کمک نمودارهای کانتور نشان داده می شود. تناسب مدل یا نتایج حاصل، توسط پارامترهای R² ، adjusted R² و Q² مورد مطالعه قرار گرفت. از تحلیل واریانس (ANOVA) برای شناسایی فاکتورهای معنی دار در مدل استفاده می شود. بهینه سازی چند هدفه (Multi-objective optimization) با استفاده از مطلوبیت کامپوزیت (composite desirability) برای یافتن سطح بهینه هر پارامتر برای بدست آوردن حداکثر بازده جذب به کار رفته می شود. لازم به ذکر است که برای تعیین فاکتورهای مهم و دامنه آنها از طرح فاکتوریل کامل (FFD) جهت ورود به روش CCF استفاده شده است.

عنوان دفترچه:راهنمای عمومی اخلاق در پژوهش های علوم پزشکی دارای آزمودنی انسانی در جمهوری اسلامی ایران

کد: 1-10-11-28-30-31-29

نبود موارد اولیه

تغییر ناگهانی هزینه ها و ارز

نانوکامپوزیت مغناطیسی NH2-MIL-101 (Al) / کیتوزان (MNMC NCs) ، آنتی­ بیوتیک آزیترومایسین ، بهینه سازی فرایند جذب

1.             Shayan Z, Shayan F. Pattern of drug prescription in clinical ward of Motahari and Peimanie hospital in Khordad 1385. J Jahrom Univ Med Sci. 2007;5:44-50.

2.             Githinji LJ, Musey MK, Ankumah RO. Evaluation of the fate of ciprofloxacin and amoxicillin in domestic wastewater. Water, Air, & Soil Pollution. 2011;219(1):191-201.

3.             Massey LB, Haggard BE, Galloway JM, Loftin KA, Meyer MT, Green WR. Antibiotic fate and transport in three effluent-dominated Ozark streams. Ecological Engineering. 2010;36(7):930-8.

4.             Gao Y, Li Y, Zhang L, Huang H, Hu J, Shah SM, et al. Adsorption and removal of tetracycline antibiotics from aqueous solution by graphene oxide. Journal of colloid and interface science. 2012;368(1):540-6.

5.             SHEIKHMOHAMMADI A, Sardar M. The removal of penicillin G from aqueous solutions using chestnut shell modified with H2SO4: Isotherm and kinetic study. 2013.

6.             Alahabadi A, Moussavi G, Yaghmaeian K, Karemisany H. Adsorption potential of the granular activated carbon for the removal of amoxicillin from water. 2014.

7.             Kim S, Shon H, Ngo H. Adsorption characteristics of antibiotics trimethoprim on powdered and granular activated carbon. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2010;16(3):344-9.

8.             Abellán M, Giménez J, Esplugas S. Photocatalytic degradation of antibiotics: The case of sulfamethoxazole and trimethoprim. Catalysis Today. 2009;144(1-2):131-6.

9.             Jewell KS, Castronovo S, Wick A, Falås P, Joss A, Ternes TA. New insights into the transformation of trimethoprim during biological wastewater treatment. Water research. 2016;88:550-7.

10.          Zhang Y, Wang A, Tian X, Wen Z, Lv H, Li D, et al. Efficient mineralization of the antibiotic trimethoprim by solar assisted photoelectro-Fenton process driven by a photovoltaic cell. Journal of hazardous materials. 2016;318:319-28.

11.          Sellmyer MA, Lee I, Hou C, Weng C-C, Li S, Lieberman BP, et al. Bacterial infection imaging with [18F] fluoropropyl-trimethoprim. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017;114(31):8372-7.

12.          Carrales-Alvarado D, Rodríguez-Ramos I, Leyva-Ramos R, Mendoza-Mendoza E, Villela-Martínez D. Effect of surface area and physical–chemical properties of graphite and graphene-based materials on their adsorption capacity towards metronidazole and trimethoprim antibiotics in aqueous solution. Chemical Engineering Journal. 2020;402:126155.

13.          Çalışkan Salihi E, Wang J, Kabacaoğlu G, Kırkulak S, Šiller L. Graphene oxide as a new generation adsorbent for the removal of antibiotics from waters. Separation Science and Technology. 2021;56(3):453-61.

14.          Graf S, Redder F, Bau U, de Lange M, Kapteijn F, Bardow A. Toward Optimal Metal–Organic Frameworks for Adsorption Chillers: Insights from the Scale‐Up of MIL‐101 (Cr) and NH2‐MIL‐125. Energy Technology. 2020;8(1):1900617.

15.          Cho D-W, Jeon B-H, Chon C-M, Schwartz FW, Jeong Y, Song H. Magnetic chitosan composite for adsorption of cationic and anionic dyes in aqueous solution. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015.

16.          Yang X, Wan Y, Zheng Y, He F, Yu Z, Huang J, et al. Surface functional groups of carbon-based adsorbents and their roles in the removal of heavy metals from aqueous solutions: a critical review. Chemical Engineering Journal. 2019;366:608-21.

17.          Yokoi T, Kubota Y, Tatsumi T. Amino-functionalized mesoporous silica as base catalyst and adsorbent. Applied Catalysis A: General. 2012;421:14-37.

18.          Balarak D, Mahvi AH, Shahbaksh S, Wahab MA, Abdala A. Adsorptive Removal of Azithromycin Antibiotic from Aqueous Solution by Azolla Filiculoides-Based Activated Porous Carbon. Nanomaterials. 2021;11(12):3281.

19.          Zhang B, Zhang H, Li X, Lei X, Li C, Yin D, et al. Synthesis of BSA/Fe 3 O 4 magnetic composite microspheres for adsorption of antibiotics. Materials Science and Engineering: C. 2013;33(7):4401-8.

20.          Davoodi S, Dahrazma B, Goudarzi N, Gorji HG. Adsorptive removal of azithromycin from aqueous solutions using raw and saponin-modified nano diatomite. Water Science and Technology. 2019;80(5):939-49.

21.          Liu Q, Zhong L-B, Zhao Q-B, Frear C, Zheng Y-M. Synthesis of Fe3O4/Polyacrylonitrile Composite Electrospun Nanofiber Mat for Effective Adsorption of Tetracycline. ACS applied materials & interfaces. 2015;7(27):14573-83.

22.          Imanipoor J, Mohammadi M, Dinari M. Evaluating the performance of L-methionine modified montmorillonite K10 and 3-aminopropyltriethoxysilane functionalized magnesium phyllosilicate organoclays for adsorptive removal of azithromycin from water. Separation and Purification Technology. 2021;275:119256.

23.          Hussain A, Afzal O, Altamimi AS, Ali R. Application of green nanoemulsion to treat contaminated water (bulk aqueous solution) with azithromycin. Environmental Science and Pollution Research. 2021;28(43):61696-706.

24.          Hu D, Wang L. Adsorption of amoxicillin onto quaternized cellulose from flax noil: Kinetic, equilibrium and thermodynamic study. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2016;64:227-34.

25.          Moussavi G, Alahabadi A, Yaghmaeian K, Eskandari M. Preparation, characterization and adsorption potential of the NH4Cl-induced activated carbon for the removal of amoxicillin antibiotic from water. Chemical engineering journal. 2013;217:119-28.

26.          Kerkez-Kuyumcu Ö, Bayazit ŞS, Salam MA. Antibiotic amoxicillin removal from aqueous solution using magnetically modified graphene nanoplatelets. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2016;36:198-205.

27.          Torres-Hernández YG, Ortega-Díaz GM, Téllez-Jurado L, Castrejón-Jiménez NS, Altamirano-Torres A, García-Pérez BE, et al. Biological compatibility of a polylactic acid composite reinforced with natural chitosan obtained from shrimp waste. Materials. 2018;11(8):1465.

28.          De Queiroz Antonino RSCM, Lia Fook BRP, de Oliveira Lima VA, de Farias Rached RÍ, Lima EPN, da Silva Lima RJ, et al. Preparation and characterization of chitosan obtained from shells of shrimp (Litopenaeus vannamei Boone). Marine drugs. 2017;15(5):141.

29.          Ma X-H, Yang Z, Yao Z-K, Xu Z-L, Tang CY. A facile preparation of novel positively charged MOF/chitosan nanofiltration membranes. Journal of Membrane Science. 2017;525:269-76.

30.          Wang Y, Wang K, Lin J, Xiao L, Wang X. The preparation of nano-MIL-101 (Fe)@ chitosan hybrid sponge and its rapid and efficient adsorption to anionic dyes. International Journal of Biological Macromolecules. 2020;165:2684-92.

31.          Moazzen M, Khaneghah AM, Shariatifar N, Ahmadloo M, Eş I, Baghani AN, et al. Multi-walled carbon nanotubes modified with iron oxide and silver nanoparticles (MWCNT-Fe3O4/Ag) as a novel adsorbent for determining PAEs in carbonated soft drinks using magnetic SPE-GC/MS method. Arabian Journal of Chemistry. 2019;12(4):476-88.

ندارد.