プラズマ修飾バイオマス上での医薬品化合物や色素の除去プロセス機構の解明：吸着剤特異性の重要な役割

Insight into the removal process mechanism of pharmaceutical compounds and dyes on plasma-modified biomass: the key role of adsorbate specificity.

• Brice Takam
• Jean-Baptiste Tarkwa
• Elie Acayanka
• Serge Nzali
• Darryle M Chesseu
• Georges Y Kamgang
• Samuel Laminsi

抄録

吸着しやすい分子と吸着しにくい分子がある理由は十分に理解されていませんでした。本研究では、多くの文献で報告されているような吸着剤の性質のみに着目するのではなく、吸着剤の形態構造や表面機能組成の影響に着目し、代表的な汚染物質である2種類の色素（アニオン性オレンジGとカチオン性マラカイトグリーン）と2種類の医薬品（イブプロフェンとアンピシリン）を、代替の低コスト吸着剤として使用したプラズマ修飾ココアシェル（CPHP）に吸着させた結果を報告する。その結果、分子を溶液中で混合した後、基材に接触させると、吸着に影響を与える要因として、吸着剤の相対的な溶解度、各分子の表面への付着能力、吸着後の分子間の相互作用の程度が挙げられた。OG、MG、IBP、およびAMPの298Kでの最大吸着量は、それぞれ23.96、14.65、13.99、および06.66mg/gであった。最も溶解度の高い分子は表面に急速に吸着しない可能性がありますが、比較的溶解度の低い分子は、ファンデルワールスや水素結合などの相互作用を介して自己相互作用を最大化するように凝集すると考えられます。この研究では、吸着剤に内在する特性が吸着プロセスにおいて重要な役割を果たすことが実証された。したがって、機能性活性基、寸法、疎水性などの特性が吸着プロセスのメカニズムを決定するパラメータとなっていた。その結果、医薬品の吸着機構はπ-π結合、疎水性効果、静電相互作用、ファンデルワールス力が関与しているのに対し、色素の吸着機構は静電引力と水素結合現象が支配的であることが明らかになった。実験では、溶液の初期pHや接触時間などのパラメータを最適化した。最適なpH値は、イブプロフェン(IBP)では2.0、アンピシリン(AMP)では7.0であった。吸着速度と実験等温線データを非線形モデルを用いて解析した。その結果、Avrami分数次数が最も適合したモデルであり、SDパラメータとRパラメータの統計値に基づいて、Liu等温線が最も適合したモデルであることが示された。

The reason that some molecules, but not others, are easily adsorbed was not fully understood. In order to spotlight the effect of morphological structure and surface functional composition of adsorbate rather than focusing only on the nature of adsorbent as in most of literature reports, this work reports the biosorption of two dyes (anionic Orange G and cationic malachite green) and two pharmaceuticals (Ibuprofen and ampicillin) as target representative contaminants onto plasma-modified cocoa shell (CPHP) used as alternative low-cost adsorbent. As results, when molecules were mixed in solution and then exposed to a substrate, the factors that affect adsorption include the relative solvation of the adsorbates, the ability of each molecule to adhere to the surface, and the degree of interaction between the molecules once they were adsorbed. The maximum adsorbed amounts at 298 K of OG, MG, IBP, and AMP were 23.96, 14.65, 13.99, and 06.66 mg/g, respectively. The most solvated molecules may not adsorb rapidly to the surface, while comparatively, the less soluble molecules will aggregate, so as to maximize self-interactions via Van der Waals, hydrogen bonds or other interactions. This work demonstrated that the adsorbate intrinsic properties could play a significant role in the adsorption process. Hence, properties such as functional active groups, dimensions, and hydrophobicity were the determining parameters in the adsorption process mechanism. Accordingly, the pharmaceuticals biosorption mechanism involved π-π bonding, hydrophobic effect, electrostatic interaction, and van der Waals forces whereas the dye biosorption mechanism was dominated as well known by electrostatic attraction and hydrogen bonding phenomenon. Experimental parameters such as initial pH of solution and contact time were optimized. The optimum pH values were 2.0 for ibuprofen (IBP) and 7.0 for ampicillin (AMP). The kinetics of adsorption and the experimental isotherms data were analyzed using non-linear models. Results indicated that Avrami fractional order was the most successfully fitted model for pharmaceutical biosorption and based on the statistical values of SD and R parameters, Liu isotherm was the most successfully fitted model.