Supported covalent organic frameworks for the monitoring of pharmaceuticals pollutants

Abstract

A qualidade de água tem sido comprometida pela poluição causada por atividades antropogénicas, o que põe e causa a função ecológica dos habitats e constitui uma ameaça para a saúde animal e humana. Contaminantes emergentes, tais como produtos farmacêuticos, têm sido detetados em águas naturais em pequenas concentrações (desde µg/L até ng/L). A incapacidade das estações de tratamento de águas residuais para a remoção destes compostos promove a poluição do meio ambiente. No entanto, as consequências da exposição por longos períodos a águas contaminadas são desconhecidas. Este trabalho teve como objetivo preparar compósitos de estruturas orgânicas covalentes (COFs), e testar a sua eficiência de adsorção de contaminantes farmacêuticos para a aplicação destes como sensores de monitorização de águas naturais, estudando a sua eficácia à escala laboratorial em matrizes de água relevantes. Para esta investigação foi analisada a eficiência da adsorção de fármacos (tetraciclina, diclofenac e sulfapiridina) por diferentes COFs (TpBD-(CF3)2, TpBD-Me2 e TPB-DMTP) e um compósito (NPS@TPB DMTP). Foram avaliados vários parâmetros, dentro dos quais a cinética de adsorção e desorção, isotermas, influência do pH, possibilidade de reciclagem e reutilização dos COFs. Todos os COFs testados mostraram boas eficiências de adsorção dos produtos farmacêuticos testados, no entanto, verificou-se que a adsorção da tetraciclina por TpBd-Me2 foi mais eficiente a pH 6, o qual mostrou grande potencial para a sua aplicação em águas naturais. Na adsorção do diclofenac, o COF TPB-DMTP demonstrou ter a maior capacidade de adsorção e destacou-se por ser ideal para capturar contaminantes farmacêuticos, portanto, foi selecionado para preparar o compósito que facilitará a sua aplicação em cartuchos. Para o compósito de TPB-DMTP, é necessária mais investigação, no entanto, com base no seu bom desempenho atual de adsorção estes ensaios preliminares, parece promissor.

Water quality has been compromised by pollution caused by anthropogenic activities, which jeopardises the ecological function of aquatic habitats and poses a threat to animal and human health. The inability of wastewater treatment plants to eliminate these contaminants at such small concentrations contributes to environmental pollution. However, the consequences to the long exposure to contaminated waters is still unknown. The aim of this work was to prepare cartridges based on high-performance covalent organic frameworks (COFs) as well as testing their efficiency in adsorbing pharmaceutical pollutants to apply it as sensors that monitor natural waters, and then study their effectiveness on a laboratory scale in relevant water matrices. For this investigation it was analysed the adsorption efficiency of pharmaceutical compounds (tetracycline, diclofenac, and sulfapyridine) by differents COFs (TpBD-(CF3)2, TpBD-Me2, and TPB-DMTP) and a composite (NPS@TPB-DMTP). Different parameters were evaluated, including adsorption and desorption kinetic parameters, isotherms, influence of pH, possibility of recycling and reusing COFs. All tested COFs showed good adsorption efficiencies of the tested pharmaceuticals, however, the adsorption of tetracycline by TpBd-Me2 was more efficient at pH 6, showing potential for application of this COF in natural waters. For the adsorption of diclofenac, the COF TPB-DMTP showed the highest adsorption capacity, and it stood out for being ideal to capture pharmaceutical pollutants. For the composite, further investigation is necessary, however, based on its current good adsorption performance in these preliminary tests, it looks promising.