VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5 6.5
A Diclofenac gyógyszer gyorsított mineralizációja Tárgyszavak: Diclofenac; gyógyszermineralizáció; szennyvíz; fotobomlás; oxidatív gyökök.
A gyógyszerek jelenléte a városi szennyvízkezelő rendszerek elfolyásaiban azt mutatja, hogy a kezelőberendezések gyakran hatástalanok ezen anyagok eltávolításában. A vízkészletekbe kerülő gyógyszerek biológiai aktivitásuk miatt kihatnak az élőlények és ezen belül az emberek egészségére. A Diclofenac hagyományos környezeti feltételek esetén nem bomlik le. Kimutatható a német szennyvízkezelő berendezések elfolyásainak több, mint 50%ában, sőt ppb mennyiségben a víztestekben is. A gyulladásgátló hatású Diclofenac-ot gyakran alkalmazzák hosszan tartó kezelések során. A kezeletlen szennyvíz Diclofenac-tartalmának 80%-a jelen lehet a kezelt szennyvízben is. Legnagyobb része eleveniszapon történő megkötéssel eltávolítható a szennyvízből. A természetes vizekben a sötétben nem bomlik le, napfény hatására vizes környezetben, illetve ózonnal és ózon/H2O2 elegyével kezelve részlegesen lebontható. A Diclofenac fény hatására vizes oldatban végbemenő teljes lebomlásának optimalizálását vizsgálták, amely modellként szolgálhat más gyógyszerek lebontására oxidációs eljárással. A vizsgálat azért is fontos, mert a fájdalomés lázcsillapítók, illetve a gyulladáscsökkentők szintén kimutathatók a szennyvízben, annak kezelése után is. Az elmúlt évtizedben megnőtt az érdeklődés a Fenton-reakciók felhasználására a szerves szennyező anyagok vízből történő eltávolítása során, mert a Fenton-reakciók sötétben az oldatban oxidáló gyököket képeznek. A folyamat gyorsabbá és hatékonyabbá válik fény hatására, mert a Fe(OH)2+ fény hatására történő lebomlásakor OH-gyökök kerülnek az oldatba. Ezért vizsgálták a Diclofenac fényreaktorban történő lebomlását.
Anyagok és módszerek A Diclofenac (C14H10Cl2NO2) szerkezeti képlete az 1. ábrán látható. Az üvegből készült, szakaszos üzemű fényreaktor tengelyében 36, illetve 75 W-
os, 254 nm hullámhosszon üzemelő lámpákat helyeztek el. A kisnyomású higanylámpa az energiájának 95%-át 254 nm-en emittálja, megfelelő fénysugárzást adva a Diclofenac elnyelési tartományában. A Diclofenac-oldatot a fényreaktorban perisztaltikus szivattyú recirkuláltatta. A reaktor térfogata 900 cm3, a cirkuláltatott oldat össztérfogata 1400 cm3 volt. Mintavétel a keverőedényből történt. Cl
NH
O
Cl
+
Na O
1. ábra A Diclofenac szerkezeti képlete A vizsgálatok során mérték a minták összes szerves széntartalmát (TOC) és az oldat H2O2-koncentrációját. A Diclofenac-tartalmat nagynyomású folyadékkromatográffal határozták meg. A Diclofenac-csúcs a kromatogramon 9,04 perc után jelentkezett. Az oldat vastartalmát Fe-cianát komplexek képződésén át mérték. A kémiai oxigénigényt hordozható koloriméterrel, a szuperoxid-gyökök mennyiségét szuperoxid-dismutáz (xantin/xantin-oxidáz rendszer) bioszenzorral határozták meg, amellyel nyomon követhető a szuperoxidgyökök mennyiségének a csökkenése, az oldatban keletkező más gyökökkel történő kölcsönhatásuk miatt.
A kapott eredmények és értékelésük A 2. ábrán a Diclofenac-oldatok lebomlása látható fény hatására, illetve sötétben, valamint a fényreaktorban H2O2 és Fe3+ ionok jelenlétében végrehajtott kezelés során. A szakaszosan üzemelő reaktorban 254 nm-en különböző intenzitással fényt kibocsátó lámpákat alkalmaztak. Előzetes vizsgálatokat hajtottak végre 366 nm-en 36 W-os kék higanylámpával, ez a lámpa azonban
nem tudta indukálni a Diclofenac (TOC = 20 mg C/l) teljes mineralizálódást, ezért alkalmaztak 254 nm-es fényforrást. Az oldat paramétereinek optimalizálása lehetővé tette a megfelelő Fe-ion- és H2O2-koncentráció beállítását, hogy megvalósuljon a fény hatására végbemenő Fenton-reakciókban a teljes mineralizáció. Ez 400 W-os lámpa hatására 50–60 perc alatt végbement. Ha oxidálószerként csak H2O2-t alkalmaztak 254 nm-en (400 W) történő besugárzással, a mineralizáció nem volt teljes. Csak a fény hatására végbemenő Fentonreakciókkal érték el a Diclofenac teljes ásványosítását, ezért ezt követően csak ezeket a reakciókat vizsgálták részletesen. 20
TOC, mg C/l
15 36W sötét 75W 400W
10 5 0 0
10
20
30
40
50
60
idő, min
2. ábra A Diclofenac lebontása fényreaktorban H2O2 és Fe-ionok jelenlétében, 254 nm-en fényt emittáló lámpás besugárzással. Az oldat pH-ja 2,8, a cirkulációs sebessége 200 ml/min, hőmérséklete 50 °C volt A vizsgálatok során alkalmazott oldatok elkészítésekor megfelelő koncentrációjú, pH = 2,8-as Diclofenac-oldatokat Fe-ionokat tartalmazó, pH = 2,8as oldatokkal keverték össze. Ezután adagolták be az 1,4 ml 35%-os H2O2-t tartalmazó oxidáló oldatot, majd az elegyet betáplálták a fényreaktorba. A 2. ábrán az UI fény intenzitásának a Diclofenac lebomlására gyakorolt hatása látható. A fényintenzitás növelése a Diclofenac fényre érzékeny lebomlására utal, azaz a fény iniciálja a lebomlást a reaktorban. A H2O2 önmagában ugyanezen körülmények között nem biztosítja a Diclofenac teljes lebomlását. A vas-komplexek fotolízise elősegíti az oxidatív gyökök képződését, amelyek az oldatban fény hatására lebomló intermediereket képeznek. Vizsgálták a Cu2+-ionok alkalmazhatóságát Fe-ionok helyett a H2O2-os bomlás katalizálására: 254 nm-en (400 W) történő fénybesugárzás során a mineralizáció 50 perc alatt nem ment végbe teljesen, ha Cu2+-ionokat alkalmaztak a Fe3+-ionokkal azonos mennyiségben. Az oxidálószerként beadagolt H2O2 teljesen elfogyott a
Diclofenac lebomlása során. A fenti megállapítások ugyanakkor nem igazak sötétben vagy kisebb intenzitású (36 vagy 75 W-os) lámpák alkalmazása esetén. 20
nincs H2O2 H2O2 nincs
TOC, mg C/l
15
a)
10
b) c)
5
d) 0 0
10
20
30
40
50
60
idő, min
A H2O2 koncentrációja (a) 340 mg/l; (b) 680 mg/l; (c) 850 mg/l; (d) 1360 mg/l.
3. ábra A Diclofenac lebontása fényreaktorban H2O2 és Fe-ionok jelenlétében, 254 nm-en fényt emittáló, 400 W-os lámpával való besugárzással. Az oldat pH-ja 2,8, a Fe-ion 14 mg/l, cirkulációs sebessége 200 ml/min, hőmérséklete 50 °C volt A 3. ábrán a Diclofenac oldatok mineralizálása látható 254 nm-en (400 W) Fe3+-ionok jelenlétében, H2O2 különböző koncentrációjó beadagolása mellett. A feleslegben beadagolt H2O2 nem működik hatékonyan gyökelnyelőként, mert a Diclofenac mineralizációjának kinetikája nem változik jelentősen a H2O2 mennyiségének a növekedésével. Ha H2O2 nincs jelen a rendszerben, a levegőztetett oldatban végbemenő fotolízis során a reakció indulásakor beadagolt Fe3+-ionok 50 perc alatt elfogynak, ezután az oldatban bomlás nem megy végbe. H2O2 jelenlétében a Fe-karboxilát komplexek fotolízisekor a Fe3+-ionok Fe2+-ionokká redukálódnak, CO2 keletkezése mellett: [RCOO-Fe]2+ + hv → [R.] + CO2 + Fe2+
(1)
ami a szerves RH csökkenésével párhuzamosan a TOC csökkenéséhez vezet: RH + HO. (HO.2) → [R.] + H2O vagy RHOH ahol az OH-gyökök a Fenton reagensből származnak:
(2)
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH.
(3)
A 2. ábra szerint az Fe3+/Fe2+/H2O2 Fenton reagens sötétben a kiindulási Diclofenac-koncentráció 30%-át mineralizálta. A sötétben keletkezett köztes termékek kizárják a gyógyszer további bomlását az oldatban. Az oldatban maradt Diclofenac-mennyiség a sötétben a H2O2-koncentráció növekedésével sem csökkent. A fény indukálta folyamatokban a fényérzékeny Fe-komplexek fotolízise az (1) egyenlet szerint zajlott, és a keletkezett Fe2+ további OHgyököket állított elő H2O2 jelenlétében. Fény, valamint H2O2 és Fe3+-ionok jelenléte szükséges tehát a Diclofenac teljes mineralizációjához, amint az a 2. és 3. ábrákon is látható. Meghatározták a Diclofenac koncentrációcsökkenését a fényreaktorban 366 nm-en (36 W) kék fény alkalmazásával. Az előző kísérletekhez képest több Diclofenac-ot és kevesebb H2O2-t alkalmaztak. Ekkor a Diclofenac fél percnél rövidebb idő alatt elfogyott. Ez az idő túl rövid volt ahhoz, hogy érdemleges jelet észleljenek a HPLC kromatogramon. A lassabb Diclofenac-fogyás megvalósítása érdekében kevésbé hatékony BL 366 nm (36 W) fényt alkalmaztak, mert a Diclofenac optikai elnyelése 366 nm-en kisebb, mint 254 nmes hullámhossz esetén. Ekkor a 4 perc alatt elfogyott Diclofenac koncentrációcsökkenése nyomon követhető volt. Felvették a Diclofenac mineralizáció aktiválási energiájának (Ea) Arrhenius diagramját. Az aktiválási energiát a Diclofenac koncentrációcsökkenése 10 percenkénti mérésével határozták meg, 0–60 perc között, négy hőmérsékleten (16, 35, 58, 70 °C). Minden hőmérsékleten kiszámították a koncentrációcsökkenés sebességét (mmól Diclofenac/min). A Diclofenac-fogyás aktiválási energiája 16,08 kJ/mól volt, ami azt jelzi, hogy a Diclofenac ásványosodása nemcsak gyökös reakciókon át megy végbe (ami aktivációs energia nélkül zajlik), hanem a köztes reakciólépések ion–molekula vagy gyök– molekula reakciókban zajlanak, amelyekhez aktiválási energia szükséges. Vizsgálták az oldatok mineralizációjának idejét a kiindulási Diclofenackoncentráció változtatásának a függvényében. Amint az a homogén oldatok esetében várható volt, a hígabb oldatok ideje rövidebb volt. Nagyobb kezdeti mineralizáció után a folyamat végén lelassult, a Diclofenac-molekula C-N kötésének nehezebb hasíthatósága miatt. A vizsgált koncentrációk esetében megfigyelhető időbeni csökkenés nem írható le egy egyszerű kinetikai modellel, de az adatok közel állnak egy pszeudo elsőrendű kinetikához. A Diclofenac mineralizációja az alábbi folyamat szerint zajlik: C14H10C12NO2Na + 3 H2O2 + 15 O2 → 14 CO2 +7 H2O + NaCl + HCl + HNO3
(4)
Vizsgálták a TOC időbeni csökkenését Diclofenac-oldatban. Megállapították, hogy 200 ml/min-nél kisebb sebesség esetén az oldat gyorsabb
recirkulációja a reaktorban nem gyorsította a lebomlás kinetikáját. A recirkuláció sebességének 100-ról 200 ml/min-re növelésével a reaktorban a vegyületek jobban keveredtek. 300 ml/min-nél nagyobb cirkulációs sebesség esetén csökken a reaktorban a tartózkodási idő, csökkentve a Diclofenac és a Fe3+/H2O2 fénnyel való érintkezési idejét. Ekkor kevesebb oxidatív gyök képződik és csökken a reakció sebessége. Az adatok értékelése után a vizsgálatok során 200 ml/min recirkulációs sebességet alkalmaztak. Vizsgálták a KOI időbeni csökkenését az előkezelés idejének a függvényében a fényreaktorban. A méréseket a maradék H2O2 38–40%-os NaHSO3-mal történt lebontása után hajtották végre. A reakció kezdetétől számított 10 percig Diclofenac nem oxidálódott, ami azt jelzi, hogy az első 10 percben nem csökkent a szén átlagos oxidációs száma, annak ellenére, hogy a Diclofenac lebomlása 0,5 percnél rövidebb ideig tart. A viszonylag hosszú élettartamú köztes termékek az oldatban 10 percig megtartják az oxidációs számot, és csak ezen idő eltelte után figyelhető meg a KOI csökkenése. 20 perces előkezelés után a KOI jelentősen lecsökken, ami arra utal, hogy a 10– 20 perc közötti időperiódusban a széntartalmú köztes termékek oxidációs állapota az oldatban gyorsan változik. Vizsgálták a Diclofenac lebomlását 366 nm-en (36 W), H2O2 és Fe-ionok jelenlétében. A 400 W-nál jelentősen kisebb teljesítményű lámpa alkalmazásakor tanulmányozták az aromás és az alifás vegyületek keletkezését. Az aromás köztes termékek a HPLC kromatogramon 240–260 nm-en mért csúcsokhoz rendelhetők, míg az alifás termékeket 190–210 nm-en detektálták. 7 percnél kevesebb idő alatt az aromás köztes termékek mennyisége párhuzamosan nőtt az oldatban a Diclofenac mennyiségének a csökkenésével. Az aromás vegyületek (kinonok, katecholok, fenolok, toluolok, klórozott aromások, nitro-aromások) 10 perc után maximális értéket értek el, az alifás vegyületek mennyisége növekedni kezdett és állandó maradt 30 percig. Az aromások jellemző sávot adtak a 254 nm-es hullámhossz környezetében, amelyek kisebb energiájú sávok, mint a 200 nm-en detektált alifás C1–C6 vegyületek jellemző sávjai, az aromás gyűrűkben található delokalizált elektronok miatt. Az alifás intermedierek mennyiségének növekedése 7 perc után megy végbe, az aromások ugyanezen idő alatt történő részleges lebomlása mellett. A reakció végbemenetele: Diclofenac → [aromás oxidált intermedierek] + CO2 k1
(5)
[aromás oxidált intermedierek] → [alifás oxidált intermedierek] + CO2 k2 (6) ahol k1 sokkal nagyobb k2-nél. Az alifás oxidált intermedierek állandó koncentrációja 30 percig fennmaradt. Az oldatban jelen levő gyökök tulajdonságainak a meghatározása érdekében a Diclofenac-oldat szuperoxid-gyök tartalmát 50 perces fénybesugárzás
után a 2. ábra paramétereinek alkalmazásával, bioszenzorral vizsgálták. Ekkor szuperoxid-gyököket nem detektáltak. A gyökök keletkezésének további vizsgálatához O2 jelenlétében xantin/xantin-oxidázt adagoltak az oldatba. Az OH., HO2. és RO. gyökök lebontják az oldatban levő szuperoxid-gyököket, amelyek koncentrációját a gyökök koncentrációgörbéjének hajlásszögéből határozták meg 0, 6, 20 és 50 perc eltelte után, sötétben, illetve fénnyel történt besugárzáskor. A kapott eredmények szerint az első 20 percben a szuperoxidkoncentráció fénybesugárzás esetén megkétszereződött, míg a sötétben csak 10%-kal nőtt. Ez azt jelzi, hogy a Diclofenac az oldatban már lebomlott, és a keletkezett hosszú élettartamú köztes termékek nem bontották le a szuperoxid-gyököket. Sötétben a koncentráció 20 perc eltelte után 10%-kal csökkent, lehetővé téve a szuperoxid-gyökök mennyiségének a növekedését. 50 perc után, amikor a Diclofenac és a szerves intermedierek teljes mennyisége lebomlott, nem változott a szuperoxid-koncentráció, mert a Diclofenac és a szerves intermedierek teljesen mineralizálódtak (2. ábra). (Regősné Knoska Judit) Ravina, M.; Campanella, L.; Kiwi, J.: Accelerated mineralization of the drug Diclofenac via Fenton reactions in a concentric photo-reactor. = Water Research, 36. k. 14. sz. 2002. aug. p. 3553–3560. Koutsouba, V.; Heberer, Th.; Fuhrmann, B.: Determination of polar pharmaceuticals in sewage water of Greece by gas chromatography/mass spectrometry. = Chemosphere, 51. k. 2. sz. 2003. ápr. p. 69–75.
