Remoção de sulfametoxazol e trimetoprima em matrizes aquáticas: uma investigação dos processos de fotólise e foto-Fenton sob irradiação solar - Lima, Karla Virgínia Leite [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A presente tese aborda a problemática da presença dos antibióticos sulfametoxazol (SMX) e trimetoprima (TMP) em águas, com foco na análise da contribuição da fotólise solar desses fármacos e em estratégias de remoção com a aplicação de diferentes catalisadores no processo foto-Fenton sob irradiação solar. Dividida em três capítulos, cada parte da pesquisa explorou abordagens específicas para compreender e mitigar a persistência desses compostos na matriz aquática. No primeiro capítulo, a fotólise natural dos antibióticos SMX e TMP foi investigada em amostras coletadas em lagoa de sedimentação. Os resultados indicaram que a fotólise ocorre mais lentamente em pH 7. Experimentos com a adição de fotossensibilizadores demonstraram potencializar a fotólise indireta do TMP, enquanto o SMX é mais suscetível à fotólise direta. Embora a exposição solar tenha efeitos na fotólise e desinfecção da matriz, concluiu-se que, devido ao tempo prolongado necessário de exposição solar, processos complementares são indispensáveis para uma degradação completa dos antibióticos. O segundo capítulo concentrou-se na aplicação de óxido de ferro suportado em areia (OFSA) para a degradação dos antibióticos por meio do processo foto-Fenton. A otimização de parâmetros, evidenciou que o OFSA é mais eficiente em pH 3, com uma dose de catalisador e concentração de H2O2 de 0,5 g L-1 e 10 mmol L-1, respectivamente. O catalisador demonstrou maior eficiência sob radiação solar em comparação com UV artificial, com aplicação em efluente de estação de tratamento de esgoto, destacando sua viabilidade em condições ambientais. O terceiro capítulo explorou a aplicação de biocarvão magnético (BCM) para a remoção de SMX e TMP na água. O BCM, sintetizado na presença de sal de ferro em uma única etapa, mostrou alta magnetização, evidenciando a presença de ferro em sua composição. O BCM revelou-se altamente eficiente, removendo os antibióticos em apenas 20 minutos em pH próximo ao neutro. A avaliação da contribuição de diferentes processos na remoção dos antibióticos destacou a influência principalmente do processo de UV + H2O2, adsorção, Fenton e foto-Fenton, ressaltando a complexidade do processo de remoção. A aplicação do BCM em água de rio e em reator de fluxo, mostrou a eficiência do material para remoção dos antibióticos em uma matriz real, sob radiação solar. A identificação de produtos de degradação confirmou a ocorrência de processo de degradação e não somente adsorção dos antibióticos. Em geral, os resultados deste estudo mostraram que processos naturais como a fotólise não são suficientes para remoção de antibióticos das matrizes aquáticas, indicando a necessidade de métodos complementares para mitigar esse tipo de contaminação. Os materiais OFSA e BCM se mostraram promissores, mesmo com suas limitações. O OFSA, por exemplo, foi eficiente em pH 7 em água ultrapura, mas em efluente de ETE só foi eficiente em pH 3,0, destacando a importância do ajuste do pH do meio antes da aplicação do processo. O BCM, foi muito eficaz em pH próximo ao neutro, com rápida remoção dos antibióticos e de seus produtos de degradação.

This thesis addresses the issue of the presence of the antibiotics sulfamethoxazole (SMX) and trimethoprim (TMP) in water, focusing on analyzing the contribution of natural solar photolysis of these drugs and on removal strategies using different catalysts in the photo-Fenton process under solar irradiation. Divided into three chapters, each part of the research explored specific approaches to understand and mitigate the persistence of these compounds in the aquatic matrix. In the first chapter, the natural photolysis of the antibiotics SMX and TMP was investigated in sedimentation pond samples. The results indicate that photolysis occurs more slowly under pH 7. Experiments with the addition of photosensitizers showed the potential to enhance the indirect photolysis of TMP, whereas SMX is more susceptible to direct photolysis. Although solar exposure affects photolysis and matrix disinfection, it was concluded that because of the prolonged exposure time required, complementary processes are indispensable for complete degradation of the antibiotics. The second chapter focuses on the application of iron oxide supported on sand (IOSS) for antibiotic degradation through the photo-Fenton process. Optimization of parameters revealed that IOSS is most efficient at pH 3, with catalyst dose and H2O2 concentrations of 0.5 g L-1 and 10 mmol L-1, respectively. The catalyst demonstrated higher efficiency under natural solar radiation compared to artificial UV, with application in effluent from sewage treatment plants, highlighting its viability in environmental conditions. The third chapter explored the application of magnetic biochar (MBC) for SMX and TMP removal from water. MBC, which was synthesized in the presence of iron salt in a single step, showed high magnetization, indicating the presence of iron in its composition. MBC proved highly efficient, removing antibiotics in just 20 min at near-neutral pH. Evaluation of the contribution of different processes to antibiotic removal highlighted the influence mainly of the UV + H2O2 process, adsorption, Fenton, and photo-Fenton, emphasizing the complexity of the removal process. The application of MBC in river water and in a flow reactor demonstrated the material’s efficiency in removing antibiotics in a real matrix under natural solar radiation. Identification of degradation products confirmed the occurrence of degradation processes and not just the adsorption of antibiotics. Overall, the results showed that natural processes such as photolysis are not sufficient for antibiotic removal from aquatic matrices, indicating the need for complementary methods to mitigate this type of contamination. The IOSS and MBC materials showed promise despite their limitations. For example, IOSS was efficient at pH 7 in ultrapure water, but in sewage treatment plant effluent, it was only effective at pH 3.0, highlighting the importance of adjusting the pH of the medium before process application. MBC was very effective at near-neutral pH, with rapid removal of antibiotics and their degradation products.
Removal of sulfamethoxazole and trimethoprim in aquatic matrices: an investigation of photolysis and photo-Fenton processes under solar irradiation
Keywords: Antibióticos; Óxido de ferro; Areia; Biocarvão; Fotodegradação