Evaluación de minerales arcillosos con posibles aplicaciones ambientales para la remoción de ciprofloxacina y lidocaína desde medios acuosos

Abstract

Los contaminantes emergentes (CE), particularmente los productos farmacéuticos (PF), representan una problemática ambiental de alcance global debido a su uso masivo, continua liberación en cuerpos de agua y la limitada eficiencia de los tratamientos convencionales para su eliminación. Entre las alternativas estudiadas para complementar estos procesos, la adsorción sobre minerales arcillosos surge como un método promisorio debido a su bajo costo, disponibilidad y elevada eficiencia. En este contexto, el presente trabajo evaluó la remoción de dos CE, ciprofloxacina (CPX, antibiótico) y lidocaína (LID, anestésico local), utilizando tres adsorbentes naturales: una muestra regional (RHF) y dos muestras españolas (Ad-8 y Ad-4). La caracterización de las muestras evidenció diferencias mineralógicas entre los adsorbentes permitiendo identificar a RHF como una bentonita rica en montmorillonita; Ad-8, como saponita y Ad-4 como sepiolita. RHF y Ad-8 presentaron capacidades de intercambio catiónico (CIC) de 0,735 y 0,908 meq/g, respectivamente, mientras que Ad-4 fue considerablemente menor (0,375 meq/g). Sin embargo, esta última alcanzó un área superficial específica (Sbet) de 316 m2/g y un volumen total de poro (Vt) de 0,51 cm3/g, asociados a su estructura fibrosa y elevada porosidad. Los estudios de adsorción evidenciaron que las esmectitas mostraron mayor afinidad y capacidad de remoción de CPX en las condiciones estudiadas, siendo Ad-8 (0,89 mmol/g) el material con mayor capacidad de adsorción. En el caso de la LID, los tres materiales presentan menor afinidad por la especie en solución, siendo RHF el que mostró mayor capacidad de remoción (0,66 mmol/g). Los resultados sugieren que en las muestras como RHF y Ad-8, el proceso de adsorción se encuentra dominado principalmente por intercambio catiónico asociado a la carga negativa permanente en la estructura y a la presencia de cationes intercambiables en el espacio interlaminar. En contraste, en la muestra fibrosa Ad-4, la adsorción se asocia mayormente a interacciones superficiales sobre sitios accesibles de la sepiolita. La caracterización de los complejos CE-arcilla mediante DRX y FTIR permitió proponer mecanismos de adsorción, mostrando aumentos en el espaciado basal de RHF y en la fase esmectita presente en Ad-4, lo que evidencia la presencia del adsorbato en la interlámina. Por su parte, los espectros FTIR relevaron la participación de grupos funcionales de los fármacos en la interacción con la superficie de los minerales. En conjunto, los resultados obtenidos indican que las arcillas estudiadas representan alternativas económicas y sustentables con el ambiente para la remoción de contaminantes farmacéuticos desde medios acuosos.

Emerging contaminants (ECs), particularly pharmaceuticals (PhACs), represent a global environmental concern due to their widespread consumption, continuous discharge into aquatic environments, and the limited efficiency of conventional treatment technologies for their removal. Among the alternative approaches investigated to complement these treatments, adsorption onto clay minerals has emerged as a promising strategy because of its low cost, natural abundance, and high removal efficiency. In this context, the present study evaluated the removal of two ECs, ciprofloxacin (CPX, antibiotic) and lidocaine (LID, local anesthetic), using three natural adsorbents: one regional sample (RHF) and two Spanish samples (Ad-8 and Ad-4). Mineralogical characterization revealed significant differences among the adsorbents, identifying RHF as a montmorillonite-rich bentonite, Ad-8 as saponite, and Ad-4 as sepiolite. RHF and Ad-8 exhibited cation exchange capacities (CEC) of 0.735 and 0.908 𝑚��eq. g - 1, respectively, whereas Ad-4 showed a considerably lower value (0.375 meq. g - 1). Nevertheless, Ad-4 displayed the highest specific surface area (316 𝑚��2. 𝑔��−1) and total pore volume (0.51 𝑐��𝑚��3. 𝑔��−1), attributed to its fibrous morphology and high porosity. Adsorption experiments demonstrated that the smectite-rich samples exhibited greater affinity and removal capacity for CPX under the studied conditions, with Ad-8 showing the highest adsorption capacity (0.89 mmol.g - 1). In contrast, all materials exhibited lower affinity toward LID species in solution, although RHF achieved the highest removal capacity (0.66 mmol. g - 1). The results suggest that adsorption in RHF and Ad-8 is primarily governed by cation exchange mechanisms, associated with the permanent negative structural charge and the presence of exchangeable interlayer cations. Conversely, adsorption in the fibrous Ad-4 sample is mainly attributed to surface interactions at accessible sites of the sepiolite structure. Characterization of the EC–clay complexes by X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) revealed increases in the basal spacing of RHF and in the smectite phase present in Ad-4, indicating the incorporation of adsorbates into the interlayer space. FTIR spectra further evidenced the participation of pharmaceutical functional groups in the interaction with the mineral surfaces. Overall, the results demonstrate that the studied clay minerals constitute economically viable and environmentally sustainable alternatives for the removal of pharmaceutical contaminants from aqueous systems.