水資源から抗生物質を除去するための費用対効果の高いカーボンエアロゲルの研究

Study on Cost-Efficient Carbon Aerogel to Remove Antibiotics from Water Resources.

• Gülgün Aylaz
• Meltem Okan
• Memed Duman
• Halil Murat Aydin

抄録

水資源に含まれる医薬品由来の汚染物質のため、細菌の抗生物質耐性が著しく増加している。そのため、水資源からの抗生物質の除去が不可欠である。これまでに、グラフェン系ハイドロゲルやエアロゲルをはじめとする様々な炭素系材料を用いて、様々な抗生物質の研究が進められてきました。本研究では、古紙を原料としてカーボンエアロゲル（CA）を合成し、文献に報告の少ない3種類の抗生物質（ハイグロマイシンB,ゲンタマイシン,バンコマイシン）に対する吸着挙動を調べた。調製したCAは、走査型電子顕微鏡,透過型電子顕微鏡,X線光電子分光法,マイクロコンピュータ断層撮影法(μ-CT)を用いて特徴付けを行った。μ-CTの結果から、全空隙率は90.80%、開放空隙率は90.76%と算出された。また、表面積及び表面体積比は、それぞれ795.15mm及び16.79mmであった。また、比表面積は104.2m/gであった。異なるpH値、時間及び分析物濃度に基づいて詳細な吸着試験を実施した結果、吸着容量は104.2m/gであった。その結果、Hyg B、GenおよびVanの吸着容量はそれぞれ104.16、81.30および107.52 mg/gであった。3種類の抗生物質すべてにおいて、吸着挙動はLangmuirモデルに適合していた。また、速度論的研究により、擬似2次速度論モデルに適合することが示された。本研究の範囲内でのCAの製造は、安全で、簡便で、コスト効率が高く、これらのグリーン吸着剤は水資源から抗生物質を除去するための良い候補となる。本研究は、古紙から得られるCAに基づく最初の抗生物質吸着研究である。

Because of pharmaceutical-emerging contaminants in water resources, there has been a significant increase in the antibiotic resistance in bacteria. Therefore, the removal of antibiotics from water resources is essential. Various antibiotics have been greatly studied using many different carbon-based materials including graphene-based hydrogels and aerogels. In this study, carbon aerogels (CAs) were synthesized from waste paper sources and their adsorption behaviors toward three antibiotics (hygromycin B, gentamicin, and vancomycin) were investigated, for which there exist a limited number of reports in the literature. The prepared CAs were characterized with scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and micro-computerized tomography (μ-CT). According to the μ-CT results, total porosity and open porosity were calculated as 90.80 and 90.76%, respectively. The surface area and surface-to-volume ratio were found as 795.15 mm and 16.79 mm, respectively. The specific surface area of the CAs was found as 104.2 m/g. A detailed adsorption study was carried out based on different pH values, times, and analyte concentrations. The adsorption capacities were found as 104.16, 81.30, and 107.52 mg/g for Hyg B, Gen, and Van, respectively. For all three antibiotics, the adsorption behavior fits the Langmuir model. The kinetic studies showed that the system fits the pseudo-second-order kinetic model. The production of CAs, within the scope of this study, is safe, facile, and cost-efficient, which makes these green adsorbents a good candidate for the removal of antibiotics from water resources. This study represents the first antibiotic adsorption study based on CAs obtained from waste paper.

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