Oxidación electroquímica del antibiótico amoxicilina. Identificación de compuestos intermedios precursores de la formación de dioxinas y furanos

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster (TFM) aborda la problemática de los contaminantes emergentes (CE) que incluyen productos farmacéuticos y de cuidado personal cuyo impacto sobre el medioambiente es creciente debido al aumento progresivo del consumo de estos productos como consecuencia del crecimiento demográfico. Este proyecto se realiza con el objetivo de cumplir con la aspiración de alcanzar el acceso a agua limpia y saneamiento como se incluye en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030. Los CEs representan una seria amenaza tanto para el ecosistema como para la salud humana, ya que tienen la capacidad de persistir en el agua y generar efectos adversos. Con el fin de monitorear y controlar sustancias de preocupación, la Unión Europea ha implementado una lista de vigilancia denominada Watch List, que incluye compuestos como la amoxicilina (AMX). Con el fin de contribuir a minimizar el impacto de los CEs y en concreto del fármaco AMX, se plantea el uso de procesos de oxidación avanzada (POAs), específicamente la oxidación electroquímica (ELOX), como una estrategia efectiva para su eliminación. Además, se indaga en la posibilidad de la formación de dioxinas y furanos durante estos procesos, ya que se trata de compuestos altamente tóxicos, y se evalúa su peligrosidad mediante el cálculo del Factor de Toxicidad Equivalente (TEQ). La degradación de AMX se llevó a cabo empleando dos electrolitos diferentes, NaCl y Na2SO4 + NaCl, concluyendo que la degradación de la AMX es más eficaz en presencia de NaCl, lo que requiere una menor carga eléctrica específica para su eliminación. Durante el proceso de degradación de la AMX, se generan subproductos intermedios, algunos de los cuales son precursores potenciales de dioxinas y furanos, especialmente compuestos clorados, entre ellos destacan el 4,5-triclorofenol y el 2,4-diclorofenol, lo que añade complejidad al proceso de oxidación. Los furanos se forman en concentraciones más altas que las dioxinas, y la elección del electrolito tiene un impacto significativo en los resultados. Además, se evalúa la toxicidad de las muestras mediante el cálculo del TEQ, y se observa que las muestras tratadas con NaCl exhiben una mayor toxicidad en comparación con las tratadas con Na2SO4 + NaCl. El congénere 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF emerge como el compuesto más representativo en ambos electrolitos. En resumen, este TFM contribuye al desarrollo de tecnologías eficaces para la degradación de CEs de corrientes acuosas, seleccionando como compuesto modelo la AMX que es un medicamento incluido en la Watch List de 2018. El objetivo fundamental es lograr la degradación de la AMX mediante ELOX empleando un ánodo de BDD. El estudio incluye la identificación de compuestos intermedios formados durante la degradación de la AMX, especialmente dioxinas y furanos debido a su importancia en la evaluación de la toxicidad del agua. Los resultados indican que la AMX se degrada de manera más eficiente con NaCl como electrolito en comparación con Na2SO4+NaCl, y la degradación es más lenta a una concentración de 3.000 mg L-1, concentración máxima que permite la solubilidad de AMX en agua. Los intermedios generados son principalmente precursores de dioxinas y furanos, lo que sugiere una mineralización incompleta del medicamento y un posible aumento en la toxicidad del agua. Para continuar con el proyecto, el estudio realizado subraya la necesidad de optimizar el proceso de degradación de la AMX para minimizar la formación de subproductos intermedios, especialmente aquellos que son precursores de dioxinas y furanos, con el objetivo de reducir la toxicidad del agua tratada.

ThisMaster's Thesis (MT) addresses the issue of emerging contaminants (CEs), which include pharmaceuticals and personal care products. Their impact on the environment is increasing due to the progressive rise in consumption of these products becauseof population growth. This project is carried out with the aim of fulfilling the aspiration of achieving access to clean water and sanitation, as included in the Sustainable Development Goals of the 2030 Agenda. CEs represent a serious threat to both the ecosystem and human health, as they have the ability to persist in water and generate adverse effects. In order to monitor and control substances of concern, the European Union has implemented a watch list called the Watch List, which includes compounds such as amoxicillin (AMX). To contribute to minimizing the impact of CEs, specifically the drug AMX, the use of advanced oxidation processes, specifically electrochemical oxidation (ELOX), is proposed as an effective strategy for its removal. Additionally, investigation is conducted into the possibility of dioxin and furan formation during these processes, as these are highly toxic compounds, and their hazard is assessed through the calculation of the Toxicity Equivalent Factor(TEQ). The degradation of AMX was carried out using two different electrolytes, NaCl and Na2SO4+ NaCl, concluding that AMX degradation is more effective in the presence of NaCl, requiring a lower specific electric charge for its removal. During the AMX degradation process, intermediatebyproducts are generated, some of which are potential precursors of dioxins and furans, especially chlorinated compounds, including 4,5-trichlorophenol and 2,4-dichlorophenol, adding complexity to the oxidation process. Furans are formed in higher concentrations than dioxins, and the choice of electrolyte has a significant impact on the results. Furthermore, the toxicity of the samples is evaluated by calculating the TEQ, and it is observed that samples treated with NaCl exhibit higher toxicity compared to those treated with Na2SO4+ NaCl. The congener 1,2,3,4,6,7,8-HpCDF emerges as the most representative compound in both electrolytes. In summary, this MT contributes to the development of effective technologies for the degradation of CEs from aqueous streams, selecting AMX as the model compound, which is a drug included in the 2018 Watch List. The primary objective is to achieve AMX degradation using ELOX with a BDD anode. The study includes the identification of intermediate compounds formed during AMX degradation, especially dioxins and furans, due to their importance in assessing water toxicity. The results indicate that AMX is more efficiently degraded with NaCl as the electrolyte compared to Na2SO4+NaCl, and degradation is slower at a concentration of 3,000 mg/L, the maximum concentration that allows AMX solubility in water. The intermediates generated are mainly precursors of dioxins and furans, suggesting incomplete mineralization of the drug and a potential increase in the toxicity of the treated water. To continue with the project, the study underscores the need to optimize the AMX degradation process to minimize the formation of intermediate byproducts, especially those that are precursors of dioxins and furans, with the goal of reducing water toxicity.