Dégradation du diazépam et du midazolam par les rayonnements ionisants et non ionisants

Degradation of diazepam and midazolam by ionizing and non-ionizing radiation

• Auteur / Autrice : Michel Manduca Artiles
• Direction : Sarra Gaspard, Ulises Javier Jauregui Haza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Antilles en cotutelle avec Instituto superior de Tecnologias Y Ciencias Aplicadas de Cuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Dynamique des environnements dans l'espace Caraïbes-Amériques (Pointe-à-Pitre ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Connaissance et Valorisation : Chimie des Matériaux, Environnement, Énergie (EA 3592) (Pointe-à-Pitre) - Connaissance et Valorisation : Chimie des Matériaux, Environnement, Energie
• Jury : Président / Présidente : Ricardo Antonio Torres Palma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ulises Javier Jauregui Haza, Ricardo Antonio Torres Palma, Rosa Regla Rosa Dominguez, Carlos Sanlley, Gerardo Cebrian-Torrejon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rosa Regla Rosa Dominguez, Carlos Sanlley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Mots clés libres

Procédés d'oxydation avancés

Charbon actif

Adsorption

Modélisation

Diazépam

Midazolam

Produits de dégradation

Eaux usées

Advanced oxidation processes

Activated carbon

Adsorption

Modeling

Diazepam

Midazolam

Degradation products

Wastewater

Résumé

Dans le présent travail, la faisabilité de différents procédés d'oxydation avancés (POA) dans le traitement de solutions modèles de deux médicaments: le diazépam et le midazolam, représentatifs des contaminants pharmaceutiques dans les eaux usées, a été étudiée. Les procédés utilisés étaient les ultrasons à haute fréquence, les rayonnements gamma et les rayonnements ultraviolets, seuls ou en combinaison avec des agents oxydants (peroxyde d'hydrogène, réactif de Fenton). Pour chaque procédé, l'influence de différents paramètres opératoires a été étudiée afin de déterminer les conditions optimales de dégradation et de minéralisation de chaque médicament. Les paramètres étudiés comprennent le pH, la concentration en oxydant, la dose d'irradiation gamma ainsi que la fréquence et la puissance des ultrasons. En comparant les résultats obtenus dans les procédés individuels avec l'intensification de chacun d'eux avec des agents oxydants, des effets synergiques significatifs ont été observés pour certains cas, le facteur de synergie le plus important étant celui correspondant au procédé photo-Fenton. Compte tenu de la consommation énergétique associée à la dégradation de chaque médicament et du facteur synergie, les traitements les plus efficaces ont été le radio-Fenton et le photo-Fenton. Le procédé photo-Fenton a été évalué à l'échelle du laboratoire en utilisant de l'eau technique et des eaux usées réelles obtenues à l'entrée d'une station d'épuration. Dans les deux cas, la dégradation du médicament a dépassé 95 % dans les 10 premières minutes. Des valeurs de minéralisation de 72,6 % pour le diazépam (DZP) et de 76 % pour le midazolam (MDZ) ont été atteintes 120 minutes après le début de la réaction.Dans le processus des dégradation du DZP avec un rayonnement UV et un rayonnement gamma combinés au réactif de Fenton, un total de huit produits de dégradation ont été obtenus, parmi lesquels trois molécules appartenant à la famille des benzodiazépines (Medazepam, Oxazepam, Nordazepam). Une autre des molécules formées d'un grand intérêt était la 2-amino-5-chloro-benzophénone, qui est rapportée dans la pharmacopée britannique comme un produit apparenté du processus de synthèse de la molécule de diazépam.Dans les études d'adsorption simple du DZP et du MDZ sur charbon actif SUPERCAP BP10, des valeurs d'élimination de 659,4 mg gCA-1 à pH 7 ont été atteintes pour le DZP et de 583,3 mg gCA-1 à pH 9 pour le DZP MDZ, où le modèle isotherme qui correspondait le mieux aux données expérimentales était le modèle de Langmuir. En adsorption compétitive, le meilleur résultat a été obtenu à pH 7 pour les deux molécules avec des valeurs de 464,8 mg gCA-1 pour le DZP et de 336,8 mg gCA-1 pour le MDZ, et le modèle d'isotherme qui correspondait le mieux aux données expérimentales était celui de Jovanovic avec distribution aléatoire des temps de stabilisation. Les courbes de rupture réalisées pour les deux médicaments individuellement et dans leur ensemble présentaient une forme en ‟Sˮ, caractéristique des composés à forte affinité pour la phase solide. Les temps de rupture obtenus étaient respectivement de 61 min et 15 min pour le DZP et le MDZ, tandis que les temps de saturation étaient de 80 et 32 min. Dans le cas de l'adsorption compétitive, les temps de rupture étaient respectivement de 40 min et 10 min pour le DZP et le MDZ, et les temps de saturation étaient de 62 min et 22 min. Le modèle qui décrivait le mieux l'adsorption sur colonne des deux molécules était celui de Thomas.

The aim of this work was to study the feasibility of different Advanced Oxidation Processes (AOPs) in the treatment of model solutions for two drugs: diazepam and midazolam which are representative of pharmaceutical contaminants in wastewater. The processes used were high frequency ultrasound, gamma and ultraviolet radiations, alone or in combination with oxidizing agents (hydrogen peroxide, Fenton's reagent). For each process, the influence of different operating parameters was studied in order to determine the optimal conditions for the degradation and the mineralization of drugs aforementioned. The studied parameters include pH, oxidant concentration, gamma irradiation dose, as well as ultrasonic frequency and power. By comparing the results obtained in the individual processes with the intensification of each of them resulting from oxidizing agents, significant synergistic effects were observing for some cases. The main synergy factor corresponded to the photo-Fenton process. Taking into account the energy consumption associated with the degradation of each drug, beside the synergy factor, the most efficient treatments were radio-Fenton and photo-Fenton. The photo-Fenton process was evaluating at a bench scale, using technical water and real wastewater from the inlet of a wastewater treatment plant. In both cases, drug degradation exceeded 95 % in the first 10 minutes. Mineralization values of 72.6 % for diazepam (DZP) and 76 % for midazolam (MDZ) have been reached 120 minutes after the start of the reaction.The degradation process of DZP by UV radiation and gamma radiation, combined with Fenton's reagent, allowed to obtain a total of eight degradation products; among the latter, three molecules belonging to the benzodiazepine family (Medazepam, Oxazepam, Nordazepam). Another of the molecules formed, of great interest, was 2-amino-5-chloro-benzophenone that is reported in the British Pharmacopoeia as a related product linked to the synthesis process of the diazepam molecule.In the simple adsorption studies of DZP and MDZ on SUPERCAP BP10 activated carbon, elimination values of 659.4 mg gAC-1 at pH 7 for DZP, and 583.3 mg gAC-1 at pH 9 for DZP have been reached. For MDZ, the isotherm model that best fits with the experimental data was the Langmuir model. In competitive adsorption, the best result has been obtained at pH 7, for both molecules with values of 464.8 mg gAC-1 for DZP and 336.8 mg gAC-1 for MDZ. In this case, the isotherm model that best fits the experimental data was the Jovanovic one with random distribution of settling times. The breakthrough curves made for both drugs individually, as a whole, presented an ‟S” shape which is characteristic of compounds with high affinity for the solid phase. The rupture times obtained, were 61 min and 15 min for DZP and MDZ, respectively, while the saturation times were 80 and 32 min. In the case of competitive adsorption, the breakthrough times were 40 min and 10 min for DZP and MDZ, respectively, the saturation times were 62 min and 22 min. The model that best described the column adsorption of both molecules was the one made by Thomas.In the gamma irradiation study of DZP and MDZ adsorbed, on activated carbon (AC), degradation values of both molecules greater than 99 % have been obtained for an irradiation dose of 5 kGy. This demonstrates the potential application of the integration of these processes in the treatment of water contaminated with these drugs.The theoretical study dealing with the interactions of DZP and MDZ with surface groups of activated carbon, suggests the prevalence of dispersive nature interactions, mainly the π-π type. In addition, electrostatic interactions of the hydrogen bond type have been observed in some of these systems. These types of interaction indicate that the adsorption mechanism could be the physisorption. The association energies for DZP and MDZ with AC were similar for all the models analyzed.