Elucidation of pharmaceutical recovery/removal performance of mxene–based membranes via non-equlibrium molecular dynamics simulation

Abstract

İlaçların nüfus artışına ve hastalıkları iyileştirmeye olan artan ilgi nedeniyle tüketim miktarının yükselmesi çevre kirliliğinin artmasına sebep olmaktadır. Atık sulardan verimli bir şekilde farmasötiklerin ayrım sürecini iyileştirmek hayati önem taşımaktadır. Geleneksel saflaştırma tekniklerinde karşılaşılan birtakım zorluklar nedeniyle, membran esaslı ayırma teknolojisi çeşitli avantajları nedeniyle tercih edilmektedir. Endüstriyel membran malzemeleri çoğunlukla polimerik malzemelerden oluşmaktadır. Fakat, MOF, COF, MXene gibi inorganik iki boyutlu (2D) nano gözenekli malzemeler, gelecek vaat eden membran malzemeleri olarak önerilmektedir. MXene ailesi 2011 yılında keşfedilen ve üstün fizikokimyasal özelliklere sahip olan yeni bir 2D malzeme ailesidir. Bu tezde, MXene (Ti3C2Tx) esaslı membranların sulu çözeltiden anti-inflamatuar, antibiyotik ve antidiyabetik grubundan ilaçların ayrım performansı araştırılmıştır. Farmasötiklerin molekül ağırlığı, yük dağılımı ve hidrofilikliğin ayırma performansı üzerindeki etkisi, LAMMPS yazılımı ve NEMD simülasyonu yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, MXene-farmasötik, MXene-su ve su-farmasötik etkileşimleri, farmasötik ayırmadaki ikili etkileşimleri (pair contribution) anlamak için hesaplanmıştır. Bu tezde atomik seviyede belirlenen farmasötik etkileşim sonuçları, seçilen farmasötikler için MXene nanomalzemesinin ayırma mekanizması hakkında öngörü sağlayacaktır.Pharmaceuticals are the highly detected environmental pollutants due to their rising consumption arising from the increase in populations and interest in healing diseases. It is vital to improve an efficient pharmaceutical separation process from wastewater. Due to the difficulties in conventional purification techniques, currently, membrane-based separation technology is emerged owing to its various advantages. Industrial based membrane materials mostly consist of polymeric materials. However, inorganic two-dimensional (2D) nanoporous materials such as MOF, COF, MXene were suggested as encouraging membrane nanomaterials. MXene is the novel 2D material family which was discovered in 2011 and has superior physicochemical properties. In this research, highly consumed pharmaceuticals in the categories of anti-inflammatory, antibiotic, and antidiabetic are selected for the investigation of separation performance of MXene (Ti3C2Tx)-based membranes from aqueous solution. Non-equilibrium molecular dynamics simulation is performed via LAMMPS software to investigate the effect of molecular weight, charge distribution, and hydrophilicity of pharmaceuticals on the water transport. In addition to that, MXene-pharmaceutical, MXene-water and water-pharmaceutical interactions are computed to understand the pair contributions in pharmaceutical separation. The results of atomistic-based identification of drug interaction recovery given in this thesis will provide the insight about the separation mechanisms of MXene for the selected pharmaceuticals.