Kinetyka adsorpcji i izotermy usuwania malachitowej zieleni z roztworu wodnego przy użyciu nanokompozytu TiO2 osadzonego na f‑MWCNT

Dlaczego oczyszczanie zabarwionych ścieków ma znaczenie

Jaskrawe barwniki syntetyczne nadają kolor ubraniom, skórze i papierowi, jednak gdy trafiają do kanalizacji fabryk, mogą utrzymywać się w rzekach i jeziorach przez lata. Jednym z takich barwników jest malachitowa zieleń, która budzi szczególne obawy ze względu na toksyczność, trwałość i związki z nowotworami. W niniejszym badaniu opisano nowy rodzaj drobnego materiału oczyszczającego — nanokompozyt — który może bardzo szybko i skutecznie usuwać malachitową zieleń z wody, wskazując drogę do szybszych i bardziej praktycznych metod oczyszczania zanieczyszczonych ścieków przemysłowych.

Trudny barwnik i nowy drobny oczyszczacz

Malachitowa zieleń jest szeroko stosowana w przemyśle tekstylnym i garbarskim, a kontrowersyjnie bywa też używana w hodowli ryb jako środek antyseptyczny. Po uwolnieniu do środowiska słabo się rozkłada, a konwencjonalne metody oczyszczania często nie radzą sobie z jej całkowitym usunięciem. Badacze postawili sobie za cel zaprojektowanie lepszej „gąbki” na ten barwnik, łącząc dwa zaawansowane materiały: nanocząstki dwutlenku tytanu oraz wielościenne nanorurki węglowe o powierzchniach chemicznie „functionalizowanych” grupami zawierającymi tlen. Poprzez osadzenie dwutlenku tytanu na tych funkcjonalizowanych nanorurkach powstał materiał hybrydowy mający zapewnić zarówno dużą powierzchnię, jak i liczne aktywne miejsca, do których mogą przywierać cząsteczki barwnika.

Wytwarzanie i badanie hybrydowego materiału nanorurkowego

Zespół syntetyzował nanokompozyt metodą hydrotermalną, w której proszek dwutlenku tytanu jest traktowany w gorącym alkalicznym roztworze, a następnie osadzany na nanorurkach węglowych w wodzie przy długim mieszaniu. Otrzymany proszek szczegółowo zbadano za pomocą zestawu mikroskopów i technik spektroskopowych. Testy potwierdziły, że dwutlenek tytanu zachował krystaliczną strukturę i równomiernie rozłożył się po sieci nanorurek zamiast tworzyć oddzielne agregaty. Pomiary adsorpcji gazu wykazały wysoce porowatą, gąbczastą strukturę z powierzchnią ponad dwukrotnie większą niż w przypadku samego dwutlenku tytanu, co oznacza znacznie więcej miejsca do przechwytywania cząsteczek barwnika podczas oczyszczania.

Szybkie i skuteczne usuwanie barwnika z wody

Aby sprawdzić skuteczność nowego materiału, badacze przeprowadzili eksperymenty wsadowe, w których niewielkie ilości nanokompozytu mieszano z roztworami malachitowej zieleni w różnych warunkach. Stwierdzono, że wydajność silnie zależy od kwasowości wody: usuwanie było umiarkowane w warunkach kwaśnych, ale przekraczało 95 procent przy lekko zasadowym pH około 8, gdy powierzchnia materiału jest naładowana ujemnie i przyciąga dodatnio naładowany barwnik. Co godne uwagi, w optymalnych warunkach — pH 8, zaledwie 0,005 g adsorbentu w 10 ml roztworu i temperatura pokojowa — układ osiągał równowagę w około 10 minut, uzyskując pojemność adsorpcyjną około 39 mg barwnika na gram materiału. To wynik porównywalny lub lepszy od wielu konwencjonalnych adsorbentów, przy znacznie szybszym czasie oczyszczania.

Jak barwnik przywiera do powierzchni nanorurek

Przez dopasowanie danych eksperymentalnych do standardowych modeli matematycznych opisujących przyłączanie się cząsteczek do powierzchni, autorzy doszli do wniosku, że malachitowa zieleń tworzy głównie pojedynczą warstwę na stosunkowo jednorodnej powierzchni, co odpowiada tzw. modelowi Langmuira. Jednocześnie inne modele, uwzględniające zróżnicowane siły wiązania i wielowarstwowość, również dobrze pasowały do danych, sugerując mieszankę oddziaływań fizycznych i chemicznych. Najlepiej dopasowany model kinetyczny wskazywał, że wiązanie to nie tylko przypadkowe zderzenia cząsteczek z powierzchnią, lecz obejmuje silniejsze interakcje, takie jak przyciąganie elektrostatyczne między przeciwnymi ładunkami oraz specyficzne kontakty z grupami powierzchniowymi. Badania mikroskopowe i pomiary w podczerwieni przed i po absorpcji barwnika dodatkowo potwierdziły obraz, w którym cząsteczki barwnika gromadzą się na zewnętrznych powierzchniach i wewnątrz porów, nie zmieniając przy tym podstawowego układu krystalicznego.

Regeneracja i obietnica czystszej przemysłowej praktyki

Aby technologia oczyszczania wody była praktyczna, medium absorbujące musi nadawać się do ponownego użycia. Badacze wykazali, że nanokompozyt można zregenerować przez płukanie prostym roztworem wodorotlenku sodu i używać co najmniej pięć razy przy niemal niezmienionej wydajności. Ogólnie rzecz biorąc, badanie pokazuje, że starannie zaprojektowane połączenie dwutlenku tytanu i funkcjonalizowanych nanorurek węglowych może działać jako szybka, odporna i wielokrotnego użytku „gąbka” na barwniki. Choć testy przeprowadzono w uproszczonych roztworach laboratoryjnych, a nie w rzeczywistych ściekach fabrycznych, wyniki sugerują obiecującą ścieżkę do kompaktowych urządzeń oczyszczających, które szybko usuwają szkodliwe barwniki, takie jak malachitowa zieleń, z ścieków zanim trafią do środowiska.

Cytowanie: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Słowa kluczowe: oczyszczanie ścieków, malachitowa zieleń, adsorbent nanokompozytowy, dwutlenek tytanu, nanorurki węglowe