Wysokowydajna adsorpcja sulfametoksazolu i fenolu przy użyciu węgla przypominającego grafen otrzymanego z glukozy

Dlaczego usuwanie drobnych zanieczyszczeń ma znaczenie

Wiele leków i chemikaliów przemysłowych, które ułatwiają nam życie, może po cichu szkodzić rzekom, jeziorom, a nawet wodzie pitnej, gdy nie są całkowicie usuwane w oczyszczalniach. W niniejszym badaniu skupiono się na dwóch takich sprawcach — antybiotyku sulfametoksazolu oraz podstawowym związku chemicznym fenolu — i pokazano, jak nowy, tani materiał węglowy otrzymany z prostej cukrowej substancji (glukozy) może wyciągać te zanieczyszczenia z wody z imponującą skutecznością.

Codzienne chemikalia, które utrzymują się w wodzie

Sulfametoksazol to powszechnie stosowany antybiotyk w leczeniu zakażeń u ludzi i zwierząt. Ponieważ nasze organizmy nie rozkładają go całkowicie, duża jego część jest wydalana i trafia do ścieków. Oczyszczalnie nie są specjalnie zaprojektowane do usuwania tego typu leków, więc mogą przedostawać się do rzek, wód gruntowych, a nawet wody pitnej. W dłuższej perspektywie stała niskopoziomowa ekspozycja może sprzyjać powstawaniu oporności bakterii na antybiotyki. Fenol jest szeroko stosowany w branżach takich jak tworzywa sztuczne, żywice i przetwórstwo ropy naftowej i jest znany jako toksyczny oraz potencjalnie rakotwórczy. Nawet przy bardzo niskich stężeniach fenol może szkodzić organizmom wodnym i stwarzać ryzyko dla zdrowia ludzi, dlatego regulatorzy surowo ograniczają jego obecność w wodzie pitnej.

Gąbczasty węgiel otrzymany z cukru

Naukowcy opracowali materiał nazwany węglem przypominającym grafen, lub GLC-900, zaczynając od zwykłej glukozy. Podgrzewali glukozę razem z dwoma substancjami pomocniczymi: jedną, która pomaga tworzyć pory w węglu, oraz drugą, która ukierunkowuje węgiel w cienkie, warstwowe struktury przypominające grafit. Poprzez podgrzewanie do 900 °C w środowisku bez tlenu, a następnie wypłukanie metalu, otrzymali czarne, piankopodobne ciało stałe wypełnione drobnymi, połączonymi porami. Dokładne pomiary wykazały, że materiał ma niezwykle dużą powierzchnię wewnętrzną — około 935 metrów kwadratowych na gram, mniej więcej powierzchnię kilku boisk do koszykówki skondensowaną w łyżeczce proszku. Połączenie cienkich warstw i obfitości porów sprawia, że GLC-900 działa jak potężna gąbka na rozpuszczone zanieczyszczenia.

Jak dobrze nowy węgiel oczyszcza wodę

Aby sprawdzić skuteczność GLC-900, zespół wymieszał niewielką ilość materiału z wodą zawierającą sulfametoksazol lub fenol w realistycznych stężeniach zanieczyszczeń. W ciągu około godziny stężenia obu związków gwałtownie spadły, co świadczyło o wychwyceniu zanieczyszczeń na powierzchni węgla. Gdy badacze zwiększyli stężenie początkowe, materiał nadal dobrze się sprawował. Modele matematyczne opisujące przyleganie cząsteczek do powierzchni wskazały, że węgiel tworzy jednolitą, jednowarstwową warstwę adsorbowanych cząsteczek, aż do wyczerpania miejsc, a maksymalne pojemności były bardzo wysokie: około 289 miligramów sulfametoksazolu oraz 232 miligramy fenolu na gram adsorbentu. Wartości te są zazwyczaj lepsze niż w przypadku wielu komercyjnych węgli aktywowanych i biowęgli, co oznacza, że do oczyszczenia tej samej ilości wody potrzeba mniej materiału.

Co dzieje się na poziomie mikroskopowym

Obrazy z mikroskopu i analizy powierzchni pomogły wyjaśnić, dlaczego GLC-900 działa tak dobrze. Materiał składa się ze zmarszczonych, połączonych ze sobą arkuszy, tworząc trójwymiarowy labirynt porów, do których woda i zanieczyszczenia mogą łatwo wpływać. Testy chemiczne sugerowały, że zanieczyszczenia są zatrzymywane głównie przez delikatne, niepermanentne siły — podobne do tego, jak woda przywiera do szkła, a nie tworzy nowego związku chemicznego. Należą do nich wiązania wodorowe między zanieczyszczeniami a grupami zawierającymi tlen na węglu, interakcje „stackingowe” między ich pierścieniowymi strukturami a płaskimi warstwami węgla oraz tendencja oleistych cząsteczek do opuszczania wody i przylegania do mniej wodnych powierzchni, znana jako efekt hydrofobowy. Proces jest energetycznie korzystny i w rzeczywistości działa lepiej w nieco wyższych temperaturach, co jest zgodne z tego typu adsorpcją fizyczną.

Warunki rzeczywiste i ponowne użycie

Zespół sprawdził także, jak materiał zachowuje się w bardziej realistycznych warunkach. Naturalna materia organiczna, reprezentowana tutaj przez kwas huminowy — brązowawą substancję zabarwiającą niektóre wody powierzchniowe — konkurowała z docelowymi zanieczyszczeniami o miejsca na węglu i obniżała wydajność, co jest wyzwaniem wspólnym dla większości adsorbentów. Z kolei typowe rozpuszczone sole miały niewielki wpływ. Po użyciu węgiel można było wypłukać etanolem i ponownie wykorzystać przez kilka cykli oczyszczania, nadal usuwając ponad 90 procent zanieczyszczeń w początkowych rundach. Autorzy oszacowali, że produkcja tego węgla z cukru byłaby tańsza za kilogram niż wielu wysokiej jakości węgli aktywowanych, przy jednoczesnym uniknięciu surowców na bazie paliw kopalnych i powstawania szkodliwych produktów ubocznych.

Co to oznacza dla bezpieczniejszej wody

Mówiąc prosto, praca ta pokazuje, że niedrogi, cukrowy węgiel o gąbczastej strukturze może szybko i silnie zatrzymywać zarówno antybiotyk, jak i związek przemysłowy z wody. Ponieważ jest wydajny, nadaje się do ponownego użycia i stosunkowo tani w produkcji, GLC-900 mógłby stać się praktycznym narzędziem do oczyszczania ścieków ze szpitali, gospodarstw i zakładów przemysłowych, zanim dotrą one do rzek i źródeł wody pitnej. Chociaż potrzebne są dalsze badania, aby przetestować go w systemach przepływowych i wobec mieszanin wielu zanieczyszczeń, badanie to wskazuje kierunek, w którym codzienne materiały, takie jak cukier, mogą zostać przekształcone w potężne filtry pomagające utrzymać czystszą wodę i zdrowsze ekosystemy.

Cytowanie: Lingamdinne, L.P., Angaru, G.K.R., Shrestha, B. et al. High-performance adsorption of sulfamethoxazole and phenol using graphene-like carbon derived from glucose. Sci Rep 16, 7794 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39165-4

Słowa kluczowe: oczyszczanie wody, zanieczyszczenie antybiotykami, usuwanie fenolu, węgiel przypominający grafen, oczyszczanie ścieków