Skuteczne usuwanie barwnika basic red 9 ze ścieków z użyciem ceramicznych tlenków metali zawierających węgiel jako nowych nanohybryd

Dlaczego oczyszczanie zabarwionej wody ma znaczenie

Intensywne barwniki syntetyczne sprawiają, że nasze ubrania, papiery i próbki laboratoryjne są przyciągające wzrok, ale po spłukaniu trafiają do kanalizacji i stają się uporczywą formą zanieczyszczenia wody. Jeden z takich barwników, znany jako basic red 9, może utrzymywać się w rzekach i wodach gruntowych, szkodzić organizmom wodnym i stwarzać zagrożenie dla zdrowia ludzi. W pracy tej badano nowy rodzaj drobnych, stałych materiałów, które mogą skutecznie usuwać ten kłopotliwy barwnik z wody, oferując praktyczną drogę do czystszych i bezpieczniejszych zasobów.

Uporczywy czerwony barwnik w codziennych ściekach

Basic red 9 jest szeroko stosowany w przemyśle tekstylnym, papierniczym i w pracy laboratoryjnej, a tylko jego część pozostaje w gotowym produkcie. Reszta często trafia do ścieków, gdzie jej intensywne zabarwienie blokuje światło, zaburza fotosyntezę roślin wodnych i może wpływać negatywnie na komórki żywe. Wiele istniejących metod oczyszczania — takich jak membrany, sedymentacja chemiczna czy zaawansowane rozkłady napędzane światłem — jest albo kosztownych, generuje dodatkowe odpady, albo ma trudności w działaniu w prawdziwych, złożonych ściekach. Prosta adsorpcja, gdzie zanieczyszczenia przyczepiają się do powierzchni ciała stałego, jest atrakcyjna, ponieważ łatwo ją prowadzić, nie wymaga skomplikowanej aparatury, a ciała stałe czasem można oczyszczać i ponownie używać. Wyzwanie polega na zaprojektowaniu materiału stałego, który szybko złapie dużą ilość barwnika i zachowa aktywność w obecności soli i innych substancji powszechnie występujących w prawdziwej wodzie.

Budowa nowych, drobnych „czyścicieli” z ceramiki i węgla

Badacze stworzyli dwa pokrewne materiały, łącząc tlenki metali strontu, kobaltu i magnezu z węglem w to, co nazwali nanohybrydami — ciałami stałymi składającymi się z kilku różnych drobnych faz krystalicznych splecionych razem. Zastosowali proces Pechiniego (sol–żel), kontrolowany sposób mieszania soli metali z czynnikiem organicznym i ich podgrzewania, by uzyskać drobne, jednorodne cząstki. Podgrzewanie wyjściowej mieszaniny do 600 °C dało materiał MSC600 o pręcikowej, bardziej otwartej strukturze. Podgrzewanie do 800 °C dało MSC800, który miał bardziej zwarte, niemal kuliste ziarna i nieco większe domeny krystaliczne. W obu przypadkach otrzymane ciała stałe zawierały kilka faz ceramicznych plus węgiel, co zapewniało bogaty zestaw miejsc powierzchniowych, do których mogły przyczepiać się cząsteczki barwnika.

Jak nowe materiały chwytają barwnik

Gdy zespół testował te nanohybrydy w roztworach basic red 9, stwierdzono, że usuwanie barwnika silnie zależało od kwasowości wody. W warunkach kwaśnych powierzchnie ciał stałych miały ładunek dodatni, co odpychało dodatnio naładowany barwnik i prowadziło do bardzo słabego oczyszczania. W środowisku zasadowym powierzchnie stawały się naładowane ujemnie i silnie przyciągały barwnik, szczególnie w przypadku MSC600, którego stan ładunku i bardziej otwarta tekstura sprzyjały pobieraniu. Szczegółowe pomiary w podczerwieni wykazały, że angażowało się kilka typów oddziaływań: przyciąganie elektrostatyczne między ładunkami przeciwstawnymi, wiązania wodorowe, oddziaływania między pierścieniowymi jednostkami barwnika a węglem w ciele stałym oraz wiązanie do miejsc metal–tlen. Pomiary gazem azotowym potwierdziły, że oba materiały miały duże, dostępne pory, a MSC600 oferował większą powierzchnię i objętość porów, co pomaga dużym cząsteczkom barwnika dyfundować do wnętrza i znajdować miejsca przyczepu.

Szybkie, skuteczne i nadające się do ponownego użycia oczyszczanie

W testach wydajności oba materiały wychwytywały duże ilości basic red 9, znacznie przewyższając pojemności podawane dla powszechnych alternatyw, takich jak węgiel aktywny, biochar czy odpady rolnicze. MSC600 osiągnął maksymalnie około 437 mg barwnika na gram materiału, podczas gdy MSC800 około 313 mg/g. Pobieranie następowało szybko, ustalając się w ciągu około godziny dla MSC600 i nieco dłużej dla MSC800. Analiza zmian stężenia barwnika w czasie i w zależności od temperatury wykazała, że proces ma charakter fizyczny, a nie chemiczny, zachodzi samorzutnie i jest egzotermiczny. Co ważne, barwnik można było niemal całkowicie zmyć za pomocą kwasu, co pozwalało na ponowne użycie ciał stałych kilkukrotnie przy jedynie umiarkowanym spadku wydajności. Materiały dobrze sprawdzały się także w rzeczywistych ściekach laboratoryjnych zawierających mieszaninę soli i innych jonów, nadal usuwając większość dodanego barwnika.

Co to oznacza dla czystszej wody

Dla osoby niebędącej specjalistą najważniejszym wnioskiem jest to, że autorzy zaprojektowali drobne, wielokrotnego użytku „gąbki”, które mogą wyłapywać problematyczny czerwony barwnik z wody znacznie skuteczniej niż wiele istniejących materiałów. Dzięki starannemu dostrojeniu, jak komponenty ceramiczne i węglowe są mieszane oraz jak wysoko są podgrzewane, stworzono powierzchnie, które silnie przyciągają barwnik, napełniają się szybko, a następnie mogą być oczyszczone i użyte ponownie. Choć testy przeprowadzono na basic red 9, te same zasady projektowe można dostosować do innych barwników i zanieczyszczeń. Tego rodzaju proste, wydajne narzędzie do oczyszczania może stać się częścią praktycznych systemów oczyszczania ścieków przemysłowych i laboratoryjnych, pomagając utrzymać rzeki i wody gruntowe czyściejszymi, bezpieczniejszymi i bliższymi celom globalnych inicjatyw na rzecz czystej wody.

Cytowanie: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., Basha, M.T. et al. Efficient elimination of basic red 9 from wastewater using ceramic metal oxides containing carbon as novel nanohybrids. Sci Rep 16, 12235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47555-x

Słowa kluczowe: usuwanie barwników ze ścieków, adsorbenty nanomateriałowe, ceramiczne hybrydy węglowe, basic red 9, oczyszczanie wody