Исследование электроспиннинга композитной мембраны из конопли/полиакрилонитрила и её способности к адсорбции красителей

Превращение загрязнённой красильной воды в более чистый ресурс

Одежда добавляет красок в нашу жизнь, но красящие вещества, используемые для ярких тканей, часто оставляют после себя сильно загрязнённые сточные воды и пыльный воздух на предприятиях. В этом исследовании изучается новый вид тонкого, напоминающего ткань фильтра из конопли и обычного промышленного пластика, который может одновременно очищать сточные воды, наполненные красителями, и задерживать мелкие вкрапления в воздухе. Поскольку в нём используется возобновляемое растительное сырьё и относительно простой метод производства, он указывает на более устойчивые пути управления загрязнением в текстильной отрасли.

Почему текстильные красители трудно удалять

Сточные воды текстильных предприятий представляют собой сложный коктейль: они могут быть горячими, сильно окрашенными и богатыми химикатами, медленно разлагающимися в окружающей среде. Один широко используемый краситель, метиленовый синий, особенно упорен и может нанести вред здоровью человека, если попадёт в реки или питьевую воду. Традиционные методы очистки могут быть сложными или дорогостоящими. Простые адсорбционные фильтры — материалы, которые захватывают и удерживают загрязнители на своей поверхности — привлекательны тем, что их легко эксплуатировать и их можно встроить в существующие установки. Авторы поставили цель спроектировать фильтр, который был бы не только эффективен в улавливании красителя, но и изготовлен из более экологичных компонентов и полезен для борьбы с несколькими видами загрязнений.

Создание растительного высокотехнологичного фильтра

Исследователи комбинировали коноплю, быстрорастущую сельскохозяйственную культуру, богатую целлюлозой, с полиакрилонitrилом, прочным стабильным полимером, уже широко используемым в текстиле. Сначала они предварительно обрабатывали и растворяли волокна конопли в солесодержащем растворителе, чтобы целлюлоза превратилась в однородный раствор. Этот раствор конопли затем смешивали с раствором полиакрилонитрила и превращали в полотно из ультратонких нитей методом электроспиннинга — процессом, при котором высоковольтное электрическое поле вытягивает наноразмерные волокна. Тщательно настраивая такие параметры, как доля конопли, напряжение при прядении, расстояние до сборщика и скорость подачи раствора, они получили мембраны с гладкими, однородными волокнами и небольшим количеством дефектов. Микроскопические и механические испытания показали, что оптимальные настройки создают тонкий, гибкий лист с хорошо ориентированными волокнами и хорошей прочностью.

Как новая мембрана захватывает краситель и пыль

После изготовления фильтра команда изучила, как его структура и химия способствуют очистке. Испытания растекания капель воды по поверхности показали, что мембрана с добавлением конопли сильно гидрофильна: капли впитывались в течение двух секунд, что свидетельствует о том, что растворы красителя могут быстро проникать внутрь. Измерения пористой структуры показали, что добавление конопли увеличивает общую пористость по сравнению с чисто пластиковыми мембранами, создавая сеть каналов, которые позволяют воде и растворённому красителю достигать множества внутренних участков. Химические анализы подтвердили, что природные функциональные группы конопли и азотсодержащие группы пластика хорошо перемешаны и сильно взаимодействуют, а не просто соседствуют друг с другом. Такое тесное смешение повышает стабильность и создаёт больше активных участков, где молекулы красителя могут прилипать. В испытаниях фильтрации воздуха та же мембрана удаляла 99,97% мелких частиц, связывая её высокую пористость и однородные волокна с превосходными свойствами улавливания пыли.

Тщательное изучение очистительной способности

Авторы затем протестировали, насколько хорошо мембрана очищает модельные сточные воды с красителем и какие условия работают лучше всего. Они варьировали концентрацию красителя, температуру, время контакта, pH (кислотность) и содержание конопли, и использовали статистические методы для выявления наиболее эффективной комбинации. Около 10% конопли, умеренно тёплая температура порядка 40–45 °C, слабо щелочная вода и достаточное время контакта обеспечили степень удаления красителя примерно 95%. Аппроксимируя данные стандартными моделями, они пришли к выводу, что молекулы красителя сначала быстро проникают в поры, затем медленнее и крепче связываются с поверхностями волокон. Поведение соответствовало типичной картине «химической адсорбции», где краситель образует специфические взаимодействия — такие как водородные связи и электростатические притяжения между положительными и отрицательными зарядами — с группами на конопле и пластике. Процесс оказался спонтанным и слегка более благоприятным при повышенной температуре, а максимальная ёмкость мембраны по удержанию красителя достигла примерно 76 миллиграммов красителя на грамм материала, что сопоставимо или лучше, чем у нескольких аналогичных фильтров, описанных ранее.

Что это значит для более чистого производства в текстильной отрасли

В целом исследование показывает, что тонкий лист из конопли и промышленного полимера может выступать в роли фильтра двойного назначения, эффективно удаляя как упорный краситель из воды, так и мелкие частицы из воздуха. Для неспециалиста ключевая мысль в том, что сочетание возобновляемого растительного ресурса с прочным синтетическим материалом и формирование их в пористое нановолоконное полотно создаёт мощный, но простой инструмент для контроля загрязнений. Хотя в настоящих экспериментах использовался один краситель в контролируемых условиях, этот подход представляет собой перспективное направление для более устойчивых систем очистки на реальных текстильных предприятиях, где один материал фильтра мог бы помочь решать несколько типов отходов одновременно.

Цитирование: Sun, Y., Wang, J., Kong, W. et al. Exploration of electrospinning hemp/polyacrylonitrile composite fiber membrane and dye adsorption capabilities. Sci Rep 16, 7960 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33369-w

Ключевые слова: сточные воды текстильной промышленности, удаление красителей, нановолокна из конопли, воздушная и водная фильтрация, устойчивые материалы