Новый подход к модификации адсорбента на основе яичной скорлупы для удаления красителей Acid Red 1 и Crystal Violet: исследование кинетики, изотерм и термодинамики

Преобразование кухонных отходов в чистую воду

Каждый день в домах, ресторанах и пищевых цехах разбивают миллионы яиц, а их скорлупа выбрасывается. В то же время текстильная и другие отрасли сбрасывают в реки и озёра яркие красители, которые могут вредить рыбам, растениям и даже здоровью людей. В этом исследовании эти две проблемы объединяются одним простым вопросом: можно ли из использованной яичной скорлупы получить дешёвый материал, способный извлекать токсичные красители из воды до того, как они попадут в окружающую среду?

Почему окрашенная вода — скрытая угроза

Промышленные красители придают одежде, бумаге и многим изделиям насыщенные цвета, но попав в сточные воды, они трудно удаляются. Два красителя, рассмотренные в этой работе — Crystal Violet и Acid Red 1 — часто используются в текстильной обработке и могут вызывать раздражение кожи и глаз, нарушать химический состав крови и потенциально способствовать развитию рака. Они также блокируют солнечный свет в реках и озёрах и снижают уровень кислорода, нарушая целые водные экосистемы. Существующие методы очистки могут быть дорогими или сложными, особенно для предприятий в развивающихся регионах. Поэтому учёные ищут простые и недорогие материалы, которые могли бы «схватывать» молекулы красителей из воды и удерживать их.

От яичной скорлупы к эффективному фильтру

Яичная скорлупа в основном состоит из карбоната кальция — минерала, который уже обладает некоторой способностью притягивать заряженные молекулы. В исследовании учёные собрали отходы скорлупы в ресторанах, очистили и тонко измельчили их, а затем обработали порошок раствором сульфата железа(II), распространённой железной соли. Этот химический этап покрывает и частично изменяет поверхность скорлупы, создавая больше мелких пор и новые реакционноспособные участки, к которым могут присоединяться красители. С помощью методов, таких как рентгеновская дифракция, электронная микроскопия и измерение удельной поверхности, команда подтвердила, что модифицированная скорлупа стала более пористой, приобрела участки, содержащие железо, и предложила большую активную поверхность по сравнению с исходным материалом.

Как модифицированные скорлупы захватывают красители

Для оценки эффективности учёные смешивали небольшие количества модифицированного порошка скорлупы с окрашенной водой в контролируемых условиях и отслеживали, насколько быстро и полно исчезала окраска. Они варьировали кислотность воды, начальную концентрацию красителя, время контакта и температуру. Для пурпурного Crystal Violet удаление было наиболее эффективным в слабощелочной среде; для красного Acid Red 1 — в кислой среде. Это связано с тем, что поверхность скорлупы может приобретать положительный или отрицательный заряд в зависимости от pH, что, в свою очередь, притягивает красители противоположного заряда. Примерно за полчаса модифицированная скорлупа смогла захватить до 138 миллиграммов Crystal Violet и до 124 миллиграммов Acid Red 1 на грамм порошка — примерно вдвое и более превышая ёмкость немодифицированной скорлупы.

Что происходит на микроскопическом уровне

Более детальный анализ показывает, что молекулы красителя сначала перемещаются через воду к внешней поверхности гранул, а затем постепенно проникают в поры. Данные указывают, что Crystal Violet фиксируется сильнее, по механизму, похожему на химическое связывание, тогда как Acid Red 1 следует более простому, физическому механизму. Оба процесса, однако, опираются на сочетание электростатического притяжения между противоположно заряженными участками и способности определённых функциональных групп на поверхности скорлупы образовывать слабые связи с молекулами красителя. Процесс выделяет тепло, поэтому он более эффективен при комнатной температуре, чем при повышенных температурах: по мере нагрева воды он становится менее благоприятным. Команда также проверила, можно ли многократно промывать и повторно использовать модифицированную скорлупу; выяснилось, что она сохраняет значительную способность к удалению красителя в нескольких циклах, хотя ёмкость постепенно снижается.

Стоимость, повторное использование и практический потенциал

Поскольку яичная скорлупа — обильный кухонный отход, а обработка железом требует относительно простых химикатов, общая стоимость нового адсорбента невысока. При сравнении с коммерческим активированным углём, стандартным, но более дорогим материалом для фильтрации, модифицированная скорлупа обеспечивала удаление красителей при существенно меньшей стоимости на единицу очищенной воды. Даже с учётом энергозатрат и этапов регенерации подход выглядит экономически привлекательным. В то время как это исследование проводилось в лабораторных колбах, а не на заводских очистных сооружениях, оно указывает на практический способ превратить проблемный поток отходов — выброшенную яичную скорлупу — в полезный инструмент для очистки другого, более опасного потока: воды, загрязнённой красителями.

Ежедневное значение результатов

Проще говоря, исследование показывает, что такая обыкновенная вещь, как яичная скорлупа, при разумной модификации может эффективно и недорого удалять вредные красители из воды. Модифицированная скорлупа захватывает разные типы красителей при разных значениях pH, удерживает их в больших количествах и может использоваться повторно несколько раз. При масштабировании эта стратегия могла бы предложить фабрикам и муниципалитетам во многих странах доступный способ сократить загрязнение водоёмов и одновременно уменьшить объём твёрдых отходов — сделав шаг к более безопасным рекам и более устойчивому использованию повседневных материалов.

Цитирование: Azeem, A.A., Khalek, M.A.A. & Hamid, E.M.A. A novel approach to modifying eggshell-based adsorbent for the removal of acid red 1 and crystal violet dyes: kinetics, isotherm, and thermodynamics study. Sci Rep 16, 8721 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34343-2

Ключевые слова: очистка сточных вод, текстильные красители, адсорбент из яичной скорлупы, кристаллический фиолетовый, acid red 1