Использование отходов производства биоэтанола для создания новых адсорбентов для удаления токсичного красителя из воды

Превращение сельскохозяйственных отходов в защитника воды

Яркие красители делают нашу одежду, бумагу и пластик привлекательными, но когда они попадают в реки и озера, они могут отравлять рыбу, загрязнять питьевую воду и даже вредить здоровью человека. В этом исследовании показано, как остаток сельскохозяйственного производства биоэтанола — солома кукурузы — можно превратить в мощную губку, которая быстро извлекает из воды токсичный фиолетовый краситель кристаллический фиолетовый. Это история о решении двух проблем одновременно: управлении отходами с ферм и заводов и очистке загрязнённой воды.

Почему яркие красители могут быть тёмными загрязнителями

Такие красители, как кристаллический фиолетовый, используются в текстиле, полиграфии и даже биологических лабораториях благодаря своей интенсивности и стойкости. Эти же свойства делают их упрямыми загрязнителями. Даже в низких концентрациях кристаллический фиолетовый может повреждать органы, вызывать раздражение кожи и пищеварительной системы и наносить вред водной жизни. Существуют многие передовые технологии очистки воды, но они часто дороги или сложны. Адсорбция — процесс, при котором загрязнители прилипают к поверхности твёрдого материала — предлагает более простое решение. Задача состоит в том, чтобы найти дешёвые, доступные и эффективные материалы, которые могли бы выступать как многоразовый «молекулярный велкро» для этих красителей.

От кукурузной соломы к умным губкам

После сбора зерна у кукурузных растений остаются стебли и листья, известные как кукурузный стовор. В процессе производства биоэтанола большая часть древесной составляющей — лигнин — остаётся в виде низкостойкой побочной продукции. Исследователи выделили этот лигнин и улучшили его поэтапно. Сначала его извлекли и высушили (L). Затем добавили сульфогруппы в процессе сульфонирования, получив более гидрофильную версию (LS). Наконец, вокруг сульфонированного лигнина с помощью двух малых молекул — резорцина и формальдегида — сформировали пористую сеть, получив гибридный материал LSR-F. На последнем этапе образуются мелкие твёрдые шарики с многочисленными внутренними порами и специальными химическими группами, притягивающими молекулы красителя.

Насколько хорошо новый материал очищает воду

Команда протестировала все три материала — L, LS и LSR-F — смешивая их с водой, загрязнённой кристаллическим фиолетовым, и измеряя, сколько красителя осталось. LSR-F явно выделялся. В условиях, близких к слегка щелочной водопроводной воде (pH 8) и при комнатной температуре, всего 0,1 г LSR-F в небольшом объёме раствора удаляли около 98% окрашивания всего за 15 минут. Подробные измерения показали, что материал может удерживать до примерно 73,5 миллиграмма красителя на грамм адсорбента — это более высокая ёмкость, чем у многих других лигнин-основанных материалов, описанных в литературе. После использования материал можно промыть слабым кислотным раствором и использовать повторно несколько раз, сохраняя большую часть своей очищающей способности в циклах регенерации.

Что происходит на микроскопическом уровне

Чтобы понять, почему LSR-F работает так эффективно, исследователи изучили его структуру и поведение с помощью ИК-спектроскопии, электронного микроскопа и термического анализа. Они обнаружили, что LSR-F богат углеродом и содержит множество кислород- и серосодержащих групп, распределённых по шероховатой пористой поверхности. В воде эти группы несут отрицательный заряд, который сильно притягивает положительно заряженные молекулы кристаллического фиолетового. Краситель сначала устремляется к внешней поверхности, а затем проникает в крошечные поры внутри частиц. Математические модели кинетики и изотермы адсорбции указывают на то, что в процессе задействованы несколько сил: электростатическое притяжение между противоположно заряженными частицами, стэкинговые взаимодействия между кольцевыми структурами молекул красителя и ароматическими кольцами лигнина, водородные связи и более слабые «липкие» силы, такие как ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Процесс происходит спонтанно и работает немного лучше при более тёплой температуре.

Чище вода и меньше отходов

Преобразовав отходы кукурузного стовора от производства биоэтанола в эффективный материал для улавливания красителей, эта работа связывает чистую энергию, сокращение отходов и защиту водных ресурсов. Новый сорбент LSR-F действует быстро, обладает высокой ёмкостью по отношению к красителю и может быть многократно регенерирован, что делает его перспективным вариантом для очистки окрашенных сточных вод от промышленности, особенно в регионах, где важны недорогие решения. Проще говоря, исследование демонстрирует, как вчерашние сельскохозяйственные отходы могут стать завтрашним фильтром для воды, способствуя достижению глобальных целей по чистой воде, ответственному потреблению, борьбе с изменением климата и здоровым водным экосистемам.

Цитирование: Eltaher, K., AbdElhafez, S.E., Ali, R.M. et al. Utilization of wastes from bioethanol production for the fabrication of new adsorbents for the removal of toxic dye in water. Sci Rep 16, 3473 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35236-8

Ключевые слова: очистка сточных вод, загрязнение красящими веществами, адсорбент на основе лигнина, побочные продукты биоэтанола, удаление кристаллического фиолетового