Синтез и характеристика активированного угля из черного щелока сахарного жома, модифицированного акриловой кислотой, для повышенного удаления кадмия

Преобразование отходов целлюлозного производства в очиститель воды

Множество привычных товаров — от бумаги до аккумуляторов — оставляют после себя проблемные отходы и токсичные металлы. В этом исследовании показано, как темный, неприятно пахнущий побочный продукт сахарных целлюлозных заводов — так называемый черный щелок — можно превратить в эффективный фильтр для удаления ядовитого кадмия из воды. Превращая поток отходов в материал с высокой добавленной стоимостью, работа объединяет промышленную переработку, более безопасную питьевую воду и чистые реки в одном практическом решении.

Проблема кадмия и промышленных отходов

Кадмий широко используется в батареях, металлических покрытиях, пигментах и пластиках, но он высоко токсичен и накапливается в окружающей среде и организме человека. Он может повреждать легкие, печень и почки и перемещаться по пищевой цепочке через воду и почву. Одновременно целлюлозные заводы, перерабатывающие сахарный жом, генерируют большие объемы черного щелока — темной жидкости, богатой органикой и минералами, которую дорого очищать и которая при неправильной утилизации может загрязнять водоемы. Идея этого исследования проста, но мощна: можно ли превратить эту проблемную жидкую массу в эффективный и недорогой материал для улавливания кадмия до того, как он попадет в окружающую среду?

От темной жидкости к пористому углеродному губчатому материалу

Авторы собрали черный щелок на содовом целлюлозном заводе, использующем сахарный жом. Они сначала проанализировали его и обнаружили, что он содержит примерно 40% лигнина (богатого углеродом растительного полимера), 30% золы и 25% голоцеллюлозы, а также множество кислородсодержащих групп. Такой состав делает его перспективным сырьем для получения активированного угля — высокопористой формы углерода, широко используемой в фильтрах. Команда модифицировала черный щелок добавлением небольшого количества акриловой кислоты в гидротермальных условиях, затем высушила и нагрела полученный твердый остаток с гидроксидом калия при высокой температуре в отсутствии воздуха. Эта химическая активация вырезала плотную сеть мелких пор, превращая отход в черный губчатый материал, известный как активированный уголь, модифицированный акриловой кислотой.

Формирование улучшенных пор для захвата металлов

Тщательные испытания показали, насколько сильно эта химическая доработка изменила материал. По сравнению с немодифицированным углем, полученным из того же щелока, новый уголь имел примерно в три раза большую удельную поверхность (1541 против 500 квадратных метров на грамм) и более чем втрое больший общий объем пор. Микроскопические изображения показали, что немодифицированный уголь имел относительно гладкие, компактные поверхности с ограниченными отверстиями, тогда как модифицированная версия демонстрировала сотоподобную сеть взаимосвязанных пор. Рентгеновские измерения указали на слегка более упорядоченную углеродную структуру, а инфракрасная спектроскопия подтвердила, что акриловая кислота ввела многочисленные карбоксильные группы — химические «крючки», которые могут связываться с положительно заряженными ионами металлов, такими как кадмий. В совокупности эти изменения создали больше мест для прикрепления кадмия и более легкие пути для движения воды через материал.

Насколько хорошо он очищает воду от кадмия

Чтобы оценить эффективность этого улучшенного угля, исследователи подвергли его воздействию воды с различными концентрациями кадмия. Материал удалял почти весь кадмий при низких концентрациях и продолжал эффективно работать даже при значительном загрязнении воды. При подгонке данных под стандартные адсорбционные модели максимальная емкость достигла примерно 434 миллиграмма кадмия на грамм угля — значительно выше, чем у многих коммерческих или ранее описанных углей. Скорость поглощения кадмия соответствовала модели, обычно связываемой с химическим связыванием, что указывает на то, что кадмий взаимодействует не только слабо адсорбируясь на поверхности, но образует более прочные и специфические связи с функциональными группами, введенными акриловой кислотой. Процесс также был более благоприятен при повышенных температурах и оставался разумно эффективным в нескольких циклах использования и регенерации, особенно когда для высвобождения захваченного металла применяли азотную кислоту.

Что это значит для более чистой промышленности и воды

Для неспециалистов главный вывод таков: промышленный жидкий отход — черный щелок с сахарных целлюлозных заводов — можно превратить в высокоэффективную «металлическую губку», которая очень хорошо улавливает опасный кадмий из воды. Добавив распространенное соединение (акриловую кислоту) перед активацией угля, исследователи создали материал с гораздо большим количеством внутренних поверхностей и химических крючков, что привело к выдающимся показателям удаления кадмия. Такой подход решает сразу две проблемы: снижает экологическую нагрузку и затраты на утилизацию черного щелока и предоставляет масштабируемый и недорогой инструмент для очистки загрязненной воды. При дальнейшем развитии такие материалы могли бы помочь сообществам и промышленности ограничить загрязнение тяжелыми металлами и разумнее использовать собственные потоки отходов.

Цитирование: Pourbaba, R., Ashori, A., Abdulkhani, A. et al. Synthesis and characterization of activated carbon from acrylic acid-modified black liquor of sugarcane bagasse for enhanced cadmium removal. Sci Rep 16, 6765 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36827-1

Ключевые слова: активированный уголь, черный щелок, удаление кадмия, очистка сточных вод, сахарный жом