Удаление отобранных фармацевтических загрязнителей из грунтовых вод с использованием коллоидного активированного угля

Почему таблетки в воде имеют значение

Многие лекарства, которые мы принимаем внутрь, не задерживаются полностью в организме. Следы болеутоляющих, противоэпилептических препаратов и даже кофеина могут попадать в канализацию, переживать очистные сооружения и просачиваться в подземные воды. Эти грунтовые воды являются основным источником питьевой воды во многих регионах мира. В описанном исследовании изучается новый способ задерживать часть этих устойчивых следов лекарств под землей до того, как они распространятся, с помощью высокопористого углеродного материала, который можно вводить непосредственно в подпочвенный слой.

Невидимые остатки повседневной жизни

Современная жизнь опирается на фармацевтику — от обычных стимуляторов, таких как кофеин, до специализированных противоэпилептических средств, например карбамазепина и ламотриджина. Эти соединения созданы так, чтобы сопротивляться разрушению в организме, и они часто проходят через обычные очистные сооружения. В результате их теперь обнаруживают в реках, озёрах и грунтовых водах в Европе, США, Азии и на Ближнем Востоке, иногда в отдалённых водоносных пластах. Даже при очень низких концентрациях их постоянное присутствие вызывает опасения по поводу долгосрочных эффектов для экосистем, дикой природы и здоровья человека. Удаление таких «возникающих загрязнителей» из воды стало растущей задачей для инженеров и регуляторов.

Тонкая углеродная губка в грунте

Одним из перспективных подходов является адсорбция, при которой загрязнители прилипают к поверхности твердого вещества. Активированный уголь особенно хорош в этом, так как он полон мельчайших пор, предлагающих огромную внутреннюю поверхность, на которую могут прикрепляться молекулы. Команда в этом исследовании сосредоточилась на специальной форме — коллоидном активированном угле, состоящем из очень мелких частиц, образующих стабильную суспензию в воде. Эту суспензию можно вводить в грунт, где частицы осаждаются на зернах песка и карбонатных пород, формируя своего рода невидимую фильтрующую зону, через которую должен проходить грунтовый поток. Исследователи сначала охарактеризовали этот уголь и обнаружили, что он в основном состоит из углерода с небольшим содержанием калия, чрезвычайно порист и состоит из частиц всего в несколько микрометров в диаметре с отрицательно заряженной поверхностью, что помогает им оставаться диспергированными в воде.

Испытание миниатюрного подземного фильтра

Чтобы проверить, насколько хорошо этот уголь захватывает фармпрепараты, ученые собрали небольшие прозрачные колонки, заполненные песком, карбонатной породой или смесью обоих в соотношении 50:50, имитируя слои естественных отложений. Они прогоняли воду, подмешанную кофеином, карбамазепином и ламотриджином, снизу вверх через колонки с контролируемыми расходами, добавляя измеренные количества коллоидного угля. Сравнивая уровни препаратов на входе и выходе, они отслеживали, как быстро фильтр начинал «пропускать» — то есть когда загрязнители начинали проходить сквозь слой — и сколько времени проходило до почти полной насыщенности угля. Также использовали математическую «доза‑ответ» кривую для описания формы этих профилей прорыва и для оценки того, какое количество каждого соединения уголь может удержать в разных условиях.

Что контролирует объём удаления

Эксперименты показали, что условия работы существенно влияют на эффективность. Более медленный поток позволял увеличить время контакта, отсрочив прорыв, но при наибольшем испытанном расходе фиксировали наибольшее поглощение на грамм угля до полного исчерпания колонки, поскольку через неё прошло больше загрязнённой воды. Увеличение количества угля в колонке продлевало как время до прорыва, так и время до насыщения, что отражает большее число доступных адсорбционных сайтов. Более высокая исходная концентрация загрязнителей вызывала более быстрый и крутой прорыв, так как сайты связывания заполнялись быстрее, но также увеличивала общую массу захваченных препаратов. Тип засыпки тоже имел значение: смешанная песчано‑карбонатная засыпка обеспечивала наибольшую защиту до прорыва и лучшую общую удерживающую способность, вероятно, потому что сочетала химическое взаимодействие с равномерным и гладким потоком.

От лабораторных тестов к реальным грунтовым водам

Наконец, исследователи испытали реальную грунтовую воду, в которую добавили три целевых препарата, в лучших условиях, выявленных в предыдущих прогонках: умеренный расход, умеренная доза угля и смешанная песчано‑карбонатная засыпка. В этом более реалистичном тесте углеродный барьер отсрочил прорыв более чем на два часа и продолжал удалять фармацевтические вещества более семи часов. В целом он задержал примерно 40 процентов входящей массы препаратов до того, как стал в значительной степени насыщенным. Учитывая, что коллоидный активированный уголь можно вводить прямо в водоносные пласты, эти результаты указывают на то, что инженеры могут создать подземные реактивные зоны, перехватывающие и ослабляющие шлейфы фармацевтического загрязнения, помогая защищать источники питьевой воды.

Что это значит для более безопасной воды

Проще говоря, исследование показывает, что тонко дисперсная углеродная «губка» может распространяться по подземным отложениям, чтобы улавливать следы лекарств, движущихся с грунтовыми водами. Хотя она не удаляет всё полностью, она существенно снижает нагрузку стойких препаратов, таких как кофеин, карбамазепин и ламотриджин, в реалистичных условиях. Поскольку материал чрезвычайно порист и может развертываться на месте, он предлагает практический способ укрепить естественные барьеры в водоносных слоях без строительства крупных очистных сооружений. С дальнейшей оптимизацией и полевыми испытаниями этот подземный углеродный щит может стать важным инструментом в деле удержания невидимых остатков наших лекарств вне воды, которую мы пьем.

Цитирование: Alghamdi, S., Tawabini, B., Abdullah, A. et al. Removal of selected pharmaceutical pollutants from groundwater using colloidal activated carbon. Sci Rep 16, 8470 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36859-7

Ключевые слова: загрязнение грунтовых вод, фармацевтические загрязнители, активированный уголь, очистка воды, адсорбция