Разработка новых керамических металл‑боратов с углеродом для эффективного удаления толуидинового синего О из сточных вод

Почему окрашенная вода касается всех

От синих джинсов до печатной бумаги — современная жизнь во многом зависит от красителей, и они же создают большую часть наших сточных вод. Один из таких красителей, толуидиновый синий О, — ярко‑синий краситель, применяемый в лабораториях и промышленности. Он может раздражать кожу и глаза, при повторном воздействии вредить внутренним органам и блокировать свет в реках и озерах, создавая стресс для водной жизни. В этом исследовании изучаются новые, недорогие керамические материалы, которые способны «впитывать» этот упорный краситель из воды с примечательной эффективностью, указывая на практический инструмент для более чистых рек и безопасной питьевой воды.

Проектирование «умного» губчатого материала для синего красителя

Исследователи поставили задачу создать крошечные твердые «губки», которые захватывают толуидиновый синий О из воды и прочно удерживают его. Они использовали относительно простую химическую методику Печини (Pechini sol–gel) для получения двух родственных материалов, обожжённых при 500 °C и 700 °C, получивших обозначения AFB500 и AFB700. Каждая частица — это наногибрид: смесь нескольких боратов и минералов оксидов железа, соединённых небольшим количеством углерода. Такая смесь выбрана для того, чтобы разные участки поверхности могли притягивать краситель разными механизмами, увеличивая и скорость, и суммарное количество удаляемого красителя.

Как выглядят эти крошечные зерна

Чтобы понять, как работают наногибриды, команда использовала рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию для изучения их внутренней структуры и формы. AFB500, материал, обожжённый при более низкой температуре, сформировал тонкие пластины и листы из множества мелких кристаллов, что придало ему относительно большую поверхность, пронизанную мелкими порами. AFB700, обожжённый при более высокой температуре, реорганизовался в более компактные округлые зерна с большими, но менее многочисленными порами и более упорядоченной кристаллической структурой. Оба содержали задуманный набор элементов — бор, железо, алюминий, кислород и углерод, — но AFB500 содержал больше углерода, тогда как AFB700 богаче неорганическими минералами — различия, которые оказались важными для их работы.

Как губки захватывают и удерживают краситель

Эксперименты в крашенной воде показали, что pH, или кислотность, играет важную роль. При низком pH поверхности зерен становятся положительно заряженными, как и молекулы толуидинового синего О, поэтому они отталкиваются, и захват красителя очень мал. При pH 10 поверхности приобретают отрицательный заряд, создавая сильное электростатическое притяжение к положительно заряженному красителю. Кроме того, кислородсодержащие группы на поверхностях боратов и оксидов железа могут формировать водородные связи и слабые комплексы с красителем, тогда как углеродные участки взаимодействуют с плоскими ароматическими кольцами красителя через стэкинг‑взаимодействия. В совокупности эти механизмы позволяют AFB500 удалять примерно 92% красителя при оптимальных лабораторных условиях, а AFB700 — около 64%, при этом загрузка красителя отвечает однослойной, хорошо организованной адсорбции на поверхности.

Испытание производительности и прочности

Команда подвергла материалы ряду условий, имитирующих реальную эксплуатацию: меняли время контакта, температуру, количество адсорбента, солёность и концентрацию красителя. AFB500 стабильно превосходил AFB700 благодаря своим более мелким порам и большей удельной поверхности, достигая максимальной емкости по красителю около 424 миллиграммов на грамм материала — значения выше, чем у многих прежних адсорбентов, таких как цеолиты, гипс или несколько магнитных композитов. Набор следовал простой временной кинетике (псевдо‑первого порядка) и немного снижался при повышении температуры, что указывает на спонтанный процесс адсорбции с небольшой экзотермией. Обычные ионы, такие как натрий и хлорид, оказывали умеренное влияние, тогда как другие положительно заряженные красители сильно конкурировали за те же участки, что ожидаемо для реальных смесей.

От лабораторного флакона до реальных сточных вод

Крайне важно, что эти наногибриды не кажутся одноразовыми. Исследователи удаляли захваченный краситель промывкой зерен соляной кислотой, что изменяет заряд поверхности и выталкивает краситель обратно в раствор. При концентрации кислоты 2 моляр почти весь краситель освобождался, и оба материала — AFB500 и AFB700 — сохраняли большую часть своей адсорбирующей способности минимум в пяти циклах регенерации, с небольшими структурными изменениями и без обнаруживаемого выщелачивания металлов. При испытаниях на реальных лабораторных сточных водах — содержащих смесь солей и следовые количества металлов, с добавленным толуидиновым синим О — материалы по‑прежнему удерживали большие количества красителя, причём AFB500 снова показал лучшие результаты. Это сочетание высокой емкости, возможности повторного использования и простой, масштабируемой синтез‑процедуры с недорогими исходными материалами делает эти керамически‑углеродные зерна перспективными кандидатами для очистки стоков с красителями.

Что это значит для более чистой воды

Проще говоря, исследование демонстрирует, что тщательно спроектированные керамические частицы с добавлением небольшого количества углерода могут выступать в роли мощных, многоразовых фильтров для опасного синего красителя. Путём регулирования температуры обжига авторы смогли сместить баланс между удельной поверхностью и кристалличностью: материал, полученный при более низкой температуре (AFB500), обеспечил наилучшее сочетание быстрого и массового захвата красителя. Поскольку исходные химикаты доступны, а процесс схож со стандартным керамическим производством, эти материалы, в принципе, могут изготавливаться в масштабах и использоваться в очистных блоках для текстильных предприятий, лабораторий и других объектов, сбрасывающих окрашенные сточные воды. В помощи удалению стойких красителей, таких как толуидиновый синий О, они содействуют более широким целям — например, целям ООН по чистой воде и санитарии — превращая сложную химическую проблему в практический этап фильтрации.

Цитирование: Basha, M.T., Alhamzani, A.G. & Abdelrahman, E.A. Engineering novel ceramic metal borates containing carbon for efficient sequestration of Toluidine Blue O from wastewater. Sci Rep 16, 4526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37604-w

Ключевые слова: очистка сточных вод, удаление красителей, наноматериалы, адсорбция, Толуидиновый синий О