Удаление кармина с использованием поддержанных на красной шламовой основе ZVI материалов

Превращение токсичных отходов в полезный материал

Огромные холмы ржаво-красного порошкообразного отхода, называемого красным шламом, остаются после производства алюминия. Эти горы отходов занимают землю и могут выделять вредные вещества, но в них также содержатся полезные металлы. В этом исследовании учёные нашли способ превратить красный шлам в эффективный очищающий материал, который может почти полностью удалять стойкие красные красители из воды, предлагая новый подход к одновременному решению проблем промышленных отходов и загрязнения водоемов.

Проблема красного шлама и красных красителей

Алюминий необходим для автомобилей, самолётов, электроники и упаковки, но на каждую тонну оксида алюминия приходится примерно одна–две тонны красного шлама. Во всём мире накопились миллиарды тонн этого отхода, особенно в таких странах, как Китай. Одновременно текстильные и красильные фабрики сбрасывают окрашенные сточные воды, содержащие сложные красители, такие как кармин — ярко-красный краситель, используемый в пищевой промышленности, косметике и тканях. Эти красители могут быть токсичны, трудно разлагаться и сильно портить вид воды, из-за чего их сложно удалить простыми фильтрами или базовой обработкой.

Создание нового очищающего материала

Группа использовала красный шлам как дешёвый источник железа и смешала его с антрацитом — недорогой формой угля — чтобы получить новый материал. Смесь сформировали в небольшие гранулы и прокалили в печи при очень высокой температуре. Этот процесс, называемый карботермическим восстановлением, превращает железосодержащие минералы в красном шламе в наночастицы нолевалентного железа — металлической формы железа, очень реакционноспособной. После прокалки при примерно 1000 °C в течение часа с оптимальным содержанием антрацита гранулы измельчили в тонкий порошок, называемый RA@ZVI, готовый к испытаниям в окрашенной воде.

Насколько хорошо новый материал очищает воду

Для проверки эффективности исследователи добавляли небольшие количества RA@ZVI в воду с кармином. При оптимальных условиях — около 0,5 г материала на литр воды, исходная концентрация красителя 50 мг/л, слегка тёплая комнатная температура и кислая pH около 3 — удаление красителя было близко к 100% всего за 30 минут. Они изучили влияние разных факторов: увеличение дозы RA@ZVI в целом улучшало очистку до уровня насыщения, более низкие начальные концентрации красителя было легче обрабатывать, а материал работал хорошо в широком диапазоне температур. Однако кислая среда оказалась критичной; в нейтральной или щелочной воде эффективность резко падала, потому что на железе образовывались защитные слои, блокирующие его активность.

Что происходит на микромасштабе

С помощью продвинутых микроскопов и рентгеновских методов учёные исследовали структуру RA@ZVI. Они обнаружили микрометровые частицы железа, равномерно распределённые в пористой углеродной матрице, полученной из антрацита. Такая структура предоставляет много активных участков, доступных для контакта с красителем. После испытаний частицы железа выглядели корродировавшими и частично покрытыми углеродсодержащими остатками, что указывает на их участие в химических реакциях. Спектральный анализ раствора красителя показал, что RA@ZVI не только захватывает молекулы красителя, но и разрушает ключевые участки их структуры — в частности азосвязь, соединяющую два ароматических кольца, и антракиноновую систему колец, отвечающую за интенсивный цвет кармина.

Невидимые помощники: короткоживущие активные частицы

Исследователи также определяли, какие короткоживущие «помощники»-молекулы разрушают краситель. Добавляя специальные вещества, избирательно блокирующие определённые реактивные виды, они обнаружили, что два радикала — гидроксильные радикалы и супероксидные радикалы — играют ключевую роль. Металлическое железо в RA@ZVI реагирует с кислородом и небольшими количествами пероксида, образующегося в воде, генерируя эти крайне реактивные радикалы. Вместе с самим железом они атакуют молекулы красителя, распадая их на более мелкие, менее вредные вещества, которые в конечном итоге могут превратиться в углекислый газ и воду.

Почему это важно для повседневной жизни

Проще говоря, работа демонстрирует, как проблемный промышленный отход можно превратить в недорогой, повторно используемый очиститель для загрязнённых вод. Тщательно выбирая условия нагрева и соотношение компонентов, команда создала материал, который почти полностью удаляет сложный красный краситель при реалистичных условиях обработки, не полагаясь на дорогие или сильно токсичные химикаты. В случае масштабирования этот подход может помочь сократить запасы красного шлама и уменьшить количество стойких ярких красителей в сточных водах печатной и красильной промышленности, приблизив нас к более чистым фабрикам и рекам.

Цитирование: Wang, Z., Tuo, B., Li, S. et al. Removal of carmineusing red mud-supported ZVI materials. Sci Rep 16, 6524 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37767-6

Ключевые слова: красный шлам, очистка сточных вод, удаление азо-красителей, нолевалентное железо, кармин