Кинетика адсорбции и изотермы удаления мальакитового зелёного из водных растворов с использованием нанокомпозита TiO2, нанесённого на функционализованные МНОТ

Почему важно очищать окрашенные стоки

Яркие синтетические красители придают нам цветную одежду, кожу и бумагу, но когда эти химикаты попадают в заводские стоки, они могут годами сохраняться в реках и озёрах. Один из таких красителей — малахитовый зелёный — вызывает особую тревогу, поскольку он токсичен, стойкий и связан с риском рака. В этом исследовании рассматривается новый тип мелкодисперсного очистителя — нанокомпозит, способный очень быстро и эффективно извлекать малахитовый зелёный из воды, что указывает на более быстрые и практичные способы обработки загрязнённых промышленных стоков.

Упрямый краситель и новый наночистящий материал

Малахитовый зелёный широко применяется в текстильной и кожевенной промышленности и даже использовался, спорно, в аквакультуре как антимикробное средство. Попав в окружающую среду, он плохо разлагается, и традиционные методы очистки часто не справляются с его полным удалением. Исследователи поставили цель создать более эффективную «губку» для этого красителя, комбинируя два передовых материала: наночастицы диоксида титана и многостенные углеродные нанотрубки, поверхности которых были химически «обогащены» кислородсодержащими группами. Нанесение диоксида титана на эти функционализованные нанотрубки привело к образованию гибридного материала, который должен обеспечивать большую площадь поверхности и множество активных участков, где молекулы красителя могут адсорбироваться.

Создание и изучение гибридного нанотрубного материала

Команда синтезировала нанокомпозит гидротермальным методом: порошок диоксида титана обрабатывали в горячем щелочном растворе и затем закрепляли на углеродных нанотрубках в воде при длительном перемешивании. Полученный порошок детально исследовали с помощью набора микроскопических и спектроскопических методов. Тесты подтвердили, что диоксид титана сохранил кристаллическую структуру и равномерно распределился по сети нанотрубок, не образуя отдельных комков. Измерения адсорбции газа показали высокопористую, губчатую архитектуру с площадью поверхности более чем в два раза превышающей таковую у чистого диоксида титана, что означает значительно большее пространство для захвата молекул красителя при обработке.

Быстрое и эффективное удаление красителя из воды

Чтобы оценить очищающую способность нового материала, исследователи провели пакетные эксперименты, в которых небольшие количества нанокомпозита встряхивали с растворами малахитового зелёного при разных условиях. Выяснилось, что эффективность сильно зависит от кислотности воды: в кислой среде удаление было скромным, тогда как при слегка щелочном pH около 8 оно превысило 95 процентов — в этих условиях поверхность материала несёт отрицательный заряд, притягивая положительно заряженные молекулы красителя. Что примечательно, в оптимальных условиях — pH 8, всего 0,005 г адсорбента на 10 мл раствора и комнатная температура — система достигала равновесия примерно за 10 минут, обеспечивая адсорбционную емкость около 39 мг красителя на грамм материала. Это сопоставимо или лучше многих традиционных адсорбентов, но при гораздо более быстрой очистке.

Как краситель прилипает к поверхности нанотрубок

Подгонка экспериментальных данных под стандартные математические модели адсорбции позволила авторам сделать вывод, что малахитовый зелёный преимущественно образует однослойное покрытие на относительно однородной поверхности, что хорошо описывается моделью Лэнгмюра. В то же время другие модели, учитывающие разнообразие сил связывания и многослойную адсорбцию, также хорошо соответствовали данным, указывая на сочетание физических и химических взаимодействий. Лучшая кинетическая модель показала, что связывание — это не просто соударение молекул с поверхностью, а включает более сильные взаимодействия, такие как электростатическое притяжение между противоположно заряженными частицами и специфическое взаимодействие с функциональными группами поверхности. Микроскопические и инфракрасные измерения до и после поглощения красителя дополнительно подтвердили картину, в которой молекулы красителя группируются на внешних поверхностях и внутри пор, не меняя при этом основную кристаллическую структуру.

Восстановление и перспективы для чистой промышленности

Для любой технологии очистки воды важна возможность многократного использования очистителя. Исследователи показали, что нанокомпозит можно регенерировать промывкой простым раствором гидроксида натрия и использовать как минимум пять раз с почти нулевой потерей эффективности. В целом работа демонстрирует, что тщательно сконструированное сочетание диоксида титана и функционализованных углеродных нанотрубок может служить быстрым, прочным и перерабатываемым «губчатым» адсорбентом для красителей. Хотя испытания проводили в упрощённых лабораторных растворах, а не в настоящих заводских стоках, результаты указывают на перспективный путь к компактным установкам очистки, способным быстро удалять вредные красители, такие как малахитовый зелёный, из сточных вод до их попадания в окружающую среду.

Цитирование: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Ключевые слова: очистка сточных вод, малахитовый зелёный, адсорбент-нанокомпозит, диоксид титана, углеродные нанотрубки