Инновационная гидроксиапатитовая матрица, модифицированная бензоатом натрия, для улучшенного удаления красителей: комбинированный экспериментально-теоретический подход

Удаление цвета из загрязнённой воды

По всему миру яркие промышленные красители, делающие одежду, лекарства и косметику привлекательными, тихо окрашивают реки и озёра. Многие из этих красителей мало разлагаются и могут вредить рыбе, экосистемам и даже здоровью людей. В этой работе рассматривается новый недорогой материал, вдохновлённый костным минералом, который эффективно извлекает распространённый синий краситель из воды, указывая на более простые варианты очистки стоков, загрязнённых красителями.

Идеи, заимствованные у костей

Основным компонентом исследования является гидроксиапатит — минерал, составляющий значительную часть наших костей и зубов. Благодаря высокому содержанию кальция и фосфатов и широкому использованию в медицине он считается безопасным, дешёвым и лёгким в производстве. Учёные недавно обнаружили, что этот минерал может также выступать в роли миниатюрной губки для многих загрязнителей в воде, особенно для металлов и некоторых органических веществ. Однако его естественная поверхность не идеальна для захвата стойких молекул красителей, поэтому команда искала способ «апгрейда», не теряя при этом низкой стоимости и экологичности.

Нанесение «умного» покрытия на минерал

Исследователи модифицировали гидроксиапатит присоединением бензоата натрия — простого и недорогого соединения, часто используемого как пищевая консервант. Они смешивали строительные блоки минерала с разным содержанием бензоата натрия (5%, 10% и 15% по массе) в процессе синтеза, чтобы органические группы стали частью поверхности. Набор аналитических методов — рентгеновская дифракция, инфракрасная спектроскопия, электронная микроскопия и термический анализ — показал, что костная кристаллическая структура сохранилась, тогда как поверхность стала более пористой, упорядоченной и термостойкой. Иными словами, минерал сохранил прочный «скелет», но приобрёл активную «кожицу», богатую отрицательно заряженными группами, которые могут притягивать положительно заряженные молекулы красителя.

Испытание нового материала в деле

Для оценки эффективности команда сосредоточилась на метиленовом синем — широко используемом синем красителе, известном своей стойкостью и потенциальным риском для здоровья. Они перемешивали модифицированные и немодифицированные порошки в растворах красителя при контролируемых условиях и отслеживали, сколько цвета исчезает из воды. Лучший материал с 15% бензоата натрия удалял примерно 90% красителя и удерживал примерно на две трети больше красителя на грамм, чем обычный гидроксиапатит. Испытания при разных значениях pH показали, что покрытие бензоатом натрия делает поверхности частиц более отрицательно заряженными при типичных условиях обработки, что сильно притягивает положительно заряженный краситель. Эксперименты во времени показали, что большая часть удаления происходит в первые 20 минут и соответствует поведению, характерному для контролируемого, химически обусловленного связывания, а не для слабого обратимого прилипания.

Заглядывая во взаимоотношения на молекулярном уровне

Чтобы понять, почему покрытие работает так хорошо, исследователи использовали современные расчёты на основе квантовой химии. Эти моделирования изучали распределение электронов в молекуле бензоата натрия и её положение на поверхности гидроксиапатита. Результаты указывают на то, что карбоксилатная часть бензоата натрия образует сильные, но не разрушающие взаимодействия с кальциевыми узлами минерала. Такое «якорение» создаёт стабильные отрицательные участки и ароматические кольца, которые в комплексе способствуют сильному электростатическому притяжению и взаимодействиям типа π-στэкинга с молекулами метиленового синего. Теоретические модели поглощения красителя согласуются с экспериментами и предполагают, что молекулы красителя образуют упорядоченный однослой на модифицированной поверхности, а не накапливаются беспорядочно.

К более чистой воде с помощью простых порошков

Проще говоря, исследование показывает, что нанесение тонкого «консервирующего» покрытия на костеподобный минерал превращает его в мощную цветовую губку: он быстро извлекает молекулы красителя из воды, прочно удерживает их в однослойной структуре на своей поверхности и остаётся стабильным при нагревании и в щелочной среде. Поскольку оба компонента — гидроксиапатит и бензоат натрия — недорогоны и уже считаются безопасными, этот подход может быть масштабирован для очистки стоков, содержащих красители из текстильной, фармацевтической и других отраслей, способствуя возвращению более чистой и безопасной воды в реки и озёра.

Цитирование: Boukra, A., Boukra, O., Latifi, S. et al. Innovative sodium benzoate-modified hydroxyapatite for enhanced dye removal using a combined experimental and DFT approach. Sci Rep 16, 9870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39075-5

Ключевые слова: очистка сточных вод, адсорбция красителей, гидроксиапатит, метиленовый синий, бензоат натрия