Высокопроизводительная адсорбция сульфаметоксазола и фенола с использованием углерода, похожего на графен, полученного из глюкозы

Почему важно удалять мелкие загрязнители

Многие лекарства и промышленные химикаты, которые помогают нам в повседневной жизни, могут незаметно повреждать реки, озёра и даже питьевую воду, когда они не полностью удаляются на очистных сооружениях. В этом исследовании рассматриваются два таких проблемных вещества — антибиотик сульфаметоксазол и простое химическое соединение фенол — и показано, как новый недорогой углеродный материал из простой сахара (глюкозы) может эффективно извлекать эти загрязнители из воды.

Повседневные химикаты, которые задерживаются в воде

Сульфаметоксазол — распространённый антибиотик, применяемый для лечения инфекций у людей и животных. Поскольку организм не полностью разлагает его, значительная часть выводится с фекалиями и попадает в сточные воды. Очистные сооружения не предназначены специально для таких лекарств, поэтому они могут просачиваться в реки, грунтовые воды и даже питьевую воду. Со временем это постоянное, хоть и низкоуровневое воздействие способно способствовать появлению у опасных бактерий устойчивости к антибиотикам. Фенол широко используется в отраслях, таких как производство пластмасс, смол и нефтепереработка, и известен своей токсичностью и потенциальной канцерогенностью. Даже при очень низких концентрациях фенол может вредить водной жизни и представлять риск для здоровья человека, поэтому регуляторы строго ограничивают его содержание в питьевой воде.

Губкообразный углерод из сахара

Исследователи создали материал, называемый углеродом, похожим на графен, или GLC-900, начав с обычной глюкозы. Они нагревали глюкозу вместе с двумя вспомогательными веществами: одним, который формирует поры в углероде, и другим, который направляет образование тонких слоистых графитоподобных пластин. При нагреве до 900 °C в бескислородной среде и последующем промывании металла они получили чёрное, пористое вещество, заполненное мелкими связанными порами. Тщательные измерения показали, что этот материал имеет чрезвычайно большую внутреннюю поверхность — примерно 935 квадратных метров на грамм, что по площади сопоставимо с несколькими баскетбольными кортами, уложенными в одну чайную ложку порошка. Сочетание тонких слоёв и обилия пор делает GLC-900 похожим на мощную губку для растворённых загрязнителей.

Насколько хорошо новый углерод очищает воду

Чтобы проверить эффективность GLC-900, команда смешала небольшое количество материала с водой, содержащей либо сульфаметоксазол, либо фенол в реалистичных уровнях загрязнения. Примерно через час концентрации обоих веществ резко снизились, что указывает на захват загрязнителей на поверхности углерода. При увеличении исходной концентрации материал по-прежнему показывал высокую эффективность. Математические модели адсорбции, описывающие прилипание молекул к поверхности, указывали на то, что на углероде образуется однородный однослой адсорбированных молекул до заполнения доступных сайтов, а максимально достижимые ёмкости были очень высоки: примерно 289 миллиграммов сульфаметоксазола и 232 миллиграмма фенола на грамм адсорбента. Эти показатели в целом лучше, чем у многих коммерческих активированных углей и биоуглей, что означает, что для очистки того же объёма воды требуется меньше материала.

Что происходит на микроскопическом уровне

Изображения в микроскопе и анализ поверхности помогли объяснить, почему GLC-900 работает так хорошо. Материал состоит из смятых, взаимосвязанных пластин, формирующих трёхмерный лабиринт пор, которые вода и загрязнители могут легко пронизывать. Химические тесты показали, что загрязнители удерживаются в основном слабыми, непостоянными силами — похоже на то, как вода прилипает к стеклу, а не образует новое соединение. К ним относятся водородные связи между загрязнителями и кислородсодержащими группами на углероде, «стэкинговые» взаимодействия между кольцевыми структурами молекул и плоскими углеродными слоями, а также тенденция маслянистых молекул покидать воду и прилипать к менее водным поверхностям (гидрофобные эффекты). Процесс является энергетически выгодным и даже работает лучше при слегка повышенных температурах, что согласуется с физической природой адсорбции.

Реальные условия и повторное использование

Команда также изучила поведение материала в более реалистичных условиях. Природное органическое вещество, представленное здесь гуминовой кислотой — бурым материалом, окрашивающим некоторые поверхностные воды — конкурировало с целевыми загрязнителями за места на углероде и снижало эффективность, что является общей проблемой для большинства адсорбентов. С другой стороны, обычные растворённые соли почти не влияли на работу. После промывки использованный углерод этанолом его можно было использовать повторно в нескольких циклах очистки, при этом в начальных циклах он по-прежнему удалял более 90 процентов загрязнителей. Авторы оценили, что производство этого углерода из сахара будет стоить в расчёте на килограмм дешевле, чем многие высококачественные активированные угли, при этом исключается использование нефтяного сырья и образование вредных побочных продуктов.

Что это значит для более безопасной воды

Проще говоря, работа показывает, что недорогой углерод на основе сахара с губкообразной структурой может быстро и надёжно захватывать как антибиотик, так и промышленный химикат из воды. Благодаря эффективности, возможности повторного использования и относительно невысокой стоимости производства GLC-900 может стать практическим инструментом для очистки сточных вод из больниц, ферм и заводов до того, как они попадут в реки и источники питьевой воды. Хотя необходимы дополнительные исследования для испытаний в системах с непрерывным потоком и с смесями множества загрязнителей, это исследование указывает на будущее, в котором повседневные материалы, такие как сахар, могут превратиться в мощные фильтры, помогающие сохранять воду чище и экосистемы — здоровее.

Цитирование: Lingamdinne, L.P., Angaru, G.K.R., Shrestha, B. et al. High-performance adsorption of sulfamethoxazole and phenol using graphene-like carbon derived from glucose. Sci Rep 16, 7794 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39165-4

Ключевые слова: очистка воды, загрязнение антибиотиками, удаление фенола, углерод, похожий на графен, очистка сточных вод