Синергетическое удаление красителей с помощью куркумин-функционализированного цеолита MCM-22 в виде фотокаталитического нано-композита методом одновременной фотокатализа и адсорбции

Преобразование ярких красителей в чистую воду

Яркие синтетические красители делают одежду насыщенной, а продукты — заметными, но после стирки они попадают в сточные воды и могут сохраняться в реках и озёрах годами. В этом исследовании изучается новый материал, который борется с этими устойчивыми загрязнителями с помощью света и тонкой химии. Объединив распространённый белый пигмент (диоксид титана), пористый минерал (цеолит), растительное соединение из куркумы (куркумин) и редкоземельный элемент церий, авторы создали крошечную «губку для очистки воды», способную с высокой эффективностью удалять синий краситель из воды при видимом освещении.

Новый подход к очистке окрашенных сточных вод

Многие фабрики по производству текстиля, чернил и пластмасс создают сточные воды, содержащие стойкие красители, такие как метиленовый синий. Традиционные методы очистки — фильтрация, добавление химикатов или биологическая обработка — часто плохо справляются с такими молекулами или становятся дорогими и сложными в обслуживании. Команда поставила цель создать материал с двойной функцией: сначала захватывать молекулы красителя на поверхности (адсорбция), а затем разрушать их с помощью световой химии (фотокатализ). Они стремились к системе, работающей при обычном видимом свете, а не только в ультрафиолетовой части солнечного спектра, на которой обычно работает диоксид титана.

Создание крошечного многослойного очистителя

В основе конструкции лежит MCM-22 — тип цеолита, кристаллического пористого минерала с наномасштабными порами. Исследователи сначала синтезировали этот пористый каркас, затем извлекли куркумин из куркумы с помощью этанола. Они химически присоединили молекулы куркумина к поверхности цеолита, сформировав тонкий органический слой, способный связывать ионы металлов. Далее ввели бутоксид титана и соль церия так, что внутри и на пластинах цеолита образовались и равномерно распределились чрезвычайно мелкие частицы диоксида титана и церия. Микроскопия и спектроскопические исследования подтвердили хорошее распределение частиц, их прочное прикрепление и наличие органического слоя куркумина, взаимодействующего с металлами.

Как свет и структура работают вместе

Синтезированный материал спроектирован так, чтобы каждая составляющая играла определённую роль. Цеолит обеспечивает стабильный каркас и большие поры, через которые молекулы красителя достигают активных центров. Куркумин способствует притяжению молекул красителя к поверхности и действует как «антенна» для света, поглощая видимый свет и передавая энергию или электроны диоксиду титана. Частицы церия расширяют поглощение света в видимом диапазоне и служат временными «парковочными местами» для электронов, замедляя их нежелательное рекомбинирование с положительными зарядами. Измерения показали, что по сравнению с чистым диоксидом титана композит сильнее поглощает видимый свет и имеет меньшую эффективную ширину запрещённой зоны, то есть может активироваться большей частью солнечного спектра. Одновременно сигнал люминесценции снижается, что указывает на более длительное разделение носителей заряда — именно то, что необходимо для эффективного разрушения загрязнителей.

От загрязнённого красителя к почти чистой воде

Чтобы оценить эффективность, исследователи поместили композит в перемешиваемый реактор с разбавленным раствором метиленового синего и освещали его видимым светом от ксеноновых ламп. Они варьировали ключевые параметры, такие как количество церия, pH воды, концентрация красителя и количество фотокатализатора. При оптимальных условиях — умеренной загрузке церия около 9 мас.% , щёлочном pH и достаточном количестве катализатора — комбинированный процесс адсорбции и фотокатализа удалил около 96% красителя за два часа. Для сравнения, использование того же материала только в качестве фотокатализатора или только как адсорбента давало всего 11% и 32% удаления соответственно. Анализ кинетики показал, что процесс соответствует кинетике первого порядка, где скорость зависит от оставшейся в растворе концентрации красителя.

Долговечность и практический потенциал

Чтобы материал был практичным, он должен выдерживать многократное использование без значительной потери эффективности. Команда провела пять циклов деградации красителя одним и тем же образцом композита, тщательно промывая и повторно используя его каждый раз. После этих циклов активность упала лишь незначительно — примерно на 8 процентных пунктов — что свидетельствует о хорошей стабильности. В целом исследование демонстрирует, что разумное сочетание природной молекулы из куркумы с инженерными минералами и металлами может создать мощный, многоразовый очиститель окрашенных сточных вод. Для неспециалиста главный вывод прост: проектирование умных светочувствительных материалов на наномасштабе может позволить превращать некоторые из самых стойких загрязнителей воды в безвредные фрагменты, используя распространённые ингредиенты и видимый свет.

Цитирование: Shadi, E., Amirinejad, M., Derakhshan, A.A. et al. Synergistic dye removal through curcumin functionalized MCM-22 zeolite as a photocatalyst nanocomposite via the simultaneous photocatalysis and adsorption method. Sci Rep 16, 10226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40712-2

Ключевые слова: очистка сточных вод, фотокаталитическое удаление красителей, нанокомпозит диоксида титана, цеолитный адсорбент, функционализация куркумином