Зеленый синтез аморфных Ce‑MOF как эффективных адсорбентов для удаления офлоксацина

Почему важно очищать воду от лекарственных загрязнений

Следы антибиотиков теперь регулярно обнаруживают в реках, озёрах и даже питьевой воде — в основном потому, что лекарства, принимаемые людьми и животными, не полностью разлагаются в организме. Один из широко используемых препаратов, антибиотик офлоксацин, может сохраняться в окружающей среде, потенциально вредя водной фауне и способствуя развитию устойчивости к антибиотикам. В этом исследовании предлагается новый, экологически дружественный материал, который эффективно удаляет офлоксацин из воды и при этом проще и «зеленее» в производстве, чем многие существующие варианты.

Создание крошечных губок из металла и органики

Материалы, лежащие в основе работы, называют металло‑органическими каркасами, или MOF. Они устроены как каркасы из металлических атомов, связанных органическими молекулами, что создаёт огромную внутреннюю поверхность и крошечные поры, в которых могут задерживаться загрязнители. Традиционно MOF получают в виде упорядоченных кристаллов с использованием органических растворителей и нагрева. Здесь исследователи сосредоточились на «аморфных» MOF на основе церия — структурах, лишённых дальнего порядка, но сохраняющих основные металло‑органические связи. Аморфные варианты проще масштабировать, они могут быть более механически прочными и богаты дефектными участками, служащими дополнительными «стыковочными» местами для загрязнителей.

Зелёный рецепт, использующий только воду

Для получения этих аморфных цериевых MOF команда разработала метод при комнатной температуре, в котором вода выступает единственным растворителем как для синтеза, так и для активации материала. Они смешивали соль церия с органическим звеном в воде, содержащей соль, способствующую формированию каркаса. Регулируя обращение с нерастворившимся звеном и выбирая жидкости для промывки, им удалось получить несколько вариантов с разными размерами пор и удельными поверхностями. Один важный приём заключался в фильтрации частиц звена, не растворившихся, чтобы они не забивали поры. Исследования методом рентгеновской дифракции и инфракрасной спектроскопии подтвердили, что продукты действительно аморфны, но при этом сохраняют основные химические строительные блоки, присущие их кристаллическим аналогам.

Насколько хорошо новые губки улавливают офлоксацин

Затем исследователи проверили каждую аморфную MOF как адсорбент — материал, захватывающий молекулы из воды, — используя офлоксацин в качестве модельного загрязнителя. Измерения адсорбции азота показали, что частицы обладают мезопорами — порами достаточно большими, чтобы молекулы офлоксацина могли проникать и перемещаться внутри. Среди разных образцов лучшее соотношение размеров пор и площади поверхности показал образец, обозначенный Ce‑MOF‑A‑2. В благоприятных условиях, близких к комнатной температуре и при pH, близком к нейтральному, он адсорбировал офлоксацин с экспериментальной емкостью около 139 мг на грамм материала. Анализ кинетики и силы связывания показал, что формируется однородный слой молекул на поверхности и внутри пор, а процесс в основном контролируется химическими взаимодействиями, а не простым физическим захватом. Примечательно, что максимальная емкость, рассчитанная по данным, слегка превосходила аналогичный кристаллический MOF и была более чем вдвое выше, чем у стандартного эталона — активированного угля.

Что контролирует захват и освобождение

Чтобы смоделировать реальные условия сточных вод, команда изучила влияние pH, растворённых солей и температуры на работу материала. Лучшие результаты наблюдались при нейтральном pH, когда офлоксацин существует в частично заряженной форме, а поверхность MOF несёт лёгкий отрицательный заряд. В этих условиях действуют несколько сил одновременно: слабое электростатическое притяжение, водородные связи, π‑стэкинг между кольцевыми фрагментами препарата и органической рамой, а также простое заполнение пор. Добавление обычной соли усиливало удаление за счёт снижения сродства офлоксацина к воде, подталкивая его к MOF. Повышение температуры также увеличивало поглощение, что указывает на благоприятность процесса адсорбции при дополнительной тепловой энергии. Материал можно было многократно использовать после промывки, с некоторой потерей ёмкости из‑за молекул препарата, остававшихся застрявшими в порах, но его общая структура и термическая стабильность в основном сохранялись.

Что это значит для более безопасной воды

Проще говоря, исследование показывает, что можно получить высокоэффективные «молекулярные губки» для удаления антибиотиков с помощью простого процесса на воде при комнатной температуре. Лучший аморфный цериевый MOF поглощал больше офлоксацина, чем многие кристаллические MOF, и значительно больше, чем активированный уголь, при этом оставаясь стабильным и частично пригодным для повторного использования. Поскольку метод основан на безвредных компонентах и избегает жёстких условий, он указывает путь к недорогому производству продвинутых фильтров, которые можно упаковать в колонны или картриджи для очистки. При масштабировании такие созданные «зелёным» аморфные MOF могут стать мощным инструментом для предотвращения попадания фармацевтических остатков в воду, от которой зависят мы и другие живые существа.

Цитирование: Molavi, H., Saeedi, S. & Ghorbani, A. Green synthesis of amorphous Ce-MOFs as efficient adsorbents towards Ofloxacin antibiotics. Sci Rep 16, 11322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42188-6

Ключевые слова: очищение воды, удаление антибиотиков, металло‑органические каркасы, зеленый синтез, офлоксацин