Устойчивое удаление красителя метиленового синего с помощью пористых частиц микро/микронного размера из биоматериала Zygophyllum coccineum и Calotropis procera: исследование с применением машинного обучения

Почему превращение растений в мелкие частицы помогает очищать воду

Яркие красители делают нашу одежду привлекательной, но попадая в реки и озера, они могут блокировать солнечный свет, вредить водной фауне и представлять опасность для здоровья людей. В этом исследовании рассматривается изобретательный и недорогой способ удаления распространённого синего красителя из воды с помощью порошкообразных пустынных растений. Вопрос прост и практичен: стоит ли затрачивать дополнительную энергию на измельчение растительного материала до ультра-мелких пористых частиц, если это значительно повышает эффективность очистки воды?

Пустынные растения как скрытое средство очистки

Исследователи сосредоточились на двух выносливых видах, которые растут в жаркой, солёной и малообогащённой почве: Zygophyllum coccineum и Calotropis procera. Эти растения обильно растут на маргинальных землях и уже известны содержанием натуральных соединений, взаимодействующих с металлами и органическими молекулами. Используя наземные части растений как сырьё, команда превратила фактически дикорастущую биомассу в простой фильтрующий материал — биосорбенты, способные прочно связывать метиленовый синий, широко применяемый промышленный краситель с известной токсичностью и потенциально канцерогенным действием.

От стеблей растений к пористым частицам

Сборные побеги растений были промыты, высушены и сначала измельчены в обычный микромасштабный порошок. Часть этого порошка затем подвергли высокоэнергетическому шаровому помолу — механическому процессу, который дополнительно разрушает частицы и раскрывает их внутреннюю структуру. В результате получились микронные пористые частицы с гораздо большей площадью поверхности и более крупными, доступными порами. С применением набора методов анализа материалов — микроскопии, термических тестов и измерений площади поверхности и объёма пор — команда показала, что эти мелкие пористые частицы, особенно изготовленные из Calotropis procera, имеют более шероховатую поверхность, больше полостей и большую устойчивость по сравнению с более крупными аналогами.

Насколько хорошо мелкие частицы захватывают краситель

Для оценки эффективности исследователи смешивали четыре типа порошков (микро- и микронные формы каждого растения) с водой, содержащей метиленовый синий, в контролируемых условиях. Они варьировали время контакта, количество порошка, pH и начальную концентрацию красителя. Во всех испытаниях микронные пористые частицы последовательно удаляли больше красителя и быстрее достигали равновесия. Микронный Calotropis выделялся особенно: он удалял до примерно 99,5% красителя при комнатной температуре при умеренной дозе материала. Растительные порошки несут природные химические группы — такие как гидроксилы, карбоксильные группы и ароматические кольца — которые привлекают положительно заряженные молекулы красителя за счёт сочетания электростатического притяжения, водородных связей и эффектов стекования (stacking). Поскольку микронные частицы имеют большую открытую поверхность и пористость, этих групп доступно больше, что повышает способность к захвату.

Когда алгоритмы направляют эксперименты

Помимо традиционных лабораторных тестов команда обучила модель машинного обучения XGBoost предсказывать, сколько красителя будет удалено при разных условиях. Они подали в алгоритм данные о времени контакта, дозе порошка, начальном уровне красителя и pH, а также измеренные проценты удаления. Модель настолько хорошо изучила эти зависимости, что её предсказания оказались очень близки к фактическим результатам, особенно для высокоэффективного микронного Calotropis. Анализ показал, какие настройки имеют наибольшее значение в реальной эксплуатации: наиболее сильное влияние на удаление красителя оказывали количество используемого растительного материала и pH воды, тогда как время и начальная концентрация играли важную, но второстепенную роль.

Баланс между дополнительными усилиями и чистой водой

Измельчение растительной биомассы до микронных пористых частиц действительно требует дополнительных затрат энергии и оборудования по сравнению с использованием простого растительного порошка. Это исследование показывает, что по крайней мере для удаления метиленового синего такой компромисс может быть оправдан: более тонкий, пористый материал захватывает больше красителя, работает быстрее и остаётся термически стабильным. В сочетании с инструментами машинного обучения, сокращающими метод проб и ошибок при выборе рабочих условий, этот подход предлагает план для недорогих растительных фильтров, которые можно масштабировать для очистки сточных вод. Для неспециалиста вывод ясен: выносливые пустынные растения, аккуратно обработанные до мелких пористых зёрен, могут помочь вернуть ярко-синюю загрязнённую воду к состоянию более прозрачной, используя возобновляемые материалы и разумный подход, основанный на данных.

Цитирование: Fakry, H., Salama, E., Taha, A. et al. Sustainable methylene blue dye removal via bio-derived micro/micron-sized porous particles Zygophyllum coccineum and Calotropis procera: A machine learning-assisted study. Sci Rep 16, 10984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42218-3

Ключевые слова: очистка сточных вод, метиленовый синий, биосорбент, Calotropis procera, машинное обучение