Адсорбция Pb2+ и малахитового зелёного из воды на новом нанокомпозите бентонит@перовскитовый Co-Ni оксид@биметаллические Mg/Cu МОФы и их адсорбционные и кинетические исследования

Почему важно очищать воду

Во многих сообществах по всему миру вода загрязнена токсичными металлами и промышленными красителями. Свинец повреждает мозг и почки, а яркие красители, такие как малахитовый зелёный, связаны с онкологией и генетическими нарушениями. Традиционные станции очистки часто не справляются с удалением этих загрязнителей быстро и дешево. В этом исследовании представлен новый, недорогой материал, который эффективно извлекает как свинец, так и малахитовый зелёный из воды, предлагая практичный путь для повышения безопасности питьевой воды и сточных вод.

Новый «губчатый» материал для грязной воды

Исследователи создали мелкодисперсную, высокопористую «губку», объединяя три компонента: природную глину бентонит, специальный оксид металлов из никеля и кобальта и современный класс пористых кристаллов — металлоорганических каркасов (МОФы), содержащих магний и медь. Каждый компонент даёт свои преимущества. Бентонит доступен и дешев, уже хорошо привлекает заряженные загрязнители. Никель–кобальтовый оксид добавляет химически активные металлические центры, а МОФ обеспечивает лабиринт пор и органических структур, взаимодействующих с молекулами красителя. Объединение всех трёх в одном твёрдом материале даёт нанокомпозит, рассчитанный на одновременное улавливание тяжёлых металлов и органических красителей.

Что видно внутри нового материала

Чтобы подтвердить формирование гибридной «губки», команда использовала набор методов, исследующих структуру и состав. Инфракрасная спектроскопия показала, как химические группы глины, оксида и каркаса связываются между собой, а рентгеновская дифракция продемонстрировала, что кристаллические структуры каждого компонента сохраняются и переплетаются в готовом продукте. Тесты удельной поверхности указали на большую пористую сеть с множеством каналов для движения воды и загрязнителей. Снимки электронного микроскопа выявили сложную «цветкообразную» текстуру из слоистых листов и частиц, дающую шероховатую поверхность с большой площадью. В совокупности эти наблюдения подтверждают, что три строительных блока сливаются в стабильную, доступную сеть, а не остаются отдельными порошками.

Испытание «губки» на практике

Затем учёные проверили, насколько хорошо материал удаляет ионы свинца и краситель малахитовый зелёный из воды. Они варьировали pH, время контакта, количество адсорбента и концентрацию загрязнителя. При оптимальных условиях материал поглощал до примерно 106 миллиграммов свинца на грамм вещества при нейтральном pH и около 15 миллиграммов красителя на грамм при слегка кислой среде. Впечатляет, что удаление свинца происходило очень быстро при помощи микроволнового облучения: большая часть свинца захватывалась всего за несколько секунд. Удаление красителя, проводившееся простым встряхиванием, достигало максимума примерно за 20 минут. Команда также изучила влияние конкурирующих ионов, таких как натрий, кальций и магний, и обнаружила, что хотя они несколько снижают эффективность, свинец и краситель всё же сильно поглощаются.

Как работает процесс улавливания

Анализируя изменение поглощения во времени и при разных концентрациях, авторы выяснили механизмы удаления. Результаты указывают на совмещение нескольких сил. При подходящем pH поверхность композита слегка отрицательно заряжена, что притягивает положительно заряженные ионы свинца и молекулы красителя электростатически. Химическое связывание между свинцом и металло-кислородными группами в глине и никель–кобальтовом оксиде, по-видимому, усиливает эту адсорбцию, в то время как органический каркас предоставляет дополнительные участки взаимодействия с кольцевой структурой красителя. Пористая архитектура способствует диффузии загрязнителей глубоко внутрь материала, где они могут закрепиться на внутренних поверхностях. Испытания с разными математическими моделями адсорбции поддерживают картину комбинированного физического и химического захвата на гетерогенной поверхности.

От лаборатории к реальной воде

Чтобы оценить практическое применение, команда разместила композит в небольшом колонном аппарате и пропустила через него водопроводную воду и промышленную сточную воду, подмешанные свинцом или красителем. После нескольких прогонов более 85–95 процентов обоих загрязнителей всё ещё удавалось удалять, даже после пяти циклов повторного использования. Измерения показали, что из твёрдого вещества выделяются лишь следовые количества никеля и кобальта, значительно ниже пределов, установленных санитарными нормами, что свидетельствует о стабильности материала и малой вероятности внесения новых загрязнений. Оценочная стоимость исходных материалов скромна, поскольку рецептура основана на распространённых солях, глине и недорогой органической кислоте, что делает материал привлекательным для масштабирования.

Что это значит для более безопасной воды

Говоря просто, это исследование демонстрирует компактную, многоразовую «супергубку», которая быстро захватывает как опасный металл, так и токсичный краситель из воды. За счёт продуманного сочетания природной глины с современными пористыми каркасами и оксидами металлов исследователям удалось достигнуть высокой, быстрой и относительно недорогой очистки. Хотя необходимы дальнейшие испытания в системах большого масштаба, работа указывает на новые поколения специализированных фильтрующих материалов, которые могут помочь заводам, очистным сооружениям и даже небольшим общинам эффективнее бороться со стойкими загрязнителями воды.

Цитирование: Adel, S.E., El Sayed, I.E.T., Allam, E.A. et al. Adsorption of Pb²⁺and malachite green from water onto a newly developed nanocomposite of bentonite@perovskite Co-Ni oxide@bimetallic Mg/Cu MOFs and their adsorption and kinetic studies. Sci Rep 16, 13520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42785-5

Ключевые слова: очистка воды, удаление свинца, малахитовый зелёный, нанокомпозитный адсорбент, очистка сточных вод