Приготовление тернарного гибридного аэрогеля целлюлоза/оксид цинка/оксид графена для фоторазрушения анионного красителя из водной среды

Очистка грязной воды с помощью супер-губки

Многие повседневные изделия, от одежды до бумаги, используют яркие красители, которые могут оставлять стойкое загрязнение в воде. В этом исследовании описывается новый вид ультралегкой «супер‑губки», сделанной из растительной целлюлозы, оксида цинка и оксида графена, которая способна извлекать из воды распространённый токсичный краситель метиловый оранжевый и затем разрушать его под действием ультрафиолетового света. Поскольку губка представляет собой твёрдое трёхмерное тело, её можно вынимать простыми инструментами и использовать повторно несколько раз, что делает этот подход практичным для очистки водоёмов.

Почему цветные сточные воды — проблема

Промышленные сточные воды, особенно от красильных и текстильных предприятий, часто содержат ярко окрашенные молекулы, которые трудно уничтожить. Метиловый оранжевый — один из таких красителей: он широко используется, обладает высокой стабильностью и связан с рисками для здоровья, такими как раздражение и возможное генетическое поражение. Попав в реки, он может блокировать солнечный свет, стимулировать цветение водорослей и снижать уровень кислорода для рыб и других водных организмов. Традиционные методы очистки — физические фильтры, химическая обработка или микробы — нередко лишь перераспределяют краситель или частично изменяют его, вместо полного разложения до безвредных компонентов.

Новый тип светоуправляемой губки

Исследователи создали трёхкомпонентный аэрогель — очень лёгкое и пористое твёрдое тело, напоминающее застывшую губку из воздуха. Его «скелет» составлен из целлюлозы, возобновляемого растительного материала, который прочен, биоразлагаем и легко формируется в трёхмерную сеть. Внутри этой сети они внедрили частицы оксида цинка, известные своей активностью под УФ‑светом, и тонкие листы оксида графена, которые проводят заряды и обеспечивают большую поверхность для реакций. Путём сублимационной сушки их смеси получили кубоподобный материал, полный крошечных взаимосвязанных пор, по которым вода и молекулы красителя могут проходить и взаимодействовать с активными компонентами.

Как супер-губка разрушает краситель

Когда вода с загрязняющим красителем контактирует с этим аэрогелем и подвергается ультрафиолету, запускается цепочка событий. Частицы оксида цинка поглощают свет и генерируют энергичные заряды. Листы оксида графена служат «автомагистралями» для этих зарядов, помогая удерживать их разъединёнными, чтобы они не рекомбинировали. Такое разделение позволяет зарядам взаимодействовать с кислородом и водой у поверхности аэрогеля, образуя агрессивные короткоживущие частицы, обычно называемые радикалами. Эти радикалы атакуют молекулы метилового оранжевого, расщепляя их на более мелкие, безвредные фрагменты, такие как углекислый газ, вода и простые минеральные ионы. Целлюлозный каркас в основном обеспечивает структуру и удобство обращения, но его поры также помогают улавливать молекулы красителя рядом с местами формирования радикалов.

Поиск оптимальных условий работы

Команда тщательно проверила эффективность аэрогеля в различных условиях. Они варьировали количество губки, кислотность воды, начальную концентрацию красителя, яркость УФ‑лампы, температуру воды и время облучения. Лучшие результаты наблюдались в слегка тёплой, кислой среде: около 35 градусов Цельсия, pH ≈ 3, умеренная концентрация красителя и интенсивный источник ультрафиолета. При таких условиях аэрогель удалял примерно 99 процентов метилового оранжевого. Важно, что твёрдый кусок можно было вытащить простыми пинцетами, промыть дистиллированной водой и использовать повторно. После пяти циклов очистки он сохранял почти всю свою способность разрушать краситель.

Что это значит для более чистой воды

Для неспециалиста главное: авторы объединили растительный каркас с продуманными наноматериалами, создав многоразовую, удобную в обращении губку, которая не только захватывает опасный краситель, но и действительно разрушает его под действием света. Подбором внутренней структуры и сочетанием целлюлозы с оксидом цинка и оксидом графена они значительно увеличили площадь поверхности губки и её способность генерировать реактивные частицы, разрушающие молекулы красителя. Хотя в работе акцент сделан на метиловом оранжевом в лабораторных условиях, ту же концепцию можно адаптировать для других красителей и загрязнителей, что делает её перспективным и устойчивым инструментом для очистки промышленных сточных вод и защиты водных ресурсов.

Цитирование: Hasanpour, M., Hatami, M. & Jing, D. Preparation of cellulose/zinc oxide/graphene oxide ternary hybrid aerogel to photodestruction of anionic dye from aqueous environment. Sci Rep 16, 10676 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43089-4

Ключевые слова: очистка сточных вод, фотокаталитический аэрогель, оксид графена, оксид цинка, разрушение красителей