Проблемы и возможности биочара из травы Напье, полученного через сжиженный газ, для адсорбции гуминовой кислоты и анализа методом теории функционала плотности

Преобразование травы в помощника для воды

Чистая питьевая вода зависит не только от удаления микробов, но и от удаления невидимых природных соединений, которые при обработке могут превращаться в вредные химикаты. В этом исследовании рассматривается нестандартная идея: использование углеродного материала, полученного из травы Напье — распространённого кормового растения в Таиланде — для очистки университетского водоёма. Нагревая оставшиеся стебли травы до пористого углеродного материала, называемого биочаром, исследователи проверяли, может ли этот недорогой продукт захватывать проблемные природные соединения из воды и снижать образование нежелательных побочных продуктов при хлорировании.

Почему природная вода может скрывать невидимые риски

Многие озёра и реки содержат «растворённое органическое вещество» — остатки растений и почв, проникающие в воду. Важной частью этой смеси является гуминовая кислота, тёмное сложное соединение, которое придаёт потокам и прудам чайный цвет. Сама по себе гуминовая кислота не обязательно представляет серьёзную угрозу для здоровья. Проблемы начинаются, когда коммунальные службы добавляют хлор для уничтожения микроорганизмов. Хлор реагирует с гуминовой кислотой и похожими соединениями, образуя продукты дезинфекции, включая группу химикатов — тригалометаны, некоторые из которых подозреваются в повышении риска рака. В Чиангмае (Таиланд) водохранилище Анг Каев снабжает водой местный университет, что делает его удобной реальной площадкой для испытаний улучшенных методов очистки.

От сельскохозяйственной травы к пористому углероду

Трава Напье широко выращивается в Таиланде как корм для животных, но её жёсткие стебли часто остаются неиспользованными. Команда превратила эти сельскохозяйственные остатки в биочар, нагревая их до 600 °C в пилотной печи, использующей сжиженный нефтяной газ вместе с газами, выделяющимися из самой травы при сгорании. Полученный материал, обозначенный как CNP_600, представлял собой чёрное пористое твердое вещество, богатое углеродом. Микроскопические изображения показали шероховатую, губчатую поверхность, а измерения подтвердили относительно большую внутреннюю площадь поверхности, на которой могут адсорбироваться растворённые молекулы. Химические тесты выявили, что поверхность биочара несёт множество кислородсодержащих групп, таких как кислотные и спиртовые сайты, которые важны для притяжения и связывания растворённых веществ из воды.

Насколько хорошо угольная крошка очищает воду

Исследователи сначала изучили, как быстро и насколько прочно биочар захватывает гуминовую кислоту из модельных растворов. Они обнаружили, что большая часть удаления происходит в течение шести часов и что процесс следует паттерну, типичному для химического связывания, а не простого физического адсорбирования. При исследовании ёмкости при разных концентрациях результаты соответствовали модели, обычно связываемой с шероховатыми, неоднородными поверхностями. Затем команда перешла от лабораторных испытаний к реальной воде из водохранилища Анг Каев. При умеренной дозе биочара концентрация растворённого органического углерода снизилась примерно вдвое, а сигнал поглощения в ультрафиолетовой области, который отслеживает ароматические (кольцевые) молекулы, склонные давать побочные продукты, упал более чем на 70%. Комбинированный индекс SUVA снизился с 2,0 до 1,2, что указывает на уменьшение доли этих проблемных ароматических компонентов в обработанной воде.

Заглядывая в невидимую химию

Чтобы понять, почему биочар из травы Напье предпочитает захватывать гуминовую кислоту, команда использовала компьютерные моделирования на основе квантовой химии. Они создали упрощённую молекулярную модель поверхности биочара, включающую ключевые кислородсодержащие группы, и модель фрагмента гуминовой кислоты. Рассчитав распределение электрических зарядов в этих структурах, они выявили отрицательные области вокруг атомов кислорода на чаре и положительные области вокруг определённых атомов водорода. Такая картина способствует подходу молекул гуминовой кислоты и образованию водородных связей — слабых, но многочисленных притяжений — между их собственными кислородсодержащими сайтами и функциональными группами на чаре. Вычисления также показали, что несколько возможных конфигураций расположения гуминовой кислоты на поверхности биочара энергетически благоприятны, причём наиболее стабильная из них образует несколько коротких, относительно сильных водородных связей, удерживающих молекулу на месте.

Что это значит для более безопасной и доступной воды

В целом исследование показывает, что биочар из травы Напье способен существенно снизить содержание природного органического вещества в воде водохранилища, особенно ароматической фракции, наиболее склонной к образованию опасных продуктов дезинфекции. Хотя его ёмкость ниже, чем у некоторых современных коммерческих материалов, растительный биочар прост в производстве из местных сельскохозяйственных отходов и по эффективности сопоставим с традиционными этапами обработки существующей системы водоснабжения. Для сообществ, ищущих доступные способы улучшения безопасности питьевой воды, особенно в регионах с большим биомассным потенциалом и ограниченными средствами, эта работа предлагает, что тщательно подготовленный растительный биочар может служить практичным, климатически благоприятным дополнением к цепочке очистки воды.

Цитирование: Promma, D., Kaewjan, T., Induvesa, P. et al. Challenges and opportunities of Napier grass-derived biochar via liquefied gas for humic acid adsorption and DFT analysis. Sci Rep 16, 13235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43639-w

Ключевые слова: биочар, питьевая вода, гуминовая кислота, продукты дезинфекции, трава Напье