Подготовка адсорбента из лигнина, полученного из зерна спиртового производства, и хитозана для улучшения очистки сточных вод винокурен

Превращение отходов пивоварен в инструмент для очистки воды

Каждый бокал алкоголя оставляет после себя неожиданный след: горы сырых зерновых отходов и резервуары с загрязнёнными сточными водами. Оба вида отходов дорого обходятся в утилизации и могут нанести вред рекам и озёрам при ненадлежащей обработке. В этом исследовании рассматривается элегантная идея — использование одних отходов для очистки других. Превратив оставшиеся после производства зерновые отходы в многократно используемый материал, способный вылавливать загрязнители из сточных вод винокурен, авторы демонстрируют путь к более чистой воде и более замкнутой, менее расточительной отрасли.

От оставшегося зерна к полезному материалу

При производстве алкоголя из зерновых, например пшеницы, после ферментации остаются большие объёмы влажного зерна. Эти дистилляционные зерновые отходы богаты лигнином — прочным растительным компонентом, который обладает природной способностью связывать различные молекулы. Проблема в том, что сырой лигнин трудно использовать в водной среде. Исследователи решили эту проблему, аккуратно выделив лигнин из пшеничных отходов с помощью регенерируемой кислоты и затем сочетая его с хитозаном — биоразлагаемым веществом, часто получаемым из панцирей моллюсков. Хитозан обеспечивает положительно заряженные участки, притягивающие анионные загрязнители, а лигнин выступает в роли каркаса с богатыми реакционноспособными группами для улавливания других загрязнений.

Создание более эффективного губчатого адсорбента

С помощью серии химических этапов исследователи связали лигнин и хитозан в единый композитный адсорбент — твёрдый материал, действующий как губка для растворённых загрязнителей. Микроскопические изображения показали, что новый материал обладает шероховатой, складчатой поверхностью, пронизанной порами, в отличие от относительно гладкого лигнина и растрескавшегося хитозана, из которых он получен. Другие тесты подтвердили, что композит содержит смесь полезных химических групп, включая кислород-, азот- и серосодержащие участки, способные притягивать как положительно, так и отрицательно заряженные вещества. Такое сочетание превращает частицы в универсальные «платформы для стыковки», на которые могут прикрепляться самые разные нежелательные молекулы в воде.

Очистка сточных вод винокурен

Затем команда проверила, насколько хорошо адсорбент лигнин–хитозан очищает реальные сточные воды винокурен. Они сосредоточились на четырёх стандартных показателях качества воды: общая органическая нагрузка (химическое потребление кислорода, ХПК), общий фосфор, общий азот и аммоний. При оптимизированных условиях — примерно два грамма адсорбента на литр, нейтральный pH и чуть более двух часов контакта — материал удалял примерно 90 процентов органической нагрузки и фосфора и более 80 процентов азота и аммония. Процесс следовал модели образования тонкого упорядоченного слоя загрязнителей на поверхности адсорбента, а расчёты показали, что взаимодействия в основном химические и более благоприятны при повышенных температурах.

Механизмы захвата загрязнителей

Детальный анализ поверхности в сочетании с экспериментами при разных температурах и концентрациях загрязнителей показал, что производительность адсорбента нельзя объяснить одним механизмом. Вместо этого несколько сил действуют совместно. Отрицательно заряженные фосфорные соединения притягиваются положительно заряженными азотными группами хитозана и серосодержащими участками, образуя устойчивые комплексы. Аммоний и другие азотсодержащие формы взаимодействуют через обмен зарядами и водородные связи. Многие органические молекулы притягиваются к регионам, богатым лигнином, за счёт гидрофобных взаимодействий и проникают в поры материала. Даже при присутствии других обычных ионов адсорбент по-прежнему удаляет большинство ключевых загрязнителей, а после пяти циклов использования с регенерацией сохраняет более 80 процентов исходной способности к очистке.

Более экологичный вариант для чистой воды

Проще говоря, исследование показывает, что то, что раньше считалось проблемным отходом — дистилляционные зерновые — можно превратить в эффективное и относительно недорогое средство для очистки сточных вод винокурен. Сочетая растительный лигнин с хитозаном и вводя серосодержащие модификации, авторы создали прочный материал, который одновременно захватывает несколько типов загрязнителей и может использоваться многократно. По сравнению со многими коммерческими решениями он работает хорошо, относительно недорог и опирается на возобновляемые или полученные из отходов ингредиенты. В случае масштабирования такой подход может помочь винокурням сократить экологический след, превращая собственные остатки в практичный инструмент для защиты рек, озёр и грунтовых вод.

Цитирование: Wang, Y., Wang, H. & Liu, J. Preparation of a distillers’ grains derived lignin-chitosan adsorbent for enhanced distillery wastewater treatment. Sci Rep 16, 14499 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44058-7

Ключевые слова: сточные воды винокурен, адсорбент лигнин-хитозан, промышленная очистка воды, восстановление отходов, удаление питательных веществ