Композит MIL-101(Cr), собранный in situ и фукнционализированный хитозаном и таниновой кислотой, как эффективный адсорбент для удаления Pb2+ из водных растворов

Почему важно очищать воду от свинца

Свинец — скрытая угроза во многих источниках воды по всему миру. Он может просачиваться в реки и грунтовые воды из заводов, рудников и старых труб, и даже крошечные количества способны повредить мозг, сердце и почки — особенно у детей. В этом исследовании изучается новый материал, действующий как микроскопическая губка: он эффективно, надежно и многократно удаляет свинец из воды, представляя собой перспективный вариант для более безопасной питьевой воды и очищенных экосистем.

Новый тип «умной» чистящей губки

Исследователи создали гибридный материал, объединяющий компоненты из лаборатории и природные вещества. Его основа — высокопористый кристалл MIL-101(Cr), пронизанный крошечными «клетками» и туннелями, что даёт огромную внутреннюю площадь поверхности. На этот каркас нанесли два помощника растительно- и ракообразно- происхождения: хитозан, биополимер из панцирей ракообразных, и таниновую кислоту, природное соединение, богатое группами, притягивающими металлы. Совместная сборка этих компонентов прямо в воде привела к переплетенной структуре, в которой кристаллический каркас обеспечивает форму и пространство, а хитозан и таниновая кислота дают множество «липких» участков для захвата свинца.

Как изготовляют материал и как он выглядит

Для создания композита команда сначала выращивала пористые кристаллы MIL-101(Cr) в горячей воде, затем приготовила однородную смесь хитозана и таниновой кислоты. Смесь медленно соединяли с кристаллами так, чтобы биополимерное покрытие обвивало и закреплялось на частицах каркаса. Снимки в микроскопе показали, что итоговый материал состоит из исходных хорошо сформированных кристаллов, внедренных в тонкое, шероховатое покрытие из натуральных полимеров, при этом кристаллы не разрушались и не слипались. Другие тесты показали, что композит сохраняет очень большую площадь поверхности — почти девять футбольных полей на грамм — и содержит как микропоры, так и более крупные поры. Такая двойная пористость помогает воде и растворенному свинцу проникать глубоко в материал, одновременно предоставляя множество внутренних ниш для захвата.

Насколько хорошо он удаляет свинец из воды

Затем команда проверила, насколько эффективно их композит извлекает свинец из воды при разных условиях. Они обнаружили, что он может удерживать более 300 миллиграммов свинца на грамм материала и удалять около 99% свинца из тестовых растворов при слабокислой и нейтральной pH, характерной для многих природных вод. Большая часть свинца захватывается в первые несколько часов. Математические модели адсорбции лучше всего описывали данные при предположении, что свинец образует монослой на поверхности композита и что связывание включает относительно сильные, почти «ключ-в-замок» взаимодействия, а не только слабое притяжение. Процесс работал несколько лучше при более высоких температурах, что указывает на то, что небольшое подогревание помогает ионам свинца проникать внутрь пор и закрепляться там.

Работа в реалистичных, смешанных водах

Реальные сточные воды редко бывают чистыми; в них содержится множество других солей и органических веществ, которые могут конкурировать за те же сайты связывания. Исследователи поэтому вводили поочередно другие распространенные ионы и окрашенные молекулы, чтобы проверить, мешают ли они захвату свинца. Некоторые положительно заряженные металлы и красители действительно несколько снижали эффективность, конкурируя за те же отрицательно заряженные участки на поверхности материала, но даже в этих более насыщенных условиях композит по-прежнему захватывал большую часть свинца. Важно, что материал выдерживал многократную регенерацию: после насыщения свинцом его промывали в слабой кислотной ванне, чтобы освободить захваченный металл, и затем использовали снова. После шести таких циклов он по-прежнему удалял примерно 90% от первоначальной способности, а выделение хрома было очень малым, что свидетельствует о сохранении каркаса в основном целым.

Что это значит для более безопасной воды

Проще говоря, этот новый композит действует как прочная, многоразовая губка, особенно хорошая в захвате свинца в воде. Его сложная внутренняя структура предоставляет множество мест для удержания загрязнителя, а природные компоненты помогают активно притягивать и прочно связывать свинец. Благодаря сочетанию высокой ёмкости, быстрой работы и долговременной стабильности, а также потому что материал получают в воде из относительно безопасных ингредиентов, он выглядит многообещающим кандидатом для доочистки загрязненной воды на очистных сооружениях или в других инженерных системах. Хотя необходимы дальнейшие испытания на реальных сточных водах и в условиях непрерывного потока, эта работа указывает на практичные, экологичные инструменты, которые могли бы помочь сообществам снизить воздействие одного из наиболее опасных тяжёлых металлов.

Цитирование: Hemdan, M., Fayad, E., Binjawhar, D.N. et al. In situ assembled MIL-101(Cr) composite functionalized with chitosan and tannic acid as an efficient adsorbent for Pb²⁺ removal from aqueous solutions. Sci Rep 16, 9960 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45525-x

Ключевые слова: удаление свинца, очистка воды, адсорбционные материалы, металлоорганические каркасы, композиты на основе хитозана