Улучшение и оптимизация для эффективного удаления ионов никеля модифицированным активированным углём

Почему важно очищать воду от металлов

Никель широко используется при производстве аккумуляторов, электроники и блестящих металлических покрытий — но когда он попадает в реки и подземные воды, он превращается в долгоживущий токсин. Он может повреждать органы, нарушать ДНК и накапливаться в рыбе и сельхозпродуктах, которые затем идут в пищу людям. Многим заводам трудно эффективно и дешёво удалять растворённый никель из сточных вод. В этом исследовании рассматривается недорогой и многократно используемый фильтрующий материал из активированного угля, специально обработанный для более надёжного захвата ионов никеля — практический способ защитить питьевую воду и окружающую среду.

Как превратить обычный уголь в более умную губку

Исследователи начали с коммерческого активированного угля — пористой древесной углеродной материи, уже применяемой во многих фильтрах. Обработав его смесью, известной как фентоновский раствор — перекисью водорода и солями железа в кислой среде — они протравили и окислили поверхность. Этот процесс сформировал то, что они назвали модифицированным активированным углём (MAC), с увеличенной внутренней площадью поверхности и большим числом кислородсодержащих химических групп. Эти группы действуют как крошечные крючки, которые могут схватывать растворённые ионы металлов. Испытания с использованием инфракрасной спектроскопии, адсорбции газов и электронной микроскопии подтвердили, что новый материал приобрёл высокопористую, губкообразную структуру с наномасштабными особенностями и множеством реактивных участков.

Поиск лучшей рецептуры для захвата никеля

Наличие хорошего материала само по себе недостаточно — важно, как он применяется в воде. Команда систематически варьировала четыре ключевых параметра: время контакта воды с MAC, кислотность (pH), количество MAC и концентрацию никеля. С помощью статистического подхода, называемого методом поверхности отклика, они провели 54 специально подобранных эксперимента и построили математическую модель, предсказывающую, сколько никеля можно удалить при любой комбинации этих условий. Модель очень хорошо согласовалась с измерениями и показала, что количество MAC на литр воды является наиболее важным фактором, за ним следует начальная концентрация никеля. Наилучшие условия оказались сильно кислотными (pH 1), время контакта 150 минут, относительно небольшая доза MAC — 0,2 г/л, и концентрация никеля 125 мг/л.

Как никель удерживается внутри фильтра

Чтобы понять происходящее на микроскопическом уровне, исследователи отслеживали скорость захвата никеля и его распределение по поверхности MAC. Временные данные соответствовали кинетической модели, указывающей на «хемосорбцию», то есть образование более прочных и специфичных связей никеля, а не просто слабого физического притяжения. Эксперименты в состоянии равновесия показали, что поведение согласуется с формированием преимущественно однослойного покрытия никеля на множестве различных участков внутри пор. Третий анализ предположил, что связь включает ионообменные и электростатические взаимодействия, при которых ионы никеля меняются местами с другими заряженными видами на поверхности угля. В совокупности эти результаты дают картину высокоструктурированного, химического «запирания» никеля, а не простого случайного прилипания.

Повторное использование фильтра и оценка затрат

Любая реальная очистка должна быть доступной и многократно используемой. Команда многократно проводила циклы захвата никеля и промывки кислотой в течение пяти циклов. Хотя эффективность немного снижалась, материал по-прежнему удалял большую часть никеля после нескольких использований, сохраняя примерно 85% от начальной ёмкости. Простая оценка затрат, основанная на местных ценах на уголь и химикаты и электроэнергию для перемешивания, показала, что производство одного килограмма MAC обходится меньше чем в один доллар США — дешевле многих коммерческих активированных углей. Низкая стоимость в сочетании с высокой эффективностью делает его привлекательным для крупных очистных сооружений.

Что это значит для безопасной воды

Проще говоря, исследование показывает, что недорогая модифицированная форма угля способна многократно извлекать большие количества токсичного никеля из воды с помощью простых операций. Подбирая такие параметры, как кислотность, время контакта и количество материала, инженеры могут достигать очень высокого уровня удаления, используя сравнительно небольшие количества MAC. Поскольку материал дешёв, устойчив в агрессивных кислых потоках и поддаётся регенерации, он представляет собой привлекательный вариант для заводов и муниципалитетов, стремящихся сократить загрязнение тяжёлыми металлами до того, как оно попадёт в реки, почву и пищевую цепочку.

Цитирование: Abdel-Moniem, S.M., Mohammed, R., Ibrahim, H.S. et al. Enhancing and optimization for efficient removal of nickel ions by modified activated carbon. Sci Rep 16, 12700 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46490-1

Ключевые слова: удаление никеля, активированный уголь, очистка сточных вод, тяжёлые металлы, очистка воды