Изотермы, кинетика и оптимизационное моделирование адсорбции ионов Cr(VI) и красителя метиленовый синий из воды аминобиочар‑гидрогелем

Превращение пищевых отходов в очиститель воды

В каждом стакане воды могут скрываться невидимые пассажиры — ионы металлов из промышленности и яркие молекулы красителей из текстильной промышленности. Удаление этих загрязнений необходимо, но многие существующие методы дорогие или порождают новый вид отходов. В этом исследовании рассматривается изобретательное решение: превращение выброшенной апельсиновой кожуры в мягкий губкообразный материал, который способен эффективно впитывать опасный хром и распространённый синий краситель из воды.

От апельсиновой кожуры к «умной» губке

Исследователи исходили из простой идеи: использовать доступный сельскохозяйственный отход — апельсиновую кожуру — как исходный материал для создания продвинутого очистителя воды. Кожуру сначала превращали в углеобразное вещество, называемое биочаром, с помощью бытовой микроволновки и серной кислоты для активации поверхности. Последующие химические шаги вводили кислородсодержащие и азотсодержащие группы, создавая у частиц «липкие» участки, которые могут захватывать разные типы загрязнений. Наконец, модифицированные частицы биочара были зафиксированы в желеподобной сетке из распространённых полимеров, образовав аминобиочар‑гидрогель — по сути гибкую, водонасыщенную губку, наполненную активным углём.

Одной сетью — и краску, и металл

Команда испытала гидрогель на двух очень разных загрязнителях, часто встречающихся вместе в промышленных сточных водах: метиленовом синем, ярком катионном красителе, и шестивалентном хроме, высокотоксичной форме тяжелого металла. Тщательно регулируя такие параметры, как pH, время контакта и количество гидрогеля, они показали, что материал может достигать чрезвычайно высокой адсорбционной ёмкости — до примерно 476 мг красителя и впечатляющих 1250 мг хрома на грамм гидрогеля при оптимальных условиях. Эти значения превышают показатели многих ранее описанных адсорбентов на основе биочара или гидрогелей, что подчёркивает, что сочетание пористого биочара и гидрогельной сети создаёт необычайно мощную ловушку для загрязнений.

Как гидрогель захватывает загрязнения

Чтобы понять механизм, исследователи изучили структуру и поведение нового материала. Электронная микроскопия выявила шершавую, пористую поверхность, а инфракрасная спектроскопия подтвердила наличие функциональных групп, таких как амины, гидроксилы и карбоксилы. Эти группы определяют взаимодействие гидрогеля с разными загрязнителями. Краситель, несущий положительный заряд, в основном притягивается к отрицательно заряженным участкам на поверхности гидрогеля и образует относительно прочные, напоминающие химические связи; его адсорбция следовала кинетическому закону, известному как псевдовторого порядка, что согласуется с такими взаимодействиями. Хром ведёт себя иначе: в кислой среде он присутствует в виде отрицательно заряженных видов, которые притягиваются к положительно заряженным участкам гидрогеля, и его адсорбция следовала псевдопервому порядку, более характерному для слабых, физических связей. В обоих случаях данные указывали на образование одного плотного слоя на поверхности, а не многослойного наслоения.

Поиск лучших рабочих условий

Помимо базовых испытаний, в исследовании применялись продвинутые моделирующие инструменты для настройки работы. Статистический метод — метод поверхности отклика — систематически варьировал три ключевых фактора: исходную концентрацию загрязнителя, дозу гидрогеля и время контакта, чтобы найти комбинации, максимизирующие удаление. Параллельно искусственные нейронные сети, вдохновлённые работой нервных клеток мозга, были обучены на экспериментальных данных для предсказания эффективности удаления в новых условиях. Обе методики согласились в ключевых выводах: относительно низкие концентрации загрязнителей, достаточная доза гидрогеля и адекватное время контакта приводили к показателям удаления выше 90% для красителя и значительному улучшению захвата хрома, при этом сохраняя расход материала и время обработки практичными.

Многоразовый материал для чистой воды

Для реальной очистки воды адсорбент должен быть многоразовым. Гидрогель из апельсиновой кожуры успешно прошёл этот тест: после удаления загрязнений простыми промывками кислотой или щёлочью тот же материал можно было использовать как минимум в шести циклах адсорбции и регенерации с незначительной потерей эффективности. В совокупности результаты показывают, что недорогой побочный продукт можно превратить в ценный, регенерируемый фильтр как для цветных красителей, так и для токсичных металлов. Для неспециалистов вывод прост: с помощью продуманной химии и тщательного моделирования обычные пищевые отходы, такие как апельсиновая кожура, можно преобразовать в современные материалы, помогающие защищать запасы воды и снижать нагрузку на свалки.

Цитирование: Mousa, O.F., Yılmaz, M., El-Nemr, M.A. et al. Isotherm, kinetics, and optimization modeling of Cr(VI) ions and methylene blue dye adsorption from water by an aminobiochar hydrogel. Sci Rep 16, 14172 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49810-7

Ключевые слова: очистка сточных вод, биочар-гидрогель, удаление хрома, адсорбция красителей, переработка апельсиновой кожуры