Синтез и характеристика 2-гидрокси-3-метоксифенил иминового хитозана как нового адсорбента для эффективного удаления метилового оранжевого

Почему важно очищать окрашенную воду

Многие повседневные продукты — от ярко окрашенной одежды до печатной бумаги — оставляют в воде цветные химические остатки. Эти синтетические красители могут сохраняться длительное время, повреждая водную флору и фауну и потенциально влияя на здоровье человека даже при очень низких концентрациях. В данном исследовании изучается новый материал на основе растительного сырья и отходов панцирей, способный быстро и эффективно захватывать и удалять один из таких красителей, метиловый оранжевый, предлагая более экологичный способ обработки сточных вод текстильной и смежных отраслей.

Природный помощник из морских отходов

Отправной точкой этой работы стал хитозан — вещество, получаемое из хитина, структурного компонента панцирей креветок, крабов и других ракообразных. Хитозан недорог, биоразлагаем и нетоксичен, и уже обладает склонностью притягивать загрязнения. Однако обычный хитозан не всегда связывает красители достаточно сильно или остается стабильным в реальных условиях очистки. Авторы работы поставили задачу усовершенствовать этот природный материал, присоединив к его структуре небольшую органическую фрагмент, чтобы создать новые центры связывания, рассчитанные на более эффективный захват молекул красителя.

Создание более умных очищающих шариков

Для получения улучшенного материала команда сначала сформировала хитозан в виде небольших шариков, используя мягкую кислоту и ванну гидроксида натрия, в результате чего получились сферические частицы, которые легко обрабатывать и отделять от воды. Затем эти шарики подвергли реакции с соединением 2-гидрокси-3-метоксибензальдегидом с использованием микроволнового нагрева. Этот шаг привел к образованию новых химических связей, известных как иминные, между хитозаном и добавленной молекулой, в результате чего получился так называемый 2-гидрокси-3-метоксифенил иминовый хитозан. Микроскопические изображения показали, что модифицированные шарики имеют более шероховатую, пористую поверхность по сравнению с исходными гладкими шариками хитозана, а измерения удельной поверхности показали примерно пятикратное увеличение доступной площади связывания — с 8,6 до 42,8 квадратных метров на грамм.

Как шарики захватывают молекулы красителя

Исследователи изучали структуру и поведение новых шариков с помощью нескольких методов. Инфракрасная спектроскопия подтвердила образование запланированных химических связей и то, что исходные свободные амино-группы хитозана в значительной степени превратились в новые иминные структуры. Рентгеноструктурные измерения показали, что материал стал более аморфным — то есть менее упорядоченным — после модификации и насыщения красителем, что типично при химическом изменении гибких полимерных цепей. При контакте метилового оранжевого с шариками изменения инфракрасных сигналов указывали на наличие нескольких типов взаимодействий: электрического притяжения между положительно заряженными участками на поверхности шарика и отрицательно заряженными группами красителя, водородных связей и стэкинга между плоскими ароматическими кольцами как красителя, так и добавленных органических групп. В совокупности эти силы объясняют, почему краситель прочно удерживается модифицированным хитозаном.

Поиск оптимальных условий очистки

Исследователи систематически варьировали кислотность воды (pH), время контакта, концентрацию красителя, температуру и дозировку шариков, чтобы понять и оптимизировать эффективность. Шарики работали лучше всего в слабо кислой среде примерно при pH 4, когда их поверхность несет положительный заряд, притягивающий отрицательно заряженный краситель. При этих условиях большая часть красителя удалялась примерно за 20 минут, при этом длительное выдерживание давало незначительное улучшение, что свидетельствует о быстроте процесса. Повышение температуры снижало количество захваченного красителя, указывая на то, что связывание экзотермично и становится менее благоприятным при более высоких температурах. Математическое моделирование данных показало, что молекулы красителя образуют одиночный, плотно упакованный слой на однородных участках поверхности шарика, а лимитирующим по скорости этапом является химическое связывание, а не простое физическое прилипание.

Эффективность, повторное использование и практический потенциал

По сравнению со многими другими недорогими сорбентами из растительных очистков, яичной скорлупы, глинистых минералов или немодифицированного хитозана новые шарики заметно выделялись, захватывая до примерно 445 миллиграммов метилового оранжевого на грамм материала и удаляя более 98 процентов красителя при оптимизированных условиях. Важно, что шарики можно регенерировать простой промывкой кислотой и повторно использовать как минимум пять раз, при этом они сохраняли более 84 процентов первоначальной эффективности. В целом исследование показывает, что умно модифицированные шарики хитозана, полученные из обильных биологических отходов, могут служить мощными, многоразовыми «губками» для упрямых красителей, открывая путь к более экологичным и доступным вариантам очистки загрязненных промышленных сточных вод.

Цитирование: Khan, R., Zoreen, S., Khan, A. et al. Synthesis and characterization of 2-hydroxy-3-methoxyphenyl imino chitosan as a novel adsorbent for effective removal of methyl orange. Sci Rep 16, 14402 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50311-w

Ключевые слова: очистка сточных вод, удаление красителей, шарики хитозана, биосорбент, метиловый оранжевый