Синтез и оценка новых нанокомпозитов для удаления ионов цинка из водных растворов

Почему важно удалять металлы из воды

Многие предприятия и повседневные изделия выбрасывают следы металлов в реки и сточные воды. Цинк — один из таких металлов: организму нужны крошечные количества, но при более высоких дозах он может вредить рыбам, растениям и людям. В этом исследовании рассматривается новый, относительно простой материал, способный извлекать избыток цинка из воды, что помогает сделать станции очистки эффективнее и доступнее.

Новая «губка» для металла в воде

Исследователи создали крошечные твердые частицы, действующие как губки для ионов цинка в воде. Эти частицы представляют собой смесь карбоната бария, алюмината бария и небольшого количества углерода, объединённую в нанокомпозит. По простой химической технологии Pechini sol–gel материал нагревали до 600 °C или 800 °C, получая две версии, названные BA600 и BA800. Обе версии тщательно исследовали с помощью рентгеновской дифракции и электронных микроскопов, чтобы выяснить, какие образуются кристаллы, какого размера частицы и как устроена их поверхность.

Как структура влияет на работу

Оказалось, что два нанокомпозита имеют разные внутренние структуры и текстуры. BA600 имел более мелкие кристаллы, большую удельную поверхность и больший объём пор, тогда как BA800 показывал более крупные, лучше сформированные зерна, но меньше доступных пор. Поскольку удаление цинка происходит, когда ионы цинка прилипают к активным участкам на поверхности, эти различия оказались существенными. Испытания показали, что BA600 способен удерживать до примерно 124 миллиграммов цинка на грамм материала, а BA800 — около 91 миллиграмма на грамм. Измерения группы указывали на то, что цинк не просто слабо адсорбируется на поверхности; напротив, он образует более прочные, химического характера связи с кислородсодержащими группами на частицах.

Поиск оптимальных условий для удаления цинка

Чтобы понять, как лучше всего применять новый материал, учёные варьировали такие условия, как кислотность, время контакта, температура и доза. Эффективность удаления цинка резко возрастала при повышении pH воды от сильнокислой к нейтральной и выравнивалась около pH 6, до начала осаждения гидроксидов цинка. BA600 удалял цинк быстрее, чем BA800, достигая устойчивой эффективности примерно за час против 80 минут у BA800. Более низкие температуры благоприятствовали удалению, что указывает на экзотермичность процесса и его лучшую работу в более холодной воде. Моделирование покрытия поверхности цинком соответствовало образованию одного, однородного слоя ионов цинка, что согласуется с заполнением определённых поверхностных сайтов до насыщения.

Повторное использование, реальные сточные воды и конкуренция

Команда также проверила, будет ли материал работать в реалистичных условиях. Частицы, загруженные цинком, промывали соляной кислотой, которая почти полностью удаляла цинк, не растворяя при этом сам материал. После пяти циклов использования и регенерации BA600 сохранял почти 70 % от первоначальной эффективности удаления, а BA800 — около 45 %, что свидетельствует о практической пригодности к многократному применению. В присутствии обычных компонентов воды, таких как натрий, кальций или сульфат, эффективность удаления цинка немного снижалась, тогда как другие металлы, например медь и никель, конкурировали сильнее. Даже в этих условиях BA600 оставался более селективным и устойчивым вариантом. В пробах реальных лабораторных сточных вод, содержащих множество солей и органических веществ, материалы по‑прежнему захватывали впечатляющие количества цинка, лишь умеренно уступая результатам в чистой воде.

Что это значит для более чистой воды

В целом исследование показывает, что тщательно спроектированные многокомпонентные частицы способны эффективно захватывать цинк из загрязнённой воды при помощи относительно простого и контролируемого способа производства. Хотя некоторые передовые материалы могут удерживать ещё больше цинка, этот новый нанокомпозит BaCO3/BaAl2O4/C выделяется сочетанием надёжной работы, лёгкости синтеза и возможности регенерации и повторного использования. В практическом плане особенно BA600 может помочь будущим системам очистки удалять вредные уровни цинка из промышленных стоков и лабораторных отходов, снижая риски для экосистем и общественного здоровья.

Цитирование: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., El-Feky, H.H. et al. Synthesis and evaluation of novel nanocomposites for removal of zinc ions from aqueous solutions. Sci Rep 16, 13889 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51234-2

Ключевые слова: удаление цинка, нанокомпозит-адсорбент, очистка сточных вод, тяжелые металлы, очистка воды