Adsorptionskinetik och isoterm för avlägsnande av malakitgrönt från vattnen lösning med TiO2 laddat på f-MWCNTs nanokomposit

Varför det är viktigt att rena färgat spillvatten

Ljusa syntetiska färger ger oss färgglada kläder, läder och papper, men när dessa kemikalier spolas ner i fabriksavlopp kan de finnas kvar i floder och sjöar i åratal. En sådan färg, malakitgrönt, är särskilt oroande eftersom det är giftigt, beständigt och kopplat till cancer. Denna studie undersöker ett nytt slags mycket fint reningsmaterial — en nanokomposit — som snabbt och effektivt kan avlägsna malakitgrönt från vatten, vilket pekar mot snabbare och mer praktiska metoder för att behandla förorenat industriellt avloppsvatten.

En svår färg och en ny nanosvamp

Malakitgrönt används i stor utsträckning inom textil- och läderbearbetning och har till och med använts, omstritt, inom fiskodling som ett antimicrobielt medel. När det väl släpps ut i miljön bryts det inte ner lätt, och konventionella behandlingsmetoder har ofta svårt att avlägsna det helt. Forskarna avsåg att ta fram en bättre ”svamp” för denna färg genom att kombinera två avancerade material: titandioxidnanopartiklar och flerväggiga karbonnanorör vars ytor kemiskt förbehandlats med syrehaltiga grupper. Genom att ladda titandioxid på dessa funktionaliserade nanorör skapade de ett hybridmaterial som är tänkt att erbjuda både stor yta och många aktiva platser där färgmolekyler kan fästa.

Bygga och undersöka det hybrida nanorörmaterialet

Teamet syntetiserade nanokompositen med en hydrotermal process, där titandioxidpulver behandlas i en varm alkalisk lösning och sedan fästs på karbonnanorören i vatten under långvarig omrörning. De granskade noggrant det resulterande pulvret med en rad mikroskop- och spektroskopiska verktyg. Dessa tester bekräftade att titandioxiden behöll sin kristallina struktur och spreds jämnt över nanorörsnätverket i stället för att klumpa ihop sig separat. Mätningar av gasadsorption visade en mycket porös, svampliknande arkitektur med mer än dubbla ytan jämfört med ren titandioxid, vilket innebär avsevärt mer utrymme för att fånga färgmolekyler under behandlingen.

Snabb och effektiv färgborttagning från vatten

För att undersöka hur väl det nya materialet rengjorde vatten utförde forskarna seriebatchexperiment där små mängder av nanokompositen skakades med lösningar av malakitgrönt under olika förhållanden. De fann att prestandan var starkt beroende av vattnets surhetsgrad: avlägsnandet var måttligt under sura förhållanden men steg över 95 procent vid ett lätt basiskt pH omkring 8, där materialets yta bär en negativ laddning som attraherar den positivt laddade färgen. Anmärkningsvärt nog nådde systemet under dessa optimala förhållanden — pH 8, bara 0,005 gram adsorbent i 10 milliliter lösning och rumstemperatur — jämvikt på cirka 10 minuter och uppnådde en adsorptionskapacitet på ungefär 39 milligram färg per gram material. Detta ligger i nivå med eller överträffar många konventionella adsorbenter, men med betydligt snabbare rening.

Hur färgen fäster vid nanorörets yta

Genom att passa in de experimentella uppgifterna till standardmatematiska modeller som beskriver hur molekyler fäster på ytor drog författarna slutsatsen att malakitgrönt huvudsakligen bildar ett enskikt på en relativt homogen yta, vilket fångas av den så kallade Langmuir‑beskrivningen. Samtidigt passade andra modeller som tar hänsyn till varierade bindningsstyrkor och flerskikt också väl, vilket tyder på en blandning av fysiska och kemiska bindningar. Den bäst anpassade tidsberoende modellen indikerade att bindningen inte bara handlar om att molekyler kolliderar med ytan utan involverar starkare interaktioner, såsom elektrostatisk attraktion mellan motsatta laddningar och specifik kontakt med ytfunktionella grupper. Mikroskopi- och infraröda mätningar före och efter färgupptag stödde vidare en bild där färgmolekyler samlas på yttersidorna och inom porerna utan att förändra den underliggande kristallstrukturen.

Återanvändning och lovande utsikter för renare industri

För att någon vattenbehandlingsteknik ska vara praktisk måste rengöringsmediet kunna återanvändas. Forskarna visade att nanokompositen kunde regenereras genom att skölja den med en enkel natriumhydroxidlösning och återanvändas minst fem gånger med nästan ingen prestandaförlust. Sammantaget visar studien att en noggrant konstruerad kombination av titandioxid och funktionaliserade karbonnanorör kan fungera som en snabb, robust och återvinningsbar färgsvamp. Även om dessa tester utfördes i förenklade laboratorielösningar snarare än i verkligt fabriksavloppsvatten, tyder resultaten på en lovande väg mot kompakta behandlingsenheter som snabbt kan avlägsna skadliga färgämnen som malakitgrönt från avloppsvatten innan det når miljön.

Citering: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Nyckelord: avloppsvattenrening, malakitgrönt, nanokompositadsorbent, titanoxid, karbonnanorör