Effektiv eliminering av basic red 9 från avloppsvatten med keramiska metalloxider innehållande kol som nya nanohybridmaterial

Varför rengöring av färgat vatten är viktigt

Ljusa syntetiska färgämnen gör våra kläder, papper och laboratorieprov iögonfallande, men när de sköljs ner i avloppet blir de en svårbemästrad form av vattenförorening. Ett sådant färgämne, känt som basic red 9, kan dröja kvar i floder och grundvatten, skada vattenlevande organismer och utgöra en hälsorisk för människor. Denna studie utforskar en ny typ av små, fasta material som effektivt kan avlägsna detta problematiska färgämne från vatten, vilket erbjuder en praktisk väg mot renare och säkrare vattenförsörjning.

En envis röd färg i vardagligt avloppsvatten

Basic red 9 används i stor utsträckning inom textil-, papperstillverkning och laboratoriearbete, och endast en bråkdel binder till den slutliga produkten. Resten hamnar ofta i avloppsvatten, där dess intensiva färg blockerar solljus, stör fotosyntesen hos vattenväxter och kan påverka levande celler. Många befintliga behandlingsmetoder—som membran, kemisk fällning eller avancerad fotokemisk nedbrytning—är antingen för kostsamma, genererar ytterligare avfall eller har svårt att fungera i verkligt, förorenat avloppsvatten. Enkel adsorption, där föroreningar fäster vid ytan av ett fast material, är attraktiv eftersom den är lätt att genomföra, inte kräver komplicerad utrustning och materialen ibland kan rengöras och återanvändas. Utmaningen är att utforma ett fast material som snabbt kan fånga mycket färgämne och fortsätta fungera i närvaro av salter och andra ämnen som vanligen finns i verkligt vatten.

Bygga nya små rengörare av keramik och kol

Forskarna skapade två närbesläktade material genom att kombinera metalloxider av strontium, kobolt och magnesium med kol till vad de kallar nanohybrider—fasta material bestående av flera olika små kristallfaser sammanvävda. De använde en Pechini sol–gel-process, ett kontrollerat sätt att blanda metalsalter med ett organiskt hjälpmedel och hetta upp dem så att de bildar fina, enhetliga partiklar. Upphettning av startblandningen till 600 °C gav ett material, MSC600, med en stavliknande, mer öppen struktur. Upphettning till 800 °C gav MSC800, som hade mer kompakta, nästan sfäriska korn och något större kristalldomäner. I båda fallen innehöll de färdiga fasta materialen flera keramiska faser plus kol, vilket gav dem ett rikt utbud av ytor där färgmolekyler kunde fästa.

Hur de nya materialen fångar färgen

När teamet testade dessa nanohybrider i lösningar med basic red 9 fann de att färgborttagningen var starkt beroende av vattnets surhetsgrad. Under sura förhållanden bar ytorna en positiv laddning, vilket repellerade det positivt laddade färgämnet och ledde till mycket dålig rening. Vid alkalisk pH blev ytorna negativt laddade och attraherade färgen starkt, särskilt för MSC600, vars laddningstillstånd och mer öppna textur gynnade upptag. Detaljerade infraröda mätningar visade att flera typer av interaktioner var i spel: elektrostatisk attraktion mellan motsatta laddningar, vätebindningar, staplingsinteraktioner mellan färgens ringsystem och kolet i materialet, samt bindning till metall–syre-ställen. Kvävegasmätningar bekräftade att båda materialen hade stora, tillgängliga porer, där MSC600 erbjöd mer yta och porevolym, vilket hjälpte skrymmande färgmolekyler att diffundera in och hitta fästen.

Snabb, stark och återanvändbar rening

I prestandatester fångade båda materialen stora mängder basic red 9, långt över kapaciteten som rapporterats för vanliga alternativ som aktivt kol, biokol eller jordbruksavfall. MSC600 nådde en maximal kapacitet på cirka 437 milligram färgämne per gram fast material, medan MSC800 nådde ungefär 313 milligram per gram. Upptaget skedde snabbt och nådde en platå inom ungefär en timme för MSC600 och något längre för MSC800. Analys av hur färgkoncentrationen förändrades över tid och med temperatur visade att processen var fysisk snarare än kemisk till sin natur, skedde spontant och frigjorde värme. Viktigt är att färgen kunde avlägsnas nästan helt med hjälp av syra, vilket tillät materialen att återanvändas flera gånger med endast en måttlig minskning i prestanda. De fungerade också väl i verkligt laboratorieavloppsvatten som innehöll en blandning av salter och andra joner, och avlägsnade fortfarande det mesta av tillsatt färg.

Vad detta betyder för renare vatten

För en icke-specialist är huvudsaken att författarna har designat små, återanvändbara "sponsliknande" material som kan fånga ett problematiskt rött färgämne från vatten mycket effektivare än många befintliga material. Genom att noggrant justera hur de keramiska och kolkomponenterna blandas och vilken temperatur de bearbetas vid skapade de ytor som attraherar färgen starkt, fylls snabbt och sedan kan rengöras och användas igen. Även om dessa tester gjordes på basic red 9 kan samma designprinciper anpassas till andra färgämnen och föroreningar. Denna typ av enkel, effektiv reningsteknik skulle kunna bli en del av praktiska reningssystem för industri- och laboratorieavloppsvatten och bidra till att hålla floder och grundvatten klarare, säkrare och närmare målen för globala initiativ för rent vatten.

Citering: Al-Kadhi, N.S., Aljlil, S.A., Basha, M.T. et al. Efficient elimination of basic red 9 from wastewater using ceramic metal oxides containing carbon as novel nanohybrids. Sci Rep 16, 12235 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47555-x

Nyckelord: avloppsfärg borttagning, adsorbent nanomaterial, keramiska kolhybrider, basic red 9, vattenrening