Syntes och karaktärisering av 2-hydroxy-3-methoxyfenyl imino chitosan som ett nytt adsorbent för effektiv avlägsning av methyl orange

Varför rengöring av färgat vatten är viktig

Många vardagsprodukter – från starkt färgade kläder till tryckt papper – lämnar kvar färgrika kemiska rester i vatten. Dessa syntetiska färgämnen kan bestå under lång tid, skada vattenlevande organismer och potentiellt påverka människors hälsa även vid mycket låga halter. I denna studie undersöks ett nytt material, framställt från växt- och skalavfall, som snabbt och effektivt kan fånga och avlägsna ett sådant färgämne, kallat methyl orange, från vatten. Det erbjuder ett mer miljövänligt sätt att behandla avloppsvatten från textil- och närliggande industrier.

En naturlig hjälpare från skaldjursavfall

Utgångspunkten för arbetet är chitosan, ett ämne som erhålls från kitin, det strukturella material som finns i skalet hos räkor, krabbor och andra kräftdjur. Chitosan är billigt, biologiskt nedbrytbart och giftfritt, och det har redan en förmåga att attrahera föroreningar. Vanlig chitosan binder dock inte alltid färgämnen tillräckligt starkt eller förblir stabil under verkliga reningsförhållanden. Forskarnas mål var att uppgradera detta naturliga material genom att fästa en ytterligare liten organisk komponent på dess struktur och därigenom skapa nya bindningsställen utformade för att fånga färgmolekyler mer effektivt.

Bygga smartare rengöringskulor

För att framställa det förbättrade materialet formade teamet först chitosan till små kulor med hjälp av en mild syra och ett natriumhydroxidbad, vilket gav sfäriska partiklar som är lätta att hantera och separera från vatten. De reagerade sedan dessa kulor med en förening kallad 2-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd under mikrovågsvärme. Detta steg skapade nya kemiska bindningar, kända som iminkopplingar, mellan chitosanen och den tillsatta molekylen, vilket resulterade i det som de kallar 2-hydroxy-3-methoxyfenyl imino chitosan. Mikroskopibilder visade att de modifierade kulorna hade en grövre, mer porös yta än de ursprungliga släta chitosankulorna, och mätningar av yta visade att den tillgängliga bindningsytan ökade ungefär femfalt, från 8,6 till 42,8 kvadratmeter per gram.

Hur kulorna fångar färgmolekyler

Teamet undersökte struktur och beteende hos de nya kulorna med flera tekniker. Infraröd spektroskopi bekräftade att de avsedda kemiska bindningarna hade bildats och att de ursprungliga fria aminogrupperna på chitosanen i stor utsträckning hade omvandlats till de nya iminstrukturerna. Röntgenmätningar visade att materialet blev mer amorft — det vill säga mindre ordnat — efter modifiering och efter upptag av färgämnen, vilket är typiskt när flexibla polymerkedjor kemiskt förändras. När methyl orange fick kontakt med kulorna visade förändringar i de infraröda signalerna att flera typer av interaktioner var verksamma: elektrisk attraktion mellan positivt laddade platser på kulans yta och negativt laddade grupper på färgämnet, vätebindningar och stapling mellan plana aromatiska ringar på både färgämnet och de tillsatta organiska grupperna. Tillsammans förklarar dessa krafter varför färgämnet fäster så starkt vid den modifierade chitosanen.

Hitta de bästa förhållandena för rengöring

Forskarna varierade systematiskt vattnets surhetsgrad (pH), kontakttid, färgämneskoncentration, temperatur och kuldos för att förstå och optimera prestandan. Kulorna fungerade bäst i måttligt surt vatten runt pH 4, där deras yta bär positiva laddningar som attraherar det negativt laddade färgämnet. Under dessa förhållanden avlägsnades det mesta av färgen inom cirka 20 minuter, med liten förbättring vid längre tider, vilket visar att processen är snabb. En ökning av temperaturen minskade mängden fångat färgämne, vilket indikerar att bindningen avger värme och är mindre gynnsam vid högre temperaturer. Matematiska modeller av data antydde att färgmolekylerna bildar ett enda, tätt packat lager på enhetliga platser på kulans yta och att den hastighetsbegränsande steget involverar kemisk bindning snarare än enkel fysisk adsorption.

Prestanda, återanvändbarhet och löfte för verklig användning

Jämfört med många andra lågkostnadsadsorbenter gjorda av växtskal, äggskal, lermineraler eller omodifierad chitosan utmärkte sig de nya kulorna i hög grad och fångade upp till omkring 445 milligram methyl orange per gram material och avlägsnade mer än 98 procent av färgen under optimerade förhållanden. Viktigt är att kulorna kunde regenereras med enkel syraavsköljning och återanvändas minst fem gånger samtidigt som de behöll över 84 procent av sin ursprungliga effektivitet. Sammantaget visar denna studie att smart modifierade chitosankulor, framställda från rikligt biologiskt avfall, kan fungera som kraftfulla, återanvändbara "svampar" för svåra färgämnen och pekar mot grönare och mer prisvärda behandlingsalternativ för förorenat industriellt avloppsvatten.

Citering: 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

Nyckelord: avloppsrening, färgämnesborttagning, chitosankulor, biosorbent, methyl orange