Вуглецевий адсорбент із тирси ефективно очищує стічні води

19 серпня 2026 р. 11:08

19 серпня 2026 р. 11:08

Команда Юліна Ху (Yulin Hu) з Університету острова Принца Едварда показала, що відходи деревини можна перетворити на ефективний матеріал для очищення промислових стічних вод. За даними публікації в журналі Newswise Science News , біметалевий активований гідровуглець із тирси (MAHC) поєднує високу здатність до поглинання синтетичних барвників із можливістю безперервної роботи в колонках.

Чому потрібні нові адсорбенти для барвників

Синтетичні барвники з текстильної, поліграфічної, косметичної та інших галузей залишаються серйозним джерелом забруднення води. Один із поширених барвників, метиленовий синій, при потраплянні у водойми зменшує проникнення світла та пригнічує фотосинтез водоростей та інших організмів.

Адсорбція на активованому вугіллі вважається відносно дешевим і простим методом очищення. Водночас гідротермальна карбонізація дає змогу перетворювати вологу біомасу на вуглецеві матеріали без енерговитратного попереднього сушіння. Проте звичайний гідровуглець часто важко відокремити від води, а більшість досліджень обмежувалася спрощеними лабораторними тестами в періодичних (batch) умовах, а не в безперервних потоках реальних стоків.

Ці обмеження стимулюють пошук модифікованих, зручних для вилучення гідровуглеців, які можна перевірити як у контрольованих умовах, так і в режимі безперервного очищення.

Як із тирси створили біметалевий гідровуглець

Дослідники спершу перетворили тирсу на гідровуглець методом гідротермальної карбонізації: обробляли сировину при 210 °C протягом чотирьох годин. Потім отриманий матеріал активували гідроксидом калію за 800 °C в атмосфері азоту, щоб сформувати розвинену пористу структуру.

На наступному етапі до матеріалу ввели солі заліза (хлорид заліза) та міді (сульфат міді) й провели додаткову карбонізацію при 300 °C. Так отримали біметалевий активований гідровуглець Fe–Cu, позначений як MAHC.

Його фізико-хімічні властивості дослідили за допомогою аналізу питомої поверхні, сканувальної електронної мікроскопії, елементного аналізу, інфрачервоної спектроскопії, термогравіметричного аналізу, вимірювання дзета-потенціалу та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії.

MAHC виявився переважно мікропористим матеріалом із питомою поверхнею 1266,1 м²/г і загальним об’ємом пор 0,7394 см³/г .

Рекордна адсорбція метиленового синього

У серії періодичних експериментів вчені вивчали вплив pH, початкової концентрації барвника, дози адсорбенту, температури та часу контакту. Найвища адсорбційна здатність становила 1635,28 мг/г за умов pH 10, концентрації метиленового синього 50 ppm, дози MAHC 5 ppm і температури 44 °C.

Поглинання барвника зростало з підвищенням температури, що вказує на ендотермічний характер процесу. Водночас необхідність додаткового нагрівання може обмежувати практичне застосування в реальних очисних системах.

Аналіз ізотерм показав, що модель Фройндліха краще описує експериментальні дані, ніж моделі Ленгмюра та Темкіна. Це свідчить про багатошарову адсорбцію на неоднорідній поверхні. Кінетичні дані найкраще узгоджувалися з моделлю псевдо-другого порядку, що вказує на помітний внесок поверхневих взаємодій поряд із фізичною адсорбцією.

Дослідження внутрішньопорової дифузії показало, що вищі температури зменшують опір масоперенесенню та прискорюють проникнення молекул барвника в пори. Після адсорбції питома поверхня MAHC зменшилася з 1266,1 до 97,0 м²/г , що підтверджує заповнення пор як один із головних механізмів.

Спектроскопічні дані також вказали на участь активних центрів заліза та міді, а також на π–π взаємодії між ароматичними кільцями барвника та вуглецевим каркасом адсорбенту.

Перевірка на реальних стоках і перспективи

Окрім періодичних тестів, дослідники випробували MAHC у колонці з фіксованим шаром адсорбенту. Колонку, заповнену 1,5 г MAHC, пропускали спочатку розчин метиленового синього, а потім стічні води картоплепереробного підприємства.

Для модельного розчину метиленового синього «прорив» колонки (момент, коли очищення стає недостатнім) настав через 165 хвилин . Для реальних промислових стоків цей час становив приблизно 360 хвилин , що демонструє потенціал матеріалу для безперервного очищення складніших сумішей забруднювачів.

Загалом робота показує, що поєднання гідротермальної карбонізації, хімічної активації та біметалевої модифікації дає змогу перетворити тирсу на високоефективний адсорбент для очищення стічних вод. Випробування як у періодичних, так і в колонних системах наближають такі матеріали до реальних промислових умов.

Водночас автори наголошують, що перед масштабним упровадженням потрібні порівняння з комерційним активованим вугіллям, тести з іншими видами біомаси, а також систематичні оцінки стабільності, можливості регенерації та багаторазового використання MAHC. Подальші дослідження мають з’ясувати, чи вдасться зберегти високу ефективність адсорбції за нижчих температур і впродовж багатьох циклів очищення.

Наука