Рис — одна из главных сельскохозяйственных культур мира, а его зерна при переработке освобождают от твердой внешней оболочки. По данным исследователей, ежегодно образуется около 136 млн тонн рисовой шелухи. Обычно это побочный продукт производства, который приходится утилизировать. Проблема в том, что при сжигании шелуха может становиться источником загрязнения воздуха, а при неправильном хранении и утилизации — создавать дополнительные экологические риски.
Теперь ученые предлагают превратить этот отход в сырье для очистки воды. Сначала шелуху нагревают в условиях недостатка кислорода. В результате органический материал превращается в биоуголь — биоchar, пористое вещество с большой площадью поверхности. Его многочисленные поры способны удерживать загрязняющие вещества на своей поверхности.
Но одного биоугля оказалось недостаточно. Исследователи дополнительно объединили его с слоистыми двойными гидроксидами магния и алюминия — материалами с многослойной структурой. Между слоями находятся заряженные ионы и молекулы воды. Такая комбинация усиливает способность материала связывать загрязнители.
Получившийся композит работает по принципу адсорбции. Это не просто механическая фильтрация: молекулы загрязнителя связываются с поверхностью материала. Благодаря высокой пористости биоугля и химическим свойствам его компонентов фильтр способен захватывать молекулы синтетических красителей из воды.
В лабораторных экспериментах ученые испытали материал на двух промышленных красителях — brilliant green и malachite green. Оба применяются в различных производственных процессах и используются в лабораториях как модельные загрязнители при разработке технологий очистки воды.
Особенно важным оказался другой результат: материал можно использовать повторно. В проведенных испытаниях один и тот же образец удалось применить как минимум пять раз без снижения эффективности. Это существенно меняет экологический профиль технологии: фильтр не обязательно превращается в одноразовый отход сразу после контакта с загрязненной водой.
Красители представляют серьезную проблему для водных экосистем. Их используют, в частности, в текстильной, кожевенной и бумажной промышленности, а также в аквакультуре. Попадая в водоемы, синтетические красители могут долго сохраняться в окружающей среде, уменьшать проникновение света в воду и нарушать работу водных экосистем. Некоторые из таких веществ токсичны, а отдельные соединения рассматриваются как потенциально канцерогенные.
Для водных организмов это означает больше, чем просто изменение цвета воды. Красители могут препятствовать прохождению солнечного света, необходимого для фотосинтеза водных растений и водорослей. В результате меняются условия существования всей пищевой сети. Поэтому удаление таких соединений до сброса промышленных стоков — важная задача водоочистки.
Интерес этой разработки еще и в том, что она одновременно решает две разные экологические проблемы. С одной стороны, используется сельскохозяйственный отход, который иначе пришлось бы утилизировать. С другой — полученный из него материал применяется для удаления загрязнителей из воды.
При этом называть материал универсальным очистителем пока рано. Исследования проводились в лаборатории, причем ученые использовали конкретные модельные красители. Следующий этап — проверить, насколько хорошо композит работает с другими красителями, тяжелыми металлами и другими загрязнителями, а также с реальными образцами сточных вод, где одновременно присутствует множество различных веществ.
Исследователи также оценили экологические последствия производства материала. Такой анализ важен: экологичная технология очистки не должна создавать сопоставимую или большую нагрузку уже на этапе своего изготовления. В данном случае использование отходов рисового производства позволяет рассматривать материал как пример подхода «от отходов к ресурсу» — когда побочный продукт одного процесса становится сырьем для решения другой экологической проблемы.
Работа опубликована в журнале Sustainable Chemistry and Pharmacy. Ее авторы рассматривают полученный композит как основу для дальнейшего создания недорогих и повторно используемых материалов для очистки воды.
