СОРБЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ НА НАНОКОМПОЗИТНОМ АЭРОГЕЛЕ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ И ОКСИДА ГРАФЕНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ОКСИДОМ ЖЕЛЕЗА
Аннотация
Разработан состав высокоэффективного сорбционного аэрогеля на основе активированного угля из отходов масличного производства (шрота подсолнечника) и оксида графена, дополнительно модифицированного оксидом железа. Финальной стадией получения разрабатываемого материала являлась сверхкритическая сушка в среде изопропанола с целью достижения высоких значений удельной поверхности. По данным сканирующей электронной микроскопии, материал обладает пористой структурой и состоит из частиц активированного угля, покрытых листами графена, на поверхности которых присутствуют частицы оксида железа размером до 100 нм. Наличие фазы оксида железа в составе нанокомпозитного аэрогеля подтверждается данными анализа рентгеновских дифрактограмм. Согласно результатам спектроскопии комбинационного рассеяния, при совмещении исходных углеродных материалов формируется экспериментальный образец с гибридной структурой. Данные ИК-Фурье спектроскопии указывают на эффективное восстановление оксида графена при формировании нанокомпозитного аэрогеля. Параметры пористого пространства оценивали по адсорбции азота. Установлено, что аэрогель является мезопористым материалом с преобладанием размера пор около 3,5 нм и удельной поверхностью по теории БЭТ, равной 1849 м2/г, и общим объемом пор по DFT – 1,07 см3/г. Сорбционная способность материала оценивалась на примере жидкофазного извлечения органических красителей, а именно – метанилового желтого (МЖ) и малахитового зеленого (МЗ). Для определения времени сорбции и механизма поглощения были проведены кинетические исследования адсорбции в ограниченном объеме. Установлено, что экспериментальная адсорбционная емкость по МЗ составила 2245 мг/г к 15 мин, а по МЖ – 1145 мг/г к 60 мин. С помощью моделей псевдо-первого и –второго порядка, модели Еловича и внутридиффузионных моделей установлен предполагаемый механизм адсорбции.
Для цитирования:
Бадин Д.А., Буракова И.В., Кузнецова Т.С., Меметова А.Е., Бураков А.Е., Дьячкова Т.П. Сорбция органических красителей на нанокомпозитном аэрогеле на основе активированного угля и оксида графена, модифицированного оксидом железа. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 9. С. 65-78. DOI: 10.6060/ivkkt.20266909.7063.
Литература
Srivatsav P., Bhargav B.S., Shanmugasundaram V., Arun J., Gopinath K.P., Bhatnagar A. Biochar as an eco-friendly and economical adsorbent for the removal of colorants (dyes) from aqueous environment: A review. Water. 2020. V. 12. N 12. P. 3561. DOI: 10.3390/w12123561.
Praveen S., Jegan J., Bhagavathi Pushpa T., Gokulan R., Bulgariu L. Biochar for removal of dyes in contami-nated water: an overview. Biochar. 2022. V. 4. N 1. P. 10. DOI: 10.1007/s42773-022-00131-8.
Goswami L., Kushwaha A., Kafle S.R., Kim B.S. Surface modification of biochar for dye removal from wastewater. Catalysts. 2022. V. 12. N 8. P. 817. DOI: 10.3390/catal12080817.
Timirgaliev A.N., Burakova I.V., Rybakova S.O., Ananyeva O.A., Yarkin V.O., Kuznetsova T.S., Kadum A.H.K., Burakov A.E. Removal of organic dyes from aqueous solutions using a graphene-containing sorbent based on activated rapeseed biochar: Kinetics and isotherms. J. Adv. Mater. Technol. 2024. V. 9. N 3. P. 177–187. DOI: 10.17277/jamt.2024.03.pp.177-187.
Mukherjee A., Goswami N., Dhak D. Photocatalytic remediation of industrial dye waste streams using biochar and metal-biochar hybrids: a critical review. Chem. Afri-ca. 2023. V. 6. N 2. P. 609–628. DOI: 10.1007/s42250-022-00467-5.
Belyy V.A., Sverguzova S.V., Shaikhiev I.G., Saprono-va Z.A., Voronina Y.S. Extraction of the methylene blue dye from solutions with sycamore biomass sawdust. ChemChemTech [Izv. vyssh. uchebn. zaved. Khim. Khim. tekhnol.]. 2023. V. 66. N 5. P. 139-145 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236605.6757.
Xu Y., Luo G., He S., Deng F., Pang Q., Xu Y., Yao H. Efficient removal of elemental mercury by magnetic chlorinated biochars derived from co-pyrolysis of Fe(NO3)3-laden wood and polyvinyl chloride waste. Fuel. 2019. V. 239. P. 982–990. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.11.102.
Yang H., Ye S., Zeng Z., Zeng G., Tan X., Xiao R., Wang J., Song B., Du L., Qin M. Utilization of biochar for resource recovery from water: A review. Chem. Eng. J. 2020. V. 397. P. 125502. DOI: 10.1016/j.cej.2020.125502.
Teli S., Soni S., Teli P., Agarwal S. Recent insights into modified biochars: A half-decade study. J. Mater. Sci. 2024. V. 59. N 39. P. 18357–18394. DOI: 10.1007/s10853-024-10272-9.
Nosratabad N. A., Yan Q., Cai Z., Wan C. Exploring nanomaterial-modified biochar for environmental reme-diation applications. Heliyon. 2024. V. 10. N 18. P. e337123. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e37123.
Kadum A.H.K., Burakova I.V., Mkrtchyan E.S., Ananyeva O.A., Yarkin V.O., Burakov A.E., Tkachev A.G. Sorption kinetics of organic dyes methylene blue and malachite green on highly porous carbon material. J. Adv. Mater. Technol. 2023. V. 8. N 2. P. 130–140. DOI: 10.17277/jamt.2023.02.pp.130-140.
Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Pasko T.V., Burakova I.V., Dyachkova T.P., Memetova A.E. Physicochemical and sorption properties of nanocomposite aerogel based on modified carbon nanotubes and graphene. Chem-ChemTech [Izv. vyssh. uchebn. zaved. Khim. Khim. tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 66–76 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Weidner E., Karbassiyazdi E., Altaee A., Jesionowski T., Ciesielczyk F. Hybrid metal oxide/biochar materials for wastewater treatment technology: a review. ACS Omega. 2022. V. 7. N 31. P. 27062–27078. DOI: 10.1021/acsomega.2c02909.
Bao D., Li Z., Tang R., Wan C., Zhang C., Tan X., Liu X. Metal-modified sludge-based biochar enhance catalyt-ic capacity: Characteristics and mechanism. J. Environ. Manag. 2021. V. 284. P. 112113. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112113.
Sayğılı H., Güzel F. High surface area mesoporous acti-vated carbon from tomato processing solid waste by zinc chloride activation: process optimization, characterization and dyes adsorption. J. Clean. Prod. 2016. V. 113. P. 995–1004. DOI: 10.1016/j.jclepro.2015.12.055.
Omer M., Khan B., Khan I., Alamzeb M., Zada F. M., Ullah I., Simal-Gandara J. Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies for the adsorption of metanil yel-low using carbonized pistachio shell-magnetic nanoparticles. Water. 2022. V. 14. N 24. P. 4139. DOI: 10.3390/w14244139.
Vijayasree V.P., Manan N.S. A. Bio-inspired magnetic chitosan/Iron oxide macromolecules for multiple anionic dyes adsorption from aqueous media. Int. J. Biol. Mac-romol. 2024. V. 277. P. 134103. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.134103.
Eltaweil A.S., Mohamed H.A., Abd El-Monaem E.M., El-Subruiti G.M. Mesoporous magnetic biochar compo-site for enhanced adsorption of malachite green dye: Characterization, adsorption kinetics, thermodynamics and isotherms. Adv. Powder Technol. 2020. V. 31. N 3. P. 1253–1263. DOI: 10.1016/j.apt.2020.01.005.
Yıldırım G. M., Bayrak B. The synthesis of biochar-supported nano zero-valent iron composite and its ad-sorption performance in removal of malachite green. Biomass Convers. Biorefin. 2022. V. 12. N 10. P. 4785–4797. DOI: 10.1007/s13399-021-01501-1.
Ahamad Z., Mashkoor F., Nasar A., Jeong C. Multi-walled carbon nanotubes/TiO2/chitosan nanocomposite for efficient removal of malachite green dye from aque-ous system: a comprehensive experimental and theoreti-cal investigation. Int. J. Biol. Macromol. 2025. V. 295. P. 139461. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2025.139461.
Wu J., Yang J., Feng P., Huang G., Xu C., Lin B. High-efficiency removal of dyes from wastewater by fully re-cycling litchi peel biochar. Chemosphere. 2020. V. 246. P. 125734. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.125734.
Choudhary M., Kumar R., Neogi S. Activated biochar derived from Opuntia ficus-indica for the efficient ad-sorption of malachite green dye, Cu2+ and Ni2+ from water. J. Hazard. Mater. 2020. V. 392. P. 122441. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.122441.
Sadegh N., Haddadi H., Sadegh F., Asfaram A. Synthesis of graphene/Fe3O4/polyaniline nanocomposite for simultaneous removal of a binary mixture of malachite green cationic dye and acid red 1 anionic dye from aque-ous solutions. Polyhedron. 2024. V. 248. P. 116671. DOI: 10.1016/j.poly.2023.116671.
Deng H., Zhang J., Huang R., Wang W., Meng M., Hu L., Gan W. Adsorption of malachite green and Pb2+ by KMnO4 -modified biochar: insights and mechanisms. Sustainability. 2022. V. 14. N 4. P. 2040. DOI: 10.3390/su14042040.
Burakova I.V., Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Ananyeva O.A., Badin D.A., Timirgaliev A.N., Yarkin V.O., Dyachkova T.P., Tkachev A.G. Highly porous carbons from renewable raw materials obtained using HTC synthesis for adsorption of various toxic pollutants from aqueous media. [In Proc. of the All-Russ. сonf. with Inter. Part. and Elem. of a Scien. Sch. for You. "Ecotoxicology - 2023"]. Tula: Izd-vo TulGU. 2023. P. 24–27 (in Russian).
Memetova A., Tyagi I., Rao Karri R., Suhas Memetov N., Zelenin A., Stolyarov R., Babkin A., Yagubov V., Burmistrov I., Tkachev A., Bogoslovskiy V., Shigabaeva G., Galunin E. High-density nanoporous carbon materials as storage material for methane: a value-added solution. Chem. Eng. J. 2022. V. 433. Р. 134608. DOI: 10.1016/j.cej.2022.134608.
Zhang Y. Kang X., Tan J., Frost R.L. Influence of calcination and acidification on structural characterization of Anyang anthracites. Energy Fuels. 2013. V. 27. N 12. P. 7191-7197. DOI: 10.1021/ef401658p.
Gao F., Jia Z., Cui Z., Li Y., Jiang H. Evolution of macromolecular structure during coal oxidation via FTIR, XRD and Raman. Fuel Proc. Technol. 2024. V. 262. P.108114. DOI: 10.1016/j.fuproc.2024.108114.
Cançado, L.G. Monken V.P., Campos J.L.E., Santos J.C.C., Backes C., Chacham H., Neves B.R.A., Jorio A. Science and metrology of defects in graphene using Raman spectroscopy. Carbon. 2024. V. 220. Р.118801. DOI: 10.1016/j.carbon.2024.118801.
Debnath M., Barman M.P., Borah D., Saikia H. Study of adsorption property of glycol reduced Bent/Co NPs for malachite green dye removal from aqueous solution. Surf. Interfaces. 2025. V. 66. P. 106563. DOI: 10.1016/j.surfin.2025.106563.
Abid L.H., Mussa Z.H., Deyab I.F., Al-Ameer L.R., Al-Saedi Y.F., Al-Qaim F.F., Kamyab H., Rajendran S., Imran A.F., Yaseen Z.M. Walnut Shell as a bio-activated carbon for elimination of malachite green from its aque-ous solution: Adsorption isotherms, kinetics and thermo-dynamic studies. Res. Chem. 2025. V. 14. P. 102124. DOI: 10.1016/j.rechem.2025.102124.
Wu F.C., Tseng R.L., Juang R.S. Characteristics of Elovich equation used for the analysis of adsorption kinetics in dyechitosan systems. Chem. Eng. J. 2009. V. 150. N 2–3. P. 366–373. DOI: 10.1016/j.cej.2009.01.014.
Weber W.J., Morris J.C. Kinetics of adsorption on carbon from solution. J. Sanit. Eng. Div. 1963. V. 89. N 2. P. 31–59. DOI: 10.1061/JSEDAI.0000430.
Tan I.A.W., Ahmad A.L., Hameed B.H. Adsorption isotherms, kinetics, thermodynamics and desorption stud-ies of 2, 4, 6-trichlorophenol on oil palm empty fruit bunch-based activated carbon. J. Hazar. Mater. 2009. V. 164. P. 473–482. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.08.025.
Guo F., Jiang X., Li X., Jia X., Liang S., Qian L. Syn-thesis of MgO/Fe3O4 nanoparticles embedded activated carbon from biomass for highefficient adsorption of malachite green. Mater. Chem. Phys. 2020. V. 240. P.122240. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.122240.
Sharma P., Das M.R. Removal of a cationic dye from aqueous solution using graphene oxide nanosheets: inves-tigation of adsorption parameters. J. Chem. Eng. Data. 2012. V. 58. N 1. P. 151–158. DOI: 10.1021/je301020n.
