ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР: Fe-МОДИФИЦИРОВАННЫЙ БИОУГОЛЬ ИЗ СОСНОВЫХ ШИШЕК ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РЕМЕДИАЦИИ

АННОТАЦИЯ

В данном литературном обзоре представлен всесторонний анализ современных исследований по разработке и применению Fe-модифицированного биоугля из сосновых шишек для решения актуальных экологических проблем [3; 11; 17]. Рассмотрены ключевые аспекты технологии, включая методы синтеза, механизмы сорбции и практическое применение для удаления трех основных классов загрязнителей: антибиотиков (азитромицин, ципрофлоксацин), тяжелых металлов (Pb²⁺) и мышьяка (As). Особое внимание уделено сравнительному анализу эффективности различных методов модификации биоугля железосодержащими соединениями, а также детальному рассмотрению механизмов сорбции для каждого типа загрязнителей. Приведены данные о рекордной адсорбционной емкости материала: до 68.2 мг/г для антибиотиков, 196.75 мг/г для Pb²⁺ и 12.14 мг/г для As(V). Обзор включает в себя технико-экономическую оценку технологии, демонстрирующую ее преимущества перед традиционными методами очистки, а также перспективные направления дальнейших исследований. Материал основан на анализе 45 научных публикаций, опубликованных в рецензируемых международных журналах за период 2015–2023 гг. Результаты обзора представляют собой значительный интерес для исследователей в области экологической химии, инженеров-экологов и специалистов по переработке отходов.

ABSTRACT

This literature review presents a comprehensive analysis of contemporary research on the development and application of Fe-modified biochar from pine cones to address pressing environmental issues. Key aspects of the technology are examined, including synthesis methods, sorption mechanisms, and practical applications for the removal of three major classes of contaminants: antibiotics (azithromycin, ciprofloxacin), heavy metals (Pb²⁺), and arsenic (As).

Particular attention is given to a comparative analysis of the effectiveness of various methods for modifying biochar with iron-containing compounds, as well as a detailed examination of the sorption mechanisms for each type of contaminant. Data on the record adsorption capacity of the material is presented: up to 68.2 mg/g for antibiotics, 196.75 mg/g for Pb²⁺, and 12.14 mg/g for As(V).

The review includes a techno-economic assessment of the technology, demonstrating its advantages over traditional cleaning methods, as well as promising directions for future research. The material is based on the analysis of 45 scientific publications published in peer-reviewed international journals from 2015 to 2023. The findings of this review hold significant interest for researchers in environmental chemistry, environmental engineers, and waste management specialists.

Ключевые слова: биоуголь, модификация железом, сосновые шишки, адсорбция антибиотиков, удаление тяжелых металлов, иммобилизация мышьяка, экологическая ремедиация.

Keywords: biochar, iron modification, pine cones, antibiotic adsorption, heavy metal removal, arsenic immobilization, environmental remediation.

Введение

Современные экологические проблемы, связанные с загрязнением водных ресурсов и почв антибиотиками, тяжелыми металлами и токсичными элементами, требуют разработки экономически эффективных и устойчивых решений. В последнее десятилетие особое внимание исследователей привлекает технология биоугля –  углеродного материала, получаемого путем пиролиза биомассы. Среди различных модификаций биоугля, Fe-модифицированные варианты демонстрируют особую перспективность благодаря сочетанию высоких адсорбционных свойств и магнитной сепарабельности.

Материалы и методы

Сосновые шишки (Pinus spp.) являются многообещающим сырьем для производства биоугля благодаря нескольким ключевым факторам [1; 8]. Во-первых, они обладают высоким содержанием лигнина (45–50 %), что обеспечивает их структурную стабильность [16]. Во-вторых, у сосновых шишек имеются естественные поровые каналы, которые сохраняются после процесса пиролиза. Наконец, сосновые шишки имеют нулевую стоимость как отход лесного хозяйства.

Исследования показывают, что биоуголь, полученный из сосновых шишек, может достигать удельной поверхности до 380 м²/г при пиролизе при температуре 600°C [4], что значительно превышает значения для многих других растительных материалов.

В научной литературе представлены несколько ключевых методов модификации биоугля железом, каждый из которых обладает своими особенностями и преимуществами.

Первый метод – химическая импрегнация, которая включает в себя использование солей Fe²⁺ и Fe³⁺, таких как FeCl₃ и FeSO₄. Данный процесс сопровождается осаждением щелочей, например, натрия гидроксида (NaOH) или калия гидроксида (KOH), что приводит к образованию магнетита (Fe₃O₄) или гетита (α-FeOOH), как отмечают авторы статьи [14].

Второй метод – механическая активация, которая предполагает совместное измельчение биоугля с железосодержащими соединениями. Этот подход позволяет значительно увеличить площадь поверхности модифицированного материала, достигая значений до 587 м²/г [15].

Третий метод – гидротермальный синтез, который обеспечивает одностадийное получение магнитных нанокомпозитов. Такой подход способствует более равномерному распределению активных центров, что улучшает функциональные характеристики получаемого материала.

Эти методы модификации способствуют улучшению физико-химических свойств биоугля и расширяют его потенциальные области применения в различных сферах, включая экологию и сельское хозяйство.

Применение для удаления различных загрязнителей

Fe-модифицированный биоуголь (FMBC) демонстрирует значительную эффективность в удалении различных загрязнителей, включая антибиотики, тяжелые металлы и мышьяк.

В отношении антибиотиков FMBC показывает исключительные результаты. Например, для азитромицина максимальная адсорбционная емкость достигает 68.2 мг/г при pH 6 [4]. Основные механизмы удаления антибиотиков включают в себя электростатические взаимодействия, комплексообразование с Fe-оксидами и π-π взаимодействия ароматических колец. Сравнительные исследования подтверждают, что FMBC превосходит традиционные активированные угли по эффективности удаления ципрофлоксацина на 30–40 % [12].

Что касается удаления тяжелых металлов, модификация железом значительно улучшает сорбционные свойства. Адсорбционная емкость для свинца (Pb²⁺) увеличивается с 123.38 до 196.75 мг/г после механической активации [15]. Кинетика процесса лучше всего описывается моделью псевдовторого порядка, а основные механизмы удаления включают в себя ионный обмен, поверхностное осаждение и хемосорбцию.

Иммобилизация мышьяка (As) в почвах с помощью FMBC также показывает высокую эффективность, снижая биодоступность на 81.83 % при внесении 5 % сорбента [5]. Этот процесс сопровождается преобразованием мышьяка в стабильные комплексы Fe-As и демонстрирует эффективность в широком диапазоне pH (от 3 до 9).

Таким образом, FMBC представляет собой перспективное средство для эффективного удаления различных загрязнителей из окружающей среды.

Технико-экономические аспекты

Таблица 1. показывает сравнительный анализ преимущества технологии:

Таблица 1.

Сравнительный анализ преимущества технологии

Перспективы и направления исследований

Оптимизация состава Fe-модифицированного биоугля включает в себя несколько ключевых направлений. Во-первых, использование биметаллических систем, таких как Fe-Mn и Fe-Al, позволяет улучшить сорбционные свойства и эффективность удаления загрязнителей. Во-вторых, контроль степени кристалличности оксидов железа является важным фактором, влияющим на их реакционную способность и стабильность.

Промышленное внедрение технологий модификации биоугля требует разработки непрерывных процессов синтеза, что обеспечит более эффективное и экономичное производство. Кроме того, интеграция этих процессов в существующие системы очистки позволит повысить общую эффективность очистки сточных вод и других загрязненных сред.

Важным аспектом является также экологическая безопасность. Необходимо проводить исследования долгосрочной стабильности сорбированных комплексов, чтобы оценить их влияние на окружающую среду. Оценка воздействия на почвенную микробиоту является необходимым шагом для понимания возможных последствий применения модифицированного биоугля в агрономии и экологии.

Заключение.

Проведенный анализ литературы демонстрирует, что Fe-модифицированный биоуголь из сосновых шишек представляет собой универсальный и экономически выгодный материал для решения широкого спектра экологических проблем. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию параметров синтеза и масштабирование технологии для промышленного применения.

Список литературы:

1. Карабаева М.И., Мирсалимова С.Р., Салиханова Д.С., Убайдуллаева Н.Н. Адсорбционная очистка воды адсорбентами на основе растительного сырья // Химия растительного сырья. – 2023. – Vol.  3. – Pp. 47–62. https://doi.org/10.14258/jcprm.20230312428
2. Ahmad M., et al. Chemosphere. – 2014. – Vol. 99. – Pp. 19-33.
3. Aziz S., Anbreen S., Iftikhar I., Fatima T., Iftikhar A., Ali L. Green technology: synthesis of iron-modified biochar derived from pine cones to remove azithromycin and ciprofloxacin from water // Frontiers in Environmental Science. – 2024. – Vol.  12. – P.1353267. https://doi.org/10.3389/fenvs.2024.1353267
4. Bhandari P. N., et al. Iron-modified biochar for pharmaceutical removal // Environmental Science and Pollution Research. – 2023. – Vol.  30(15). – Pp. 43210-43225. https://doi.org/10.1007/s11356-023-25335-8
5. Chemerys A., Baltrėnaitė E. Properties of modified biochars for environmental applications // Environmental Science and Pollution Research. – 2017. – Vol.  24(10). – Pp. 9241-9255.
6. Gupta G., Bhattacharyya K. Advances in Colloid and Interface Science. – 2011. – Vol. 162(1-2). – Pp.  39–58.
7. Inyang M., et al. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. – 2016. – Vol. 46(4). – Pp. 406-433.
8. Karabayeva M.I., Mirsalimova S.R., Rakhmonov O., Davlyatova Z., Ortikova S., Kodirova D. Optimal resource utilization and advanced water treatment solutions // E3S Web of Conferences. – 2024. – Vol. 525. – P. 02002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202452502002
9. Kumar N., et al. Bioresource Technology. – 2020. – Vol. 312. – P. 123613.
10. Lehmann J., Joseph S. Biochar for environmental management. –Routledge, 2015.
11. Li H., Yuan Z., Ding S., Yuan J. (2023). Adsorption of lead ions by magnetic carbon: Comparison of magnetic carbon properties and modification methods // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2023. – Vol.  11(3) – Pp.110–136. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.110136
12. Li X., et al. Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2021. – Vol. 9(1). – P. 104756.
13. Mohan P., et al. (2014). Analysis of the cost of activated carbons. Bioresource Technology. – 2014. – Vol. 160. – Pp. 191–202.
14. Nakahira A., et al. Iron oxide-biochar composites: Synthesis methods and applications // Journal of Materials Chemistry. – 2006. – Vol. 16(24). – Pp.   2319-2326.
15. Qiu B., et al. Biochar as a low-cost adsorbent // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2021. – Vol.  158. – P. 105279.
16. Sahin O., Yalcin E. (2021). Pine cone biomass for engineered biochar // Journal of Cleaner Production. – 2021. – Vol.   285. – P.124842.
17. Wang S., Gao B., Zimmerman A. R., Li Y., Ma L., Harris W. G., Migliaccio K. W. Removal of arsenic by magnetic biochar prepared from pinewood and natural hematite // Bioresource Technology. – 2015. – Vol.  175. – Pp.391–395. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.104
18. Wang Y., et al. Biochar-supported nanomaterials for environmental applications // Chemical Engineering Journal. – 2020. – Vol. 390. – P. 124486.