Forscher haben eine umweltfreundliche Methode entwickelt, um weggeworfene Orangenschalen in ein hocheffizientes Material umzuwandeln, das giftige Farbstoffe aus Abwasser entfernen kann. Dies bietet eine nachhaltige Lösung für zwei wachsende globale Herausforderungen: die Entsorgung von landwirtschaftlichen Abfällen und die Wasserverschmutzung.
Die Verschmutzung durch industrielle Farbstoffe stellt weltweit ein gravierendes Umweltproblem dar. Jährlich werden über 700.000 Tonnen synthetischer Farbstoffe produziert, von denen ein erheblicher Teil aufgrund unvollständiger Aufbereitung in Gewässer gelangt. Selbst in geringen Konzentrationen können Farbstoffe Wasser verfärben, für Wasserlebewesen lebensnotwendiges Sonnenlicht blockieren und schädliche Verbindungen bilden, die eine Gefahr für Mensch und Ökosystem darstellen. Die Adsorption mithilfe kohlenstoffbasierter Materialien hat sich als vielversprechende Sanierungsstrategie erwiesen, doch viele der derzeit verfügbaren Materialien weisen Einschränkungen hinsichtlich Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit auf.
In einer neuen Studie entwickelten Wissenschaftler ein fortschrittliches Biokohle-Adsorptionsmittel aus Orangenschalenabfällen, einem Nebenprodukt der Zitrusverarbeitung, das in großen Mengen anfällt. Die Forschung stellt eine Methode zur Doppelaktivierung mit Zinkchlorid und Eisenchlorid vor, um eine hierarchisch poröse Biokohle mit erhöhter Oberflächenreaktivität herzustellen.
„Diese Arbeit zeigt, wie landwirtschaftliche Abfälle in hochwertige Materialien für den Umweltschutz umgewandelt werden können“, sagte der korrespondierende Autor Lei Zhang. „Durch die Kombination zweier Aktivierungsstrategien haben wir eine Biokohle hergestellt, die nicht nur eine große Oberfläche aufweist, sondern auch zahlreiche aktive Zentren enthält, die zusammenwirken, um Schadstoffe effizient zu binden.“
Das neue Material Fe/Zn-OPBC500 zeigte eine außergewöhnliche Leistung bei der Entfernung von Methylenblau, einem häufig verwendeten Industriefarbstoff, der oft Textilabwässer verunreinigt. Labortests ergaben eine Adsorptionskapazität von 237,53 Milligramm Farbstoff pro Gramm Biokohle. Innerhalb einer Stunde wurden fast 97 Prozent des Farbstoffs entfernt. Das Material behielt seine hohe Leistungsfähigkeit auch unter verschiedensten Wasserbedingungen bei und wies selbst nach sieben Wiederverwendungszyklen noch eine signifikante Entfernungskapazität auf.
Die Leistungsfähigkeit des Materials beruht auf seiner einzigartigen Struktur. Durch die duale chemische Aktivierung entsteht ein Netzwerk von Poren im mikroskopischen bis nanometergroßen Bereich, wodurch die verfügbare Oberfläche zur Schadstoffbindung drastisch vergrößert wird. Gleichzeitig bieten eisenbasierte aktive Zentren und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen vielfältige Mechanismen zur Bindung von Farbstoffmolekülen, darunter elektrostatische Anziehung, chemische Bindung, Wasserstoffbrückenbindungen und Wechselwirkungen zwischen aromatischen Kohlenstoffstrukturen und Farbstoffmolekülen.
„Herkömmliche Biokohle weist oft eine begrenzte Adsorptionskapazität oder schlechte Recyclingfähigkeit auf“, erklärte Zhang. „Unsere Strategie der synergistischen Modifizierung löst diese Herausforderungen durch die Integration von Strukturoptimierung und Oberflächenchemie, was zu hoher Effizienz und Langlebigkeit führt.“
Die Studie unterstreicht zudem die ökologischen Vorteile der Verwertung von Abfällen aus der Zitrusverarbeitung. Orangenschalen machen etwa 40 bis 50 Prozent der gesamten Fruchtmasse bei der Verarbeitung aus und werden häufig auf Deponien entsorgt oder verbrannt, was zu Sekundärverschmutzung führen kann. Die Umwandlung dieser Abfälle in moderne Adsorptionsmittel bietet eine nachhaltige Alternative, die die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft unterstützt und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert.
Neben der Farbstoffentfernung glauben die Forscher, dass das Material auch zur Behandlung anderer Arten von Industrieabfällen eingesetzt werden kann. Die Studie liefert neue Erkenntnisse darüber, wie künstlich hergestellte Biokohlestrukturen gezielt auf bestimmte Schadstoffe ausgerichtet werden können, wodurch sich die Anwendungsmöglichkeiten in der Abwasserbehandlung, der Umweltsanierung und der Rohstoffrückgewinnung potenziell erweitern.
„Unsere Ergebnisse liefern einen Fahrplan für die Entwicklung von Kohlenstoffmaterialien der nächsten Generation aus erneuerbarer Biomasse“, sagte Zhang. „Durch weitere Skalierung und Optimierung könnte dieser Ansatz zu saubereren Wassersystemen beitragen und gleichzeitig landwirtschaftliche Abfälle reduzieren.“
Die Forschung zeigt, wie innovative Materialwissenschaften alltägliche Lebensmittelabfälle in leistungsstarke Umwelttechnologien umwandeln können, die dazu beitragen, die Herausforderungen der Umweltverschmutzung anzugehen und gleichzeitig eine nachhaltige Ressourcennutzung zu fördern.
Credits
Lei Zhang Xin Liu Wenbo Liu Hongying Du und Junkang Guo
