kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2026-2(22)-74kaz44-2555Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯГИДРОТЕРМАЛЬНО АКТИВИРОВАННЫЙ УГЛЕРОД ИЗ КОФЕЙНОЙ ГУЩИ: СИНТЕЗ, ХАРАКТЕРИСТИКА И АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К МЕТИЛЕНОВОМУ СИНЕМУCOFFEE-GROUND–DERIVED HYDROTHERMALLY ACTIVATED CARBON: SYNTHESIS, CHARACTERIZATION, AND ADSORPTION PERFORMANCE TOWARD METHYLENE BLUEhttps://orcid.org/0000-0002-8640-0667КунарбековаМ. С.KunarbekovaM.

Махаббат Сейт-Задаевна Кунарбекова– доктор философии, научный сотрудник лаборатории инженерного профиля,

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22 

Makhabbat Kunarbekova – Researcher at the Engineering Laboratory,

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22

m.kunarbekova@satbayev.universityhttps://orcid.org/0009-0005-6517-6933ҚаныкешоваА. А.KanykeshovaA.

Акерке Алмаскызы Каныкешова – научный сотрудник лаборатории инженерного профиля,

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22 

Akerke Almaskyzy Kanykeshova – Researcher at the Engineering Laboratory,

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22

a.aslmasovna@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4499-3983ЛазлоК.LaszloK.

Krisztina László – кафедра физической химии и материаловедения, 

Műegyetem rakpart 3., 1111 Будапешт

Krisztina László – Department of Physical Chemistry and Materials Science, 

Műegyetem rakpart 3., 1111 Будапешт

laszlo.krisztina@vbk.bme.huhttps://orcid.org/0000-0003-3842-4397ЖандосовЖ. М.ZhandosovZh. M.

Жакпар Маратович Жандосов – ВНС,

Богенбай батыра 172, Алматы

Zhakpar Maratovich Zhandosov – Candidate of Chemical Sciences,

Богенбай батыра 172, Алматы

jandosovj@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4131-0905АзатС.AzatS.

Сейтхан Азат – PhD, профессор, руководитель лаборатории инженерного профиля, 

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22 

Seitkhan Azat – PhD, professor; Head of the Laboratory of Engineering Profile,

050013, г. Алматы, , ул.Сатпаева 22

s.azat@satbayev.universitySatbayev UniversityКазахстанSatbayev UniversityKazakhstanБудапештский технологический и экономический университетВенгрияБудапештский технологический и экономический университетHungaryРГП «Институт проблем горения»КазахстанРГП «Институт проблем горения»Kazakhstan20262907202602(22)726736Copyright © Кунарбекова М.С., Қаныкешова А.А., Лазло К., Жандосов Ж.М., Азат С., 20262026Кунарбекова М.С., Қаныкешова А.А., Лазло К., Жандосов Ж.М., Азат С.Kunarbekova M., Kanykeshova A., Laszlo K., Zhandosov Z.M., Azat S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/2555

Использованные кофейные гущи (УКГ), обильный лигноцеллюлозный агро-промышленный остаток, были превращены в пористые углеродные адсорбенты через гидротермальную карбонизацию (ГТК), за которой следовала щелочная активация, с целью эффективного удаления метиленового синего (МС) из водных растворов. Гидротермальная карбонизация (ГТК) проводилась в условиях подсуперкритической воды при температурах 180–220 °C и времени пребывания 2–6 ч, что привело к получению гидрокарбонов с настраиваемыми физико-химическими свойствами. Полученные гидрочар были впоследствии активированы с использованием гидроксида калия в микроволновом реакторе для улучшения поверхностной функциональности и пористости. Структурные, текстурные и химические характеристики материалов были всесторонне проанализированы с помощью физисорбции N₂ (площадь поверхности BET и распределение размеров пор), Фурье-спектроскопии ИК (FTIR), сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновской дифракции/Раман-спектроскопии и элементного анализа (XRF/EDX).

Пакетные эксперименты по адсорбции были проведены для оценки кинетики адсорбции, равновесных изотерм и термодинамического поведения по отношению к метиленовому синему. Активированные углероды, полученные из кофейной гущи, продемонстрировали быструю кинетику адсорбции и значительно повышенные адсорбционные способности по сравнению с неактивированными гидрокарбонами. Улучшенная производительность была обусловлена синергетическими эффектами развитых микро- и мезопористых структур и обилием кислородсодержащих функциональных групп на поверхности. Механистический анализ показал, что поглощение метиленового синего было обусловлено сочетанием заполнения пор, электростатического притяжения, π–π донорно-акцепторных взаимодействий между ароматической углеродной поверхностью и молекулами красителя, водородных связей и внутрипористой диффузии.

Результаты показывают, что гидротермальная карбонизация в сочетании с мягкой щелочной активацией обеспечивает эффективный и устойчивый путь для преобразования использованной кофейной гущи в высокоэффективные адсорбенты. Это исследование разъясняет взаимосвязи между условиями синтеза, поверхностной химией, текстурными свойствами и адсорбционной эффективностью, подчеркивая потенциал активированного угля, полученного из использованной кофейной гущи, для практических приложений в очистке сточных вод.

Spent coffee grounds (SCGs), an abundant lignocellulosic agro-industrial residue, were valorized into porous carbonaceous adsorbents through hydrothermal carbonization (HTC) followed by alkaline activation, aiming at the efficient removal of methylene blue (MB) from aqueous solutions. HTC was conducted under subcritical water conditions at temperatures of 180-220 °C and residence times of 2-6 h, producing hydrochars with tunable physicochemical properties. The obtained hydrochars were subsequently activated using potassium hydroxide in a microwave reactor to enhance surface functionality and porosity. The structural, textural, and chemical characteristics of the materials were comprehensively analyzed by N₂ physisorption (BET surface area and pore size distribution), FTIR spectroscopy, SEM, XRD/Raman spectroscopy, and elemental analysis (XRF/EDX).

Batch adsorption experiments were performed to evaluate the adsorption kinetics, equilibrium isotherms, and thermodynamic behavior toward methylene blue. The activated coffee-ground-derived carbons exhibited rapid adsorption kinetics and significantly enhanced adsorption capacities compared to non-activated hydrochars. The improved performance was attributed to the synergistic effects of developed micro- and mesoporous structures and abundant oxygen-containing surface functional groups. Mechanistic analysis indicated that methylene blue uptake was governed by a combination of pore filling, electrostatic attraction, π– π electron donor–acceptor interactions between the aromatic carbon surface and dye molecules, hydrogen bonding, and intraparticle diffusion.

The results demonstrate that hydrothermal carbonization coupled with mild alkaline activation provides an effective and sustainable route for converting spent coffee grounds into high-performance adsorbents. This study elucidates the relationships between synthesis conditions, surface chemistry, textural properties, and adsorption performance, highlighting the potential of SCG-derived activated carbon for practical wastewater treatment applications.

гидротермальная карбонизацияиспользованная кофейная гущаактивированный угольадсорбция метиленового синегоочистка водыHydrothermal carbonizationSpent coffee groundsActivated carbonMethylene blue adsorptionWater purificationThis research was funded by the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. BR28712925).ReferencesMiron-Merida, V.A. Valorization of agri-food wastes and by-products / V.A. Miron-Merida et al // Elsevier. – 2021. – P. 173-198.Miron-Merida, V.A. Valorization of agri-food wastes and by-products / V.A. Miron-Merida et al // Elsevier. – 2021. – P. 173-198.Bharagava R.N. Environmental pollutants and their bioremediation approaches / R.N. Bharagava. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 412 p.Bharagava R.N. Environmental pollutants and their bioremediation approaches / R.N. Bharagava. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 412 p.Preparation and characterization of activated carbon from wild olive cores (oleaster) by H3PO4 for the removal of Basic Red 46 / F. Kaouah et al // Journal of Cleaner Production. – 2013. – 1 September.Preparation and characterization of activated carbon from wild olive cores (oleaster) by H3PO4 for the removal of Basic Red 46 / F. Kaouah et al // Journal of Cleaner Production. – 2013. – 1 September.Adsorption of methylene blue onto activated carbon developed from biomass waste by H2SO4 activation: kinetic, equilibrium and thermodynamic studies / A.H. Jawad et al // Desalination and Water Treatment. – 2016. – November.Adsorption of methylene blue onto activated carbon developed from biomass waste by H2SO4 activation: kinetic, equilibrium and thermodynamic studies / A.H. Jawad et al // Desalination and Water Treatment. – 2016. – November.Adsorption isotherms and kinetic modeling of methylene blue dye onto a carbonaceous hydrochar adsorbent derived from coffee husk waste / T.H. Tran et al // Science of the Total Environment. – 2020. – 10 July.Adsorption isotherms and kinetic modeling of methylene blue dye onto a carbonaceous hydrochar adsorbent derived from coffee husk waste / T.H. Tran et al // Science of the Total Environment. – 2020. – 10 July.Kim H.-J. Hydrothermal carbonization of spent coffee grounds / H.-J. Kim, S.-C. Oh // Journal of Material Cycles and Waste Management. – 2021.Kim H.-J. Hydrothermal carbonization of spent coffee grounds / H.-J. Kim, S.-C. Oh // Journal of Material Cycles and Waste Management. – 2021.Fast pyrolysis of coffee grounds: characteristics of product yields and biocrude oil quality / J.P. Bok et al // Energy. – 2012.Fast pyrolysis of coffee grounds: characteristics of product yields and biocrude oil quality / J.P. Bok et al // Energy. – 2012.Franca A.S. Potential uses of spent coffee grounds in the food industry / A.S. Franca, L.S. Oliveira // Foods. – 2022. – Vol. 11, № 14. – Art. 2064.Franca A.S. Potential uses of spent coffee grounds in the food industry / A.S. Franca, L.S. Oliveira // Foods. – 2022. – Vol. 11, № 14. – Art. 2064.Hydrothermal liquefaction of sewage sludge to produce bio-oil: effect of co-pretreatment with subcritical water and mixed surfactants / T. Yang et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 2019. – Vol. 144. – P. 28-38.Hydrothermal liquefaction of sewage sludge to produce bio-oil: effect of co-pretreatment with subcritical water and mixed surfactants / T. Yang et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 2019. – Vol. 144. – P. 28-38.Kruse A. Hydrothermal conversion of biomass to fuels and energetic materials / A. Kruse, A. Funke, M.-M. Titirici // Current Opinion in Chemical Biology. – 2013. – Vol. 17, Issue 3. – P. 515- 521.Kruse A. Hydrothermal conversion of biomass to fuels and energetic materials / A. Kruse, A. Funke, M.-M. Titirici // Current Opinion in Chemical Biology. – 2013. – Vol. 17, Issue 3. – P. 515- 521.Hydrochar from spent coffee ground as a sustainable adsorbent for dye removal from water: adsorption characterization and improvement via soft alkaline activation / G. Pace et al // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2026. – 7 January.Hydrochar from spent coffee ground as a sustainable adsorbent for dye removal from water: adsorption characterization and improvement via soft alkaline activation / G. Pace et al // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2026. – 7 January.A review: hydrochar as potential adsorbents for wastewater treatment and CO2 adsorption / M. Jalilian et al // Science of the Total Environment. – 2024.A review: hydrochar as potential adsorbents for wastewater treatment and CO2 adsorption / M. Jalilian et al // Science of the Total Environment. – 2024.The impact of hydrothermal carbonization on the surface functionalities of wet waste materials for water treatment applications / M. Niinipuu et al // Environmental Science and Pollution Research. – 2020.The impact of hydrothermal carbonization on the surface functionalities of wet waste materials for water treatment applications / M. Niinipuu et al // Environmental Science and Pollution Research. – 2020.Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis / J.A. Libra et al // Biofuels. – 2011.Hydrothermal carbonization of biomass residuals: a comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis / J.A. Libra et al // Biofuels. – 2011.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.