ГИДРОТЕРМАЛЬНО АКТИВИРОВАННЫЙ УГЛЕРОД ИЗ КОФЕЙНОЙ ГУЩИ: СИНТЕЗ, ХАРАКТЕРИСТИКА И АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К МЕТИЛЕНОВОМУ СИНЕМУ

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.

1. Miron-Merida, V.A. Valorization of agri-food wastes and by-products / V.A. Miron-Merida et al // Elsevier. – 2021. – P. 173-198.

2. Bharagava R.N. Environmental pollutants and their bioremediation approaches / R.N. Bharagava. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 412 p.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Kim H.-J. Hydrothermal carbonization of spent coffee grounds / H.-J. Kim, S.-C. Oh // Journal of Material Cycles and Waste Management. – 2021.

7. Fast pyrolysis of coffee grounds: characteristics of product yields and biocrude oil quality / J.P. Bok et al // Energy. – 2012.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. A review: hydrochar as potential adsorbents for wastewater treatment and CO2 adsorption / M. Jalilian et al // Science of the Total Environment. – 2024.

13. 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.

14. 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.