Зеленый синтез наночастиц MnO₂ на оболочке яйца для быстрой деконтаминации тетрациклина

Аннотация

Используя обильные ретикулярные белки и восстанавливающие функциональные группы в оболочке яйца (ESM), разработан одностадийный зеленый путь к синтезу наночастиц диоксида марганца (MnO₂) из переманганата калия. В этом процессе ESM одновременно служит матрицей и восстановителем, исключая суровые условия, сложные пост-обработки и необходимость в центрифугировании или фильтрации. Полученный композит MnO₂ NPs/ESM демонстрирует равномерное покрытие наночастицами и загрузку 2,88 % MnO₂. При деконтаминации гидрохлорида тетрациклина (TCH) удаляется 72,27 % от 50 мг/л TCH за 20 мин, а эффективность достигает 83,10 % через 60 мин в буферных условиях (pH 3,0). Кинетический анализ подтверждает псевдо-второго порядка путь деградации, подчеркивая практический потенциал этого наноматериала для очистки сточных вод.

Введение

Фармацевтические и средства личной гигиены (ФСЛГ), особенно антибиотики тетрациклинов, сохраняются в водной среде, создавая экологические и zdravые риски. Конвенциональные методы очистки не полностью деградируют эти соединения. Наночастицы MnO₂ выступают перспективными окислителями благодаря высокой удельной поверхности, настраиваемой структуре и экологичной природе. Однако типичные процессы деконтаминации на базе MnO₂ требуют сложных этапов разделения, ограничивая масштабируемость.

Оболочка яйца, белково-богатый побочный продукт, предлагает уникальные центры связи для металлических ионов и успешно применялась как биоматрица для наночастиц благородных металлов и металоксидов. Ее волокнистая сеть и обильные –OH, –NH₂ и –SH группы обеспечивают как каркас, так и восстанавливающую среду.

Материалы и методы

Реактивы и аппаратура

Все химикаты аналитического grades. Деионизированная вода (18,2 МОм·см) использовалась везде. ESM извлекали из свежих яиц, вымывали и сушили при комнатной температуре. Переманганат калия (KMnO₄, 1 ммоль/л) служил источником Mn.

Синтез MnO₂ NPs/ESM

5-миллиграмовые фрагменты ESM погружали в 20 мл раствора KMnO₄ и перемешивали при комнатной температуре 35 мин. Изменение цвета от пурпурного к светло-коричневому вместе с постепенным подъемом pH подтверждало формирование MnO₂. После промывки водой мембраны сушили и хранили для дальнейшего использования.

Процедура деконтаминации TCH

В 15 мл раствора 50 мг/л TCH (PBS, pH 3,0) добавляли 20 фрагментов ESM и перемешивали 60 мин. УФ-вис спектры регистрировали при 358 нм для квантификации остаточного TCH. Эффективность удаления рассчитывали как R = (1 – C/C₀) × 100 %.

Результаты и обсуждение

Характеризация MnO₂ NPs/ESM

SEM-изображения показывают многослойную волокнистую сеть, равномерно покрытую ~5 нм сферическими наночастицами. TEM подтверждает размер частиц и межплоскостное расстояние 2,5 Å, соответствующее плоскости (400) α-MnO₂. XPS показывает окислительную степень Mn²⁺ с характерными пиками Mn 2p и O 1s. Термогравиметрический анализ указывает на загрузку 2,88 % MnO₂. Легкое восстановление композита простым удалением мембраны подчеркивает его оперативное преимущество.

Производительность деконтаминации TCH

В буферных условиях (pH 3,0) композит достиг 72,27 % удаления за 20 мин и 83,10 % через 60 мин. Без буфера удаление составило 78,37 % при 60 мин, с более быстрым начальным темпом, но более медленным общим прогрессом из-за подъема pH в процессе деградации. Процесс следует псевдо-второго порядка кинетической модели, указывая на поверхностно-опосредованную окислительную деградацию.

Сравнение с коммерческим MnO₂

По сравнению с коммерческим порошком MnO₂, MnO₂ NPs/ESM дал на 15–20 % более высокую эффективность удаления в идентичных условиях, избегая необходимости в центрифугировании или фильтрации.

Заключение

Демонстрирован легкий, зеленый синтез наночастиц MnO₂ на оболочке яйца, достигающий эффективной деконтаминации тетрациклина с быстрым, простым восстановлением. Этот подход предлагает масштабируемое, низкозатратное решение для удаления ФСЛГ из сточных вод.