双酚吸附与ZnCl2活化茶渣生物炭的混合建模：实验洞察与机器学习预测

《Inorganic Chemistry Communications》：Hybrid modeling of bisphenol adsorption and ZnCl 2 activated tea waste biochar: Experimental insights and machine learning prediction

茶渣吸附剂制备及BPA/BPS去除优化与机器学习整合研究。采用NaOH处理、700℃热解及ZnCl2化学活化制备三种茶渣衍生吸附剂，通过BET、SEM、FTIR等表征证实TW-Z700具有最高比表面积1104 m2/g和适宜pH值（6.93），响应面法优化显示pH6、50mg投加量、400min接触时间可使去除率超95%，伪二级动力学和Freundlich等温模型（R2=0.998）验证吸附机制，机器学习模型有效预测吸附性能，再生实验表明Zn无泄漏，展现出可持续水处理潜力。

　　茶渣作为饮料工业的副产品，近年来因其丰富的化学成分和潜在的环境价值而受到广泛关注。茶渣中含有大量的木质素、纤维素和多酚，这些天然有机物在适当的处理条件下可以转化为具有高效吸附性能的碳基材料。本文旨在探讨如何将茶渣转化为高吸附性能的吸附剂，用于去除水溶液中的内分泌干扰物（EDCs），特别是双酚A（BPA）和双酚S（BPS）。通过结合可持续材料合成、全面的材料表征以及多变量过程优化，研究提出了一种可扩展的水处理方案，以应对日益严重的环境污染问题。

研究中，通过三种不同的方法对茶渣进行了改性处理，分别制备了三种吸附剂：一种是通过氢氧化钠（NaOH）洗涤得到的碱洗茶渣（TW-A），另一种是通过氮气氛围下700℃热解得到的生物炭（TW-B700），第三种则是通过化学活化和热活化相结合的方法，使用氯化锌（ZnCl?）处理得到的中孔碳材料（TW-Z700）。这些吸附剂的结构和表面特性通过BET比表面积分析、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）以及零点电荷（pHzpc）测量等手段进行了系统评估。结果显示，TW-Z700表现出最优异的吸附性能，其比表面积高达1104 m2/g，pHzpc约为6.93，这表明其在中性条件下具有良好的吸附能力。

为了进一步评估这些吸附剂的性能，研究者进行了批次吸附实验，考察了pH值（2-10）、吸附剂用量（10-60 mg）以及接触时间（50-500 min）等因素对BPA和BPS去除效率的影响。实验结果表明，在pH为6、吸附剂用量为50 mg、接触时间为400 min的条件下，BPA和BPS的去除效率均超过了95%。这说明在这些优化条件下，吸附剂能够有效地捕获目标污染物。此外，吸附动力学研究显示，吸附过程符合准二级动力学模型，这表明吸附速率受化学反应控制，而吸附等温线则与弗伦德利希模型高度吻合（R2=0.998），进一步说明了吸附发生在非均质表面上的多层过程。

从热力学角度来看，该吸附过程被证实是自发且放热的，这表明在常温下进行吸附处理是可行的，同时也有助于降低能耗。此外，研究还进行了吸附剂的再生实验，结果显示在多次吸附-解吸循环后，TW-Z700中未检测到锌离子的泄漏，说明其在使用过程中具有较高的安全性和可重复利用性。这些特性对于开发可持续的水处理系统至关重要，因为它们不仅提高了处理效率，还减少了对环境的影响。

在实际应用中，吸附过程的性能受到多种因素的影响，包括溶液的pH值、吸附剂的用量以及初始污染物的浓度。研究者通过实验数据验证了这些参数对吸附效率的关键作用，并进一步利用响应面法（RSM）结合Box-Behnken设计（BBD）进行多变量优化，以确定最佳的吸附条件。优化结果不仅提高了去除效率，还为工程应用提供了可靠的指导。值得注意的是，该研究还引入了机器学习模型，如随机森林和支持向量回归（SVR），用于预测和优化吸附过程。这些数据驱动的方法能够有效捕捉变量之间的复杂非线性关系，从而增强吸附过程的预测能力和优化效果。

在吸附性能方面，研究发现TW-Z700在去除BPA和BPS方面的表现优于其他两种吸附剂。这主要归因于其较高的比表面积和丰富的表面官能团，这些特性为污染物提供了更多的吸附位点。此外，TW-Z700的中孔结构也使其能够有效捕获大分子污染物，如BPA和BPS。相比之下，TW-A和TW-B700虽然也具有一定的吸附能力，但其比表面积和表面官能团的密度相对较低，导致吸附效率不如TW-Z700。因此，通过化学活化和热活化相结合的方法，能够显著提升茶渣作为吸附剂的性能。

在吸附过程中，溶液的pH值对污染物的去除效率有重要影响。实验结果表明，在pH为6的条件下，TW-Z700的吸附性能最佳。这一现象可能与吸附剂表面的电荷性质以及污染物的解离状态有关。在酸性或碱性条件下，污染物的电荷状态会发生变化，从而影响其与吸附剂表面官能团的相互作用。因此，选择适当的pH值对于提高吸附效率至关重要。此外，研究还发现吸附剂的用量对去除效率有显著影响，适量增加吸附剂用量可以提高去除率，但过量使用则可能导致成本增加和处理效率下降。因此，在实际应用中需要在吸附效率和经济性之间找到平衡点。

接触时间也是影响吸附效率的重要因素。实验表明，在接触时间达到400分钟时，BPA和BPS的去除效率接近饱和，这说明吸附过程需要一定的时间才能完成。然而，随着接触时间的延长，去除效率的增长趋于平缓，这表明吸附过程已经进入平衡状态。因此，在实际操作中，选择适当的接触时间可以提高处理效率，同时避免不必要的能源浪费。

除了上述因素外，研究还探讨了盐度和竞争离子对吸附性能的影响。结果表明，随着离子强度的增加，吸附能力有所下降，其中钙离子（Ca2?）对吸附过程的抑制作用比钠离子（Na?）更为显著。这可能是因为竞争离子占据了吸附剂表面的活性位点，从而降低了目标污染物的吸附效率。因此，在实际应用中，需要考虑水体中可能存在的竞争离子，以优化吸附条件并提高去除效率。

为了进一步验证TW-Z700的吸附性能，研究者将其与其他常见的吸附材料进行了比较。结果显示，TW-Z700在去除BPA和BPS方面的表现与已报道的生物炭和纳米复合材料相当，甚至在某些情况下更为优越。这一结果表明，TW-Z700不仅具有良好的吸附性能，还具备较高的经济性和可持续性，使其成为一种理想的水处理材料。

此外，研究还关注了吸附剂的再生性能。通过多次吸附-解吸循环，研究者发现TW-Z700在第五次循环后仍能保持约59.68%的初始吸附能力，最终吸附容量为18.40 mg/g。这一结果表明，TW-Z700具有良好的稳定性和可重复使用性，为长期应用提供了保障。吸附剂的再生过程通常包括洗涤、解吸和干燥等步骤，这些步骤的优化对于提高吸附剂的使用寿命和降低处理成本具有重要意义。

从环境和经济角度来看，茶渣作为一种常见的农业废弃物，其利用不仅有助于减少环境污染，还能为资源回收和再利用提供新的思路。传统的吸附剂多为合成材料，其生产过程通常伴随着高能耗和高污染，而基于茶渣的吸附剂则能够实现废物的高值化利用，符合可持续发展的理念。因此，该研究不仅在技术上具有创新性，还在环保和经济性方面提供了重要的参考价值。

综上所述，本研究通过系统地分析和优化吸附条件，成功开发了一种基于茶渣的高吸附性能材料TW-Z700，并验证了其在去除BPA和BPS方面的有效性。研究结果表明，TW-Z700在比表面积、表面官能团密度和吸附性能等方面均优于其他两种吸附剂，其在实际应用中具有较高的可行性。此外，研究还结合了统计优化和机器学习方法，为吸附过程的预测和优化提供了新的思路。这些发现不仅有助于推动环保技术的发展，也为茶渣的资源化利用提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索TW-Z700在实际水处理系统中的应用，特别是在大规模处理和复杂水体中的表现。同时，还可以考虑其他类型的污染物，以拓宽该吸附剂的应用范围。通过不断优化材料合成和处理工艺，有望开发出更加高效、经济和环保的水处理技术，为解决环境污染问题提供有力支持。