利用香蕉皮制成的活性炭去除茜素：通过等温线、动力学及预测模型探究吸附过程

《BMC Chemistry》：Activated carbon from banana peels for alizarin removal: understanding the adsorption process through isotherms, kinetics, and predictive modeling

本研究采用香蕉皮制备活性炭，通过动力学和等温线模型分析其去除Alizarin染料的机制，发现伪二级动力学模型和Freundlich等温线模型最优。利用响应面法与人工神经网络优化参数，最佳条件下去除率达92.18%，实际水样验证显示高效去除但存在活性位点饱和问题。未来可探索复合材料及分子模拟。

　　本研究探讨了利用香蕉皮制备的低成本、高效活性炭去除亚甲基蓝（ALZ）的可行性。通过非线性动力学研究、吸附等温模型和预测模型，对吸附过程进行了深入分析。研究过程中选择了多种模型进行评估，依据的是R2、调整R2、卡方、SSE和ARE等误差函数。这些模型包括内扩散模型、伪一级动力学模型、Elovich模型和伪二级动力学模型，它们都与实验数据拟合良好。其中，伪二级动力学模型与实验数据的拟合度最高，因此推断吸附机制为化学吸附。在等温研究方面，Langmuir、Temkin、Dubinin-Radushkevich和Freundlich模型均能描述ALZ的吸附过程。通过比较误差分析，发现Freundlich模型最为准确，表明吸附主要发生在多层表面上。此外，采用二次模型进行预测，其R2值达到0.9740，准确预测了去除效率，并确定了剂量和浓度为影响去除效率的最重要因素。优化后的实验条件为3.05分钟、pH值为5.55、剂量为0.014克、浓度为21.50 ppm，从而实现了高达92.18%的去除效率。人工神经网络（ANN）在预测能力（96.26%）和训练与验证数据集的相关系数（0.99999）方面表现出色，优于中心组合设计（CCD）。通过比较残差误差和统计误差函数（SSE、MSE、RMSE和MAE），这一结论得到了验证。本研究展示了将活性炭与数学模型结合，以理解吸附过程的双方法。

随着全球人口的快速增长，过去几十年间经济迅速发展，城市化、农业和工业化导致大量有毒物质排放至水体中，从而对生态系统造成严重污染。这些污染物不仅影响动植物，还对人类健康构成威胁，引发广泛的担忧。水体污染已成为一个长期存在的问题，近年来污染水平持续上升。常见的水体污染物包括有毒重金属、塑料、药物、纺织染料和持久性有机污染物。其中，纺织染料作为工业废水，对人类和水生生物构成威胁。据估计，全球每年有约200万吨染料被应用于造纸、塑料、化妆品、油墨和食品包装等行业。研究表明，染料处理过程中约有15%的染料会重新进入生态系统。染料具有高度稳定性，能够在环境中长期存在，这使得其对环境和健康的影响更为持久。常见的染料包括孔雀绿（MG）、甲基红（MR）、甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）、亚甲基蓝（ALZ）、罗丹明B（RhB）、溴百里酚蓝（BMB）和溴酚蓝（BPB）。其中，ALZ在多个工业过程中被广泛使用。由于其联苯结构，ALZ对降解表现出极强的抵抗力，这使得其在环境中难以被彻底清除。

ALZ的存在导致溶解氧的消耗，从而减少了水下植物获得的阳光，影响其生长。ALZ在水生生物中的生物累积会通过食物链进入人体，造成健康危害。因此，科学界将研究重点放在开发高效的染料去除技术上。常用的水处理技术包括光催化降解、吸附和电化学降解。其中，吸附技术因其设计简单、成本低廉、操作便捷、工业适用性强以及吸附剂易于再生而被广泛应用。在ALZ去除过程中，常用的吸附剂包括黏土、活性炭、氧化铝、硅质材料、复合材料和沸石。活性炭因其较大的比表面积、多孔结构和良好的热稳定性而成为其中最受欢迎的选择。研究已经探讨了利用农业废弃物合成活性炭的可行性，特别是在去除ALZ方面。将农业废弃物用于染料去除对环境有益，因为它减少了固体废弃物的排放，同时也为获得高价值活性炭提供了更经济的替代方案。在水处理过程中，吸附剂与吸附质之间有充分的相互作用，从而在一定时间内达到吸附平衡。

为了深入了解吸附过程，研究使用了等温模型和动力学分析。这些模型能够提供吸附机制、吸附剂表面特性以及吸附质与吸附剂之间亲和力的见解。常用的模型包括Langmuir、Temkin、Freundlich和Dubinin-Radushkevich等非线性模型。动力学模型则用于识别吸附过程中的速率限制步骤以及吸附机制，即化学吸附或物理吸附。研究还涉及了内扩散、膜扩散和孔表面等现象的解释。然而，传统的优化方法成本较高，因为需要大量的试剂、耗时较长，并且通常只能单独改变一个参数，无法同时优化多个因素。因此，研究采用了响应面法（RSM）和人工神经网络（ANN），这些方法节省时间，并能同时优化多个过程参数。

本研究使用了RSM和ANN进行建模和优化。RSM与ANN结合能够提高模型的可靠性和响应预测的准确性，这通过实验设计和MATLAB R2024实现。中心组合设计（CCD）被选用，因为它不需要三因子实验，而是采用二次模型，从而减少实验次数，提高经济性。本文提出了一种通过预测建模理解吸附过程的方法，利用CCD和ANN分析时间、剂量、pH值和浓度对ALZ去除的影响。此外，还详细阐述了等温模型，用于描述吸附模式，以及动力学模型，用于揭示吸附机制和速率限制步骤。研究还指出，目前尚未有研究将香蕉皮活性炭与等温模型、动力学模型和人工智能模型结合用于ALZ去除。

研究中使用的材料包括从Sigma Aldrich购买的氢氧化钠、去离子水、盐酸、硫酸和ALZ，以及从乌干达坎帕拉市的Kalerwe市场获取的香蕉皮。为了制备吸附质溶液，将1克染料溶解于1升去离子水中，通过连续稀释获得所需的浓度，用于吸附研究。为了制备活性炭，研究采用了一种改进的合成方法，通过硫酸对香蕉皮进行功能化处理，然后在特定条件下进行活化。吸附实验采用批次实验方法，以确定活性炭对ALZ的去除效率。实验包括100毫升体积的ALZ（浓度范围为15-45 mg/l），吸附剂量范围为0.008-0.02克，pH值范围为5-10，使用氢氧化钠和盐酸调节。实验过程中，悬浮液在磁力搅拌器上以175 rpm的速度在20°C下混合，随后通过离心分离。使用UV-3100PC分光光度计（波长范围为200-700 nm）测定吸附后的ALZ（425 nm）的吸光度。通过公式计算去除率和吸附平衡时的吸附容量。

在等温模型研究方面，通过非线性回归分析了吸附质与吸附剂之间的相互作用。等温模型能够揭示吸附是否发生在单层或多层表面，并且可以定性评估吸附剂的吸附能力。研究使用了Langmuir、Temkin、Freundlich和Dubinin-Radushkevich等模型进行分析。在动力学研究方面，采用非线性回归分析了吸附过程中的速率变化。动力学模型包括伪一级动力学（PFO）、内扩散、Elovich和伪二级动力学（PSO），这些模型能够帮助识别吸附机制。通过比较不同模型的拟合度，研究发现PSO模型与实验数据的拟合度最高，因此认为吸附机制为化学吸附。

在中心组合设计（CCD）的应用方面，研究分析了线性、双因子（2F）、二次和三次模型，以有效预测ALZ去除的结果。CCD能够减少实验次数，提高经济性，并用于回归方程和实验条件的评估。通过比较不同模型的拟合度，研究发现二次模型在预测去除效率方面表现最佳。此外，研究还进行了模型验证，分析了残差误差和统计误差函数（SSE、MSE、RMSE和MAE），以比较模型与实验数据的拟合度。研究结果表明，人工神经网络在预测能力方面优于中心组合设计。

研究还分析了不同参数之间的交互作用，通过2D等高线图和3D表面响应图展示了这些相互作用。参数包括时间、剂量、pH值和浓度。通过比较不同参数的交互作用，研究发现浓度和pH值之间的相互作用对去除效率的影响最大。此外，研究还探讨了吸附剂的可重复使用性，评估了其在五个循环中的性能。结果表明，在前五个循环中，香蕉皮活性炭表现出良好的可重复使用性和稳定性，但在后续循环中去除效率略有下降，这可能是由于吸附剂表面活性位点的占用。

本研究还比较了香蕉皮活性炭与其他吸附剂的性能。通过分析吸附容量，发现香蕉皮活性炭在去除ALZ方面表现出优异的性能。此外，研究还评估了吸附机制，通过FTIR、BET、XRD和SEM分析，揭示了吸附过程中可能发生的氢键、孔填充、静电吸引、偶极-偶极相互作用、π-π和σ-π相互作用。这些结果表明，香蕉皮活性炭在去除ALZ方面具有良好的应用前景。

研究结果表明，香蕉皮活性炭在实际水样中表现出良好的去除效果。四个水样被采集自乌干达坎帕拉市周边，以评估活性炭的实际应用能力。研究发现，在这些水样中，ALZ的去除效率均高于94%。然而，污水和工业废水的去除效率略低，这可能是由于存在竞争离子，这些离子容易吸附在活性炭的活性位点上。

本研究还探讨了活性炭的可重复使用性，评估了其在五个循环中的表现。研究发现，在前五个循环中，香蕉皮活性炭表现出良好的可重复使用性和稳定性，但在后续循环中去除效率有所下降。这可能是由于活性炭的活性位点被ALZ占据，即使经过NaOH溶液的解吸处理，仍然存在一定的吸附残留。此外，研究还比较了香蕉皮活性炭与其他吸附剂的性能，发现其在去除ALZ方面具有较高的吸附容量和效率。

综上所述，本研究通过将香蕉皮活性炭与数学模型结合，成功揭示了ALZ去除的机制和影响因素。中心组合设计和人工神经网络在建模和优化过程中表现出色，能够准确预测去除效率并确定最佳实验条件。研究结果表明，香蕉皮活性炭在去除ALZ方面具有显著的优势，是一种具有潜力的吸附材料。未来研究可以进一步探索混合人工智能模型的应用，以提高实验数据与预测数据的相关性。此外，可以研究不同复合材料对活性炭功能化的可能性，以提高其去除效率。通过这些方法，可以为开发高效的水处理技术提供新的思路和方法。