基于废弃生物质衍生的氧化钙改性生物炭可持续去除四环素：响应面法优化、机器学习预测及成本分析

《Biomass and Bioenergy》：Sustainable tetracycline removal using waste derived CaO modified biochar: RSM optimization, machine learning prediction and cost analysis

　　

在本研究中，研究人员利用无化学添加的绿色工艺从蛋壳中制备了绿色氧化钙纳米颗粒（CaO）。此外，开发了CaO改性水葫芦（Eichhornia crassipes）衍生生物炭用于去除水中的四环素（TC）。研究人员采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析仪（BET）、X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDX）等多种技术对CaO和生物炭（CB）的表面性质进行了表征。场发射扫描电子显微镜（FESEM）证实了生物炭表面立方体形状的CaO纳米颗粒的存在。研究人员采用中心复合设计（CCD）（5因素-2水平）和机器学习（ML）模型，包括多层感知器（MLP）、随机森林（RF）和决策树（DT），优化了水溶液中TC的去除效率。通过比较DT、MLP和RF模型的性能，MLP在吸附效率的预测准确性和能力方面表现更优，其决定系数R2?=?0.990。TC处理的输入参数相对重要性排序为：pH（36%）?>?初始TC浓度（19%）?>?温度（16%）?>?处理时间（15%）?>?吸附剂投加量（14%）。在响应面法（RSM）研究中，CB对TC实现了最高80%的最佳去除率。热力学分析证实TC的去除是吸热过程。Freundlich等温线模型表明TC分子发生了多层吸附，CB对TC的Langmuir最大吸附容量qmax为86.98 mg/g。再生研究证实了CB在五个连续循环中的稳定性和可重复使用性，去除率保持在62%。基于材料成本的经济评估估计为$3.64 kg?1，证明了该材料的成本效益。

论文解读：基于废弃生物质衍生的CaO改性生物炭去除四环素的综合研究

本研究聚焦于水体中新兴污染物四环素的去除，由Divya Dhillayan、Santosh Bhukal、Sanjay Kumar、Suresh Ghotekar及Navish Kataria共同完成，发表于《Biomass and Bioenergy》。随着制药业的发展，抗生素在水体中的残留引发了严重的生态与健康担忧。四环素（TC）因其广谱抗菌性和低成本被大量使用，但其难以生物降解的特性导致其在水生环境中持续累积，进而诱导耐药菌的产生。传统的废水处理方法对TC的去除效率有限，而高级氧化、光催化等技术往往伴随着高能耗、高成本和二次污染的问题。相比之下，吸附法因其操作简便、能耗低且具有可持续性被视为一种极具潜力的修复策略。生物炭作为一种具有丰富孔隙结构和表面官能团的吸附材料，近年来备受关注。然而，原始生物炭的吸附容量有限，通常需要改性以增强其性能。本研究创新性地利用入侵植物水葫芦（WH）和厨余垃圾蛋壳这两种废弃物，制备了氧化钙（CaO）改性生物炭（CB），旨在通过结合响应面法（RSM）与机器学习（ML）技术，实现对TC的高效、低成本去除，并探讨其吸附机理与实际应用潜力。

在研究技术方法上，研究人员首先通过简单的热解和湿法浸渍法合成了CB复合材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（BET）、X射线光电子能谱（XPS）及能量色散X射线光谱（EDX）等手段对材料进行了系统的物理化学表征。随后，研究结合了统计学与人工智能方法，采用中心复合设计（CCD）构建实验矩阵，并建立了三种机器学习模型——多层感知器（MLP）、随机森林（RF）和决策树（DT）来预测和优化TC的吸附效率。此外，通过批量吸附实验分析了吸附动力学、等温线和热力学行为，并进行了五次循环的再生实验以评估材料的稳定性。

研究结果部分详细阐述了以下发现：

在“Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)”分析中，研究人员通过红外光谱识别了吸附剂表面的官能团。结果显示，纯CaO和CB在高波数区域（3000-4000 cm^?1）均表现出明显的峰，这归因于游离羟基（-OH）基团，表明CaO表面吸附了大气水分形成了Ca(OH)₂。这一发现揭示了改性后材料表面的化学性质变化，为后续吸附机制提供了线索。

在“Conclusion”部分，研究得出结论：本研究成功合成了一种低成本的CaO改性生物炭。综合实验和预测研究表明，优化的理想条件为特定参数组合。该材料对TC的吸附过程符合Freundlich等温线模型，表明其为多层吸附，且Langmuir最大吸附容量q_max达到86.98 mg/g。热力学分析证实该过程是吸热的。经济评估显示材料成本仅为$3.64 kg^?1，凸显了其经济可行性。

在“Ethics and consent to participate”、“Consent for publication”、“Availability of data and materials”、“Funding”、“CRediT authorship contribution statement”、“Declaration of completing interest”及“Acknowledgment”等章节中，研究人员声明了伦理审批不适用，数据可根据合理请求获取，并详细列出了作者的贡献比例及资金来源，确认了来自J.C Bose大学及UGC的研究资助支持。

综上所述，本研究通过废物资源化策略，成功构建了蛋壳源CaO改性水葫芦生物炭。该研究不仅有效解决了入侵物种治理和厨余垃圾处置的难题，还通过RSM与ML的联用显著提高了吸附效率预测的精准度。研究证实该复合材料对TC具有较高的吸附容量和良好的再生性能，且成本低廉，为实现联合国可持续发展目标（SDGs）中的清洁水源和负责任消费与生产提供了有力的技术支撑。这项工作展示了将环境修复与人工智能优化相结合的广阔前景，为复杂水体中抗生素的深度净化提供了新的思路。