《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Understanding the pH-Responsive Behavior of Sodium Bentonite: Experimental Characterization and Machine Learning Modeling for Process Optimization
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钠膨润土pH敏感特性及机器学习模型预测研究揭示了其在1-9pH条件下的物理化学行为与形态特征，结合实验与五类机器学习模型（R2>0.95），为硼酸生产等工业应用提供数据驱动优化框架。
Fatih Kaya | Umay Halisdemir | ?eyda Ta?ar | Beyda Ta?ar
土耳其埃拉泽格（Elazig）菲拉特大学（F?rat University）工程学院化学工程系
摘要
钠基膨润土（sodium bentonite）是一种广泛存在于硼矿（如科莱曼石 colemanite）中的蒙脱石类粘土，由于其高表面反应性和离子交换能力，在众多工业过程中发挥着关键作用，包括陶瓷制造、废水处理和硼酸生产。然而，其pH值依赖性的物理化学行为常常导致过滤效率低下、絮凝困难以及产品质量问题。尽管对钠基膨润土的流变学和表面性质已有大量研究，但将实验表征与数据驱动建模相结合的综合研究仍然较少，这阻碍了对pH敏感粘土系统的理解和优化。
本研究旨在通过全面分析钠基膨润土在宽pH范围（1–9）内的物理化学和形态行为来填补这一空白。实验内容包括pH平衡监测、粘度测量、浊度评估、过滤性能测试、粒径分布分析（利用激光衍射技术）以及表面形态表征（扫描电子显微镜SEM和傅里叶变换红外光谱FTIR）。
研究结果表明，在零电荷点（pHzpc ≈ 8.5）以下，膨润土表面带正电荷，有利于絮凝并提高过滤效果；而在此点以上，分散稳定性增加，粘度上升，导致滤液呈现黄色。傅里叶变换红外光谱证实了钠基膨润土在不同pH值下的化学稳定性。采用多种机器学习模型（线性回归、随机森林、支持向量机、高斯过程回归和提升树）来预测关键工艺参数（pH平衡、电导率和离子浓度），其中提升树和GPR模型的预测精度最高（R2 > 0.95），显示出在工艺优化方面的巨大潜力。
本研究为理解和控制涉及钠基膨润土的pH敏感过程提供了数据驱动的框架，为陶瓷制造、废水处理、钻井液和矿物加工等工业应用提供了宝贵见解。实验方法与机器学习技术的结合不仅提高了预测准确性，还有助于设计更可持续和高效的过滤系统。
章节摘录
引言
粘土矿物是自然界中广泛存在的铝硅酸盐化合物，在环境和工业过程中具有重要作用。这些矿物的特征在于其表面电荷分布、阳离子交换能力、膨胀性能以及在水介质中的流变行为。其中，基于蒙脱石的蒙脱石类粘土尤为突出
材料与方法
为了系统研究钠基膨润土在不同pH环境下的物理化学行为，设计了一系列受控实验。水介质的初始pH值范围为1至9，以模拟强酸性、中性和碱性条件。酸性环境通过硫酸（H?SO?）调节，碱性环境则通过添加氢氧化钠（NaOH）制备。所有溶液均使用蒸馏水新鲜配制
结果与讨论
“粘土”是指与水混合后具有塑性并可分散至小于2微米粒径的铝硅酸盐矿物。需要注意的是，粘土矿物没有明确的化学式。粘土矿物可分为高岭石、伊利石和蒙脱石等类别。蒙脱石是最著名的蒙脱石类粘土成员。钠饱和型蒙脱石可定义为...
结论
本研究全面分析了钠基膨润土在水环境中不同pH条件下的物理化学和形态行为，该矿物常见于低品位科莱曼石硼矿中。研究的主要目的是阐明粘土矿物在硼酸生产过程中导致杂质和过滤问题的机制，并将这些发现转化为可用于工艺设计的实用数据。与以往大多数研究不同...
局限性与未来工作
这些发现不仅验证了所提出建模框架的可靠性，还证明了其在工业领域的直接应用价值。所开发的方法为将工艺数据整合到数字孪生系统中奠定了坚实基础，实现了实时监控、预测控制和现有硼酸生产设施的持续改进。然而，尽管该方法具有科学可靠性，但仍存在一些技术局限性...
未引用的参考文献
?akmak等人，[13]、[38]、[39]、[42]
作者信息披露
作者声明在本文的科学内容创作过程中未使用任何生成式人工智能（AI）工具，仅使用了标准语法和语言检查工具进行少量语言修改，符合期刊的伦理标准。
作者贡献声明
TA?AR Beyda：撰写初稿、验证、软件开发。
TASAR Seyda：撰写与编辑、可视化处理、方法论设计、研究实施、概念构建。
HAL?SDEM?R Umay：方法论设计、研究实施、数据分析、数据管理、概念构思。
KAYA Fatih：撰写初稿、资源获取、项目管理、方法论设计、数据分析、数据整理、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
其他作者亦声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢ET? Maden Operations General Müdürlü?ü（ET?矿业公司）为本次实验研究提供的财政支持。
