PVC微塑料作为染料污染物的载体：罗丹明B的吸附及基于人工智能的预测建模

《Desalination and Water Treatment》：PVC microplastics as vectors for dye pollutants: adsorption of rhodamine B and AI-based predictive modeling

本研究评估了PVC微塑料对罗丹明B的吸附特性，发现酸性条件下吸附量达2.09 mg/g，伪一级动力学模型和Temkin等温线模型拟合最佳，FTIR证实以范德华力和氢键为主，AI模型（ANN/SVR）预测性能优异，凸显微塑料作为污染物载体对生态和人类健康的风险。

　　本研究围绕聚氯乙烯微塑料（PVC-MPs）对罗丹明B（RhB）的吸附特性展开，旨在探讨其作为合成染料载体在水体环境中的生态风险。微塑料作为一种普遍存在的污染物，其表面特性使其能够有效吸附多种有机污染物，从而在生态系统中发挥重要的传输作用。随着全球对塑料污染的关注不断加深，PVC-MPs因其在工业中的广泛应用，成为研究的重点对象之一。PVC微塑料因其较强的疏水性和氯元素的存在，往往具有较高的环境持久性，这使得其在水体中成为潜在的污染物载体。

本研究通过实验和人工智能建模相结合的方式，系统分析了RhB在PVC-MPs上的吸附行为。实验部分考察了不同pH值、染料浓度、微塑料投加量以及接触时间对吸附过程的影响。结果表明，PVC-MPs在酸性条件下对RhB的吸附能力显著增强，这与微塑料表面电荷特性及非共价相互作用有关。此外，实验中发现，随着微塑料投加量的增加，RhB的吸附能力并未如传统模型所预测那样下降，而是趋于稳定，这一现象可能与微塑料表面的特殊结构和吸附机制有关。

在吸附动力学研究中，伪一级模型被证明是最符合实验数据的模型，其决定系数（R2）超过0.98，说明吸附过程主要由物理吸附主导。物理吸附通常涉及较弱的相互作用，如范德华力、疏水效应以及氢键和卤键作用。这些相互作用在微塑料表面的结构特点下尤为显著，例如表面粗糙度和微孔结构，使得RhB能够与微塑料表面发生一定的结合。此外，通过分析吸附等温线，发现Temkin和Dubinin-Radushkevich模型对实验数据的拟合效果最佳，其决定系数分别达到0.967和0.968，进一步支持了吸附过程以物理作用为主的结论。通过计算平均吸附能（E = 0.0937 kJ/mol），可以确认吸附主要依赖于非共价作用，而非化学键合。

为了更准确地预测吸附行为，研究团队采用了人工神经网络（ANN）和支持向量回归（SVR）等人工智能模型。这些模型在处理复杂非线性关系方面表现出色，能够有效捕捉环境变量与吸附性能之间的关联。在测试集上，ANN模型达到了R2 = 0.999和RMSE = 0.0142，显示出极高的预测精度。而SVR模型的R2为0.992，RMSE为0.0354，同样表现出良好的性能。这表明，人工智能模型在预测微塑料对染料的吸附行为方面具有重要价值，不仅能够简化实验过程，还能提供更深入的机制理解。

本研究的结论强调了PVC-MPs在水体中作为合成染料载体的潜在生态风险。尽管PVC-MPs具有较低的比表面积和孔隙率，但其仍能有效吸附RhB，且在酸性条件下吸附能力显著增强。这一结果对于评估微塑料对生态环境的影响具有重要意义，尤其是在水体中，RhB的吸附可能增加其生物可利用性，进而引发生物累积和生态毒性问题。此外，微塑料的长期存在及其对污染物的吸附能力，也使得其成为人类健康风险的重要来源。

从吸附机制的角度来看，本研究认为RhB与PVC-MPs之间的相互作用主要依赖于物理吸附，而非化学键合。这种吸附行为可能受到多种因素的影响，包括微塑料表面的化学特性、环境pH值以及吸附过程中形成的非共价作用。通过FTIR光谱分析，研究人员发现RhB与PVC-MPs之间并未形成新的化学键，而是通过氢键、卤键以及疏水作用等弱相互作用实现吸附。此外，XRD分析进一步确认了PVC-MPs的晶体结构，揭示了其作为染料载体的物理基础。

本研究的发现不仅有助于理解微塑料对污染物的吸附行为，也为未来环境风险评估和污染治理策略的制定提供了科学依据。考虑到微塑料在自然环境中的广泛存在及其对污染物的吸附能力，有必要进一步研究其在不同环境条件下的行为，以及如何通过技术手段减少其对生态系统的负面影响。此外，人工智能模型的引入为吸附行为的预测和模拟提供了新的工具，未来可以结合更多环境参数，如温度、盐度和污染物种类，以构建更全面的模型体系。

总体而言，本研究通过实验和建模相结合的方式，揭示了PVC-MPs在水体中对RhB的吸附特性及其背后的机制。这些发现不仅深化了对微塑料作为污染物载体的理解，也为相关领域的研究提供了重要的参考。在当前环境问题日益严峻的背景下，微塑料污染及其对生态系统的影响值得进一步关注，特别是在全球范围内，如何有效控制和治理微塑料污染，减少其对环境和人类健康的潜在危害，已成为亟待解决的重要课题。