新型丝瓜络衍生吸附剂一步法高效去除水中痕量PFOA：基于实验设计与人工神经网络的优化研究

本研究针对全氟辛酸(PFOA)这一持久性有机污染物的水环境治理难题，开发了基于丝瓜络(Luffa cylindrica)生物质的新型吸附剂TCL1。通过全因子设计(FFD)优化合成条件（400°C煅烧20分钟+酸活化），结合响应面法(RSM-CCRD)与人工神经网络(ANN)建模，实现在pH 3.4、22°C条件下对低浓度PFOA(0.6 μg g-1)95.3%的去除率。研究揭示了静电作用、疏水效应和氢键协同的吸附机制，Langmuir模型显示最大吸附容量达2.18×103 μg g-1，为复杂水体中PFAS治理提供了绿色解决方案。

　　

全氟辛酸(PFOA)作为典型的持久性有机污染物，其碳氟键(C-F)高达531.5 kJ/mol的键能使其在环境中极难降解。这种广泛应用于消防泡沫、防水涂料等领域的"永久化学品"，已在水体、生物体液甚至母乳中被检出，美国环保署(US EPA)将其饮用水限值设定为70 ng L^-1。传统处理技术如膜过滤、高级氧化等面临能耗高、副产物毒性等问题，而常规吸附材料又难以应对环境水体中ng~μg/L级的痕量污染。

里约热内卢州立大学(UERJ)生物修复与水处理创新实验室(LABIFI)的研究团队另辟蹊径，将目光投向热带地区常见的丝瓜络(Luffa cylindrica)。这种富含纤维素的多孔生物质经过400°C快速热解和磷酸活化后，转型为具有丰富含氧官能团的吸附剂TCL1。研究采用实验设计(DoE)与人工智能联用的创新策略：先通过全因子设计筛选出煅烧温度和酸活化两个关键参数，再结合中心复合旋转设计(CCRD)与人工神经网络(ANN)建模，仅用26组实验就精准预测出最佳操作窗口。

关键技术包括：1) 采用响应面法优化吸附条件；2) 应用ANN模型预测去除效率；3) 通过FTIR、Raman等技术表征材料特性；4) 使用LC-MS检测痕量PFOA；5) 合成废水验证实际应用潜力。

材料选择与优化
丝瓜络纤维经热化学改性后，BET分析显示比表面积显著增加，FTIR检测到羧基、羟基等活性位点。全因子设计证实温度与活化方式对PFOA去除率影响显著(p<0.05)，最优合成条件为400°C煅烧20分钟结合酸处理。

去除效率优化
RSM-CCRD模型显示pH和吸附剂/污染物比(ADO/ADE)是主导因素。在pH 3.4(接近PFOA的pKa)、22°C条件下，对0.6 μg g^-1 PFOA的去除率达95.3%，ANN模型预测精度R²=0.9796。

作用机制解析
动力学符合伪二阶模型(PSO，R²=0.9912)，等温线适配Redlich-Peterson模型，表明存在多层吸附与表面异质性。热力学参数证实为自发放热过程，FTIR谱图位移证实存在静电作用和氢键。

实际应用验证
合成废水测试中仍保持80.8%去除率，5次再生后效率仅下降9.2%。但有机物和无机盐会竞争吸附位点，提示实际应用中需预处理。

这项研究开创性地将农业废弃物转化为高效吸附材料，其创新点在于：1) 开发20分钟快速热解工艺，较传统生物炭制备节能80%；2) 首次将ANN与RSM联用优化PFAS吸附体系；3) 在环境相关浓度(μg/L级)下验证性能。为欧盟2024/3019指令要求的2030年前PFAS治理目标提供了经济可行的技术选择，尤其适合发展中国家推广。未来研究可拓展到其他PFAS同系物及真实环境水体的中试验证。