可持续工程化筷子-蛋壳复合生物炭：基于集成优化与机器学习框架的酸性矿山废水重金属去除研究

为解决酸性矿山废水(AMD)中Pb(II)等重金属污染问题，研究人员开发了一种新型复合生物炭BC-CaCO3/TiO2，通过微波辅助热解和溶胶-凝胶法构建。研究采用RSM和MLP模型优化吸附参数，实现Pb(II)最大吸附量381.16 mg/g，并在真实AMD中验证了多金属协同去除效果(97.1-99.9%)。该材料兼具高吸附容量和实际应用潜力，为重金属污染治理提供了可持续解决方案。

　　

在矿产资源开发过程中，酸性矿山废水(AMD)造成的重金属污染一直是全球性环境难题。其中铅(Pb(II))因其强毒性和生物累积性，被国际癌症研究机构(IARC)列为推定人类致癌物，世界卫生组织(WHO)规定饮用水中铅含量不得超过0.01 mg/L。传统处理方法面临成本高、效率低、二次污染等挑战，而生物炭材料因其多孔结构和丰富官能团展现出独特优势，但单一生物炭往往存在吸附容量有限、选择性不足等问题。

台湾大学的研究团队创新性地将日常废弃物——竹筷和蛋壳转化为高性能吸附材料。通过微波辅助热解(MAP)技术将两者共热解，再采用溶胶-凝胶法负载TiO₂，成功制备出BC-CaCO₃/TiO₂复合生物炭。这项研究发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上，不仅实现了废物资源化利用，更创造了Pb(II)吸附量达381.16 mg/g的优异性能，远超同类材料。

研究采用响应面方法学(RSM)和多层感知器(MLP)双重优化策略，通过17组三因素三水平Box-Behnken实验设计，确定最佳吸附条件为pH 5、接触时间60分钟、投加量0.25 g/L。MLP模型预测精度(R²=0.997)显著优于RSM模型(R²=0.988)，展现了机器学习在环境工程领域的应用潜力。

材料表征方面，研究团队运用场发射扫描电镜-能谱联用(FESEM-EDX)、比表面积分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等技术证实：TiO₂涂层使生物炭比表面积提升至184.80 m²/g，形成丰富的介孔结构(2-10 nm)；蛋壳衍生的CaCO₃提供了离子交换位点，EDX显示吸附后钙含量从3.41%降至1.01%，而铅检出率达0.93%。

吸附机制研究表明，化学吸附占主导地位：XPS在143.3 eV处检测到PbO/Pb(OH)₂特征峰，证实表面络合作用；FTIR显示1656 cm^-1处羰基峰增强，表明Pb(II)与含氧官能团配位；Ca²⁺-Pb²⁺离子交换通过元素含量变化得到验证；PbCO₃沉淀物通过138.4 eV和143.3 eV双峰确认。物理吸附作为辅助机制，N₂吸附-脱附等温线显示材料具有IV型等温线和H₄型滞后环，具备理想的孔隙结构。

在实际AMD处理中，2 g/L投加量下对Cu、Fe、Mn、Pb、Zn的去除率分别达99.9%、99.9%、99.6%、97.1%和99.9%，所有指标均优于WHO标准。动力学分析显示伪二级模型(R²=0.996)更适合描述吸附过程，Elovich方程揭示吸附活化能达31.13 kJ/mol，属于吸热自发过程(ΔG°=-10至-13 kJ/mol)。

该研究的突破性在于：首次将筷子与蛋壳废弃物协同转化为高性能吸附材料；建立RSM-MLP双模型优化框架；阐明CaCO₃/TiO₂协同增强的多机制吸附原理；在真实AMD中实现多金属同步高效去除。研究人员建议未来可探索该材料在人工湿地系统中的长期稳定性，并通过生命周期评价(LCA)评估其环境效益，为工业化应用提供理论支撑。这项成果不仅为重金属污染治理提供了经济高效的解决方案，也为废弃物资源化利用开辟了新途径。