核桃壳与开心果壳活性炭高效去除双氯芬酸钠的综合研究：ANN模型构建、动力学与热力学机制及DFT计算验证

针对水体中难降解药物污染物双氯芬酸钠(DCF)的治理难题，研究人员创新性地采用核桃壳(WSAC)和开心果壳(PSAC)制备生物质活性炭，通过系统研究pH值、接触时间等参数，结合ANN建模(R2=0.983)和DFT计算，揭示WSAC最高吸附量达48.408 mg/g的关键机制，为低成本废水处理提供新方案。

　　

随着全球每年940吨双氯芬酸钠(DCF)通过医疗废水进入环境，这种难降解的非甾体抗炎药(NSAID)已成为威胁水生生态系统的新型污染物。尽管欧盟规定地表水中DCF限值为0.1-75 μg/L，但传统污水处理厂对其去除率不足35%，医院废水中浓度甚至高达19.8 mg/L。更严峻的是，DCF会引发抗生素耐药性并通过食物链富集，而现有高级氧化技术又存在能耗高、副产物毒性大等缺陷。面对这一环境治理难题，研究人员将目光投向农业废弃物资源化利用，试图开发兼具高效性与经济性的吸附解决方案。

来自土耳其的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表创新成果，他们采用核桃壳(WSAC)和开心果壳(PSAC)为原料，通过NaOH活化法制备生物质活性炭，结合人工神经网络(ANN)建模和密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了DCF吸附机制。研究运用UV-vis光谱、BET比表面积分析、FTIR和SEM等技术手段，通过设计pH梯度(2-10)、接触时间(0-180分钟)、温度(25-45°C)等变量实验，建立了包含12个神经元的ANN预测模型。

材料与方法
研究团队收集农业废弃物核桃壳和开心果壳，经粉碎后采用NaOH化学活化法制备活性炭。通过N₂吸附-脱附测定BET比表面积，FTIR分析表面官能团，SEM观察微观形貌。吸附实验设置初始DCF浓度10-50 mg/L，采用伪一级/二级动力学模型和Langmuir等温线拟合数据，结合Gaussian 09软件进行DFT计算，并构建3层ANN模型(含12个隐藏神经元)进行预测。

表征结果
PSAC展现出1448.9 m²/g的更高BET比表面积，但WSAC的介孔面积(328.2 m²/g)显著优于PSAC(257.6 m²/g)。FTIR显示WSAC具有更丰富的羟基(-OH)和羰基(C=O)，SEM图像则呈现更发达的孔道结构，这些特性共同促成其48.408 mg/g的卓越吸附容量，较PSAC(42.262 mg/g)提升14.5%。

吸附性能
中性pH=7时达到最佳去除率(WSAC 96.12%，PSAC 95.93%)，30分钟即达吸附平衡。动力学分析揭示WSAC符合伪一级模型(化学吸附主导)，PSAC则遵循伪二级模型(物理吸附为主)。等温线研究表明Toth模型对WSAC的拟合度最佳，而PSAC更符合Radke-Prausnitz模型。

机制解析
DFT计算证实WSAC主要通过氢键(-OH…O=C)和π-π堆积作用吸附DCF分子，其吸附能(-26.3 kcal/mol)显著低于PSAC(-18.7 kcal/mol)，这与实验测得ΔG⁰(-28.34 kJ/mol)等热力学参数共同证实了吸附过程的自发性。ANN模型预测结果与实验数据高度吻合(R²=0.983，RMSE=0.7119)。

这项研究不仅证实农业废弃物活性炭可高效去除药物污染物，更通过多尺度表征揭示了"孔道结构-官能团-吸附性能"的构效关系。特别是ANN与DFT的联合应用，为吸附剂设计提供了理论预测工具。该成果对发展低成本废水处理技术、实现"以废治废"的循环经济模式具有重要实践价值，相关材料已展现出替代商业活性炭的潜力。正如作者Sinem Temiz Seymen团队强调的，这种生物质吸附剂可无缝集成至现有污水处理工艺，为应对全球性药物污染挑战提供了切实可行的解决方案。