芥菜废弃物资源化制备氧化铁纳米颗粒用于高效六价铬[Cr(VI)]修复：表征、实验动力学、等温线及机器学习优化

《Biodegradation》：Valorization of Brassica juncea waste into iron oxide nanoparticles for efficient hexavalent chromium [Cr(VI)] remediation: characterization, experimental kinetics, isotherms, and machine learning optimization

　　

摘要

六价铬[Cr(VI)]因其毒性和长期持久性已成为一种重要的环境污染物质。因此，为了拯救生态系统和人类健康，亟需对Cr(VI)进行修复。目前有多种传统修复方法，但均不够可持续。因此，本研究探索了利用芥末（Brassica juncea）废弃物绿色合成氧化铁纳米粒子（BJ-IONPs）。利用X射线衍射（XRD）、差示扫描量热-热重分析（DSC-TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Zeta电位、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术对合成的BJ-IONPs的表面形貌、物理电荷和粒径进行了表征。此外，还开展了间歇实验，通过改变pH值、温度、初始Cr(VI)浓度、吸附剂用量和接触时间来评估合成纳米粒子对Cr(VI)修复的效率。实验后，在pH 4.24、温度40°C、吸附剂用量2.6 g L?¹、Cr(VI)浓度为10 mg L?¹的条件下，实现了最大吸附量，即99.66%（3.83 mg g?¹）。吸附过程由Elovich和颗粒内扩散（IPD）模型描述效果最佳，并与Freundlich等温线高度吻合。除此之外，本研究还开发了人工神经网络（ANN）模型来验证实验数据并预测实验室环境之外的吸附速率。该模型的皮尔逊相关系数（R²）为0.9564，显示出卓越的预测能力，验证了吸附过程模拟的准确性。

图文摘要

六价铬[Cr(VI)]因其毒性和长期持久性已成为一种重要的环境污染物质。因此，为了拯救生态系统和人类健康，亟需对Cr(VI)进行修复。目前有多种传统修复方法，但均不够可持续。因此，本研究探索了利用芥末（Brassica juncea）废弃物绿色合成氧化铁纳米粒子（BJ-IONPs）。利用X射线衍射（XRD）、差示扫描量热-热重分析（DSC-TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、Zeta电位、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术对合成的BJ-IONPs的表面形貌、物理电荷和粒径进行了表征。此外，还开展了间歇实验，通过改变pH值、温度、初始Cr(VI)浓度、吸附剂用量和接触时间来评估合成纳米粒子对Cr(VI)修复的效率。实验后，在pH 4.24、温度40°C、吸附剂用量2.6 g L?¹、Cr(VI)浓度为10 mg L?¹的条件下，实现了最大吸附量，即99.66%（3.83 mg g?¹）。吸附过程由Elovich和颗粒内扩散（IPD）模型描述效果最佳，并与Freundlich等温线高度吻合。除此之外，本研究还开发了人工神经网络（ANN）模型来验证实验数据并预测实验室环境之外的吸附速率。该模型的皮尔逊相关系数（R²）为0.9564，显示出卓越的预测能力，验证了吸附过程模拟的准确性。

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