《Journal of Molecular Liquids》：Mechanistic insights, RSM optimization, and machine learning prediction for p-nitrophenol removal using polymer-modified carbon fibers derived from palm waste
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基于棕榈叶废料制备的改性碳纤维吸附剂对硝基苯酚去除性能研究，采用热解、硝酸活化及原位接枝聚合工艺制备CFPS吸附剂，通过XRD、SEM、FTIR等表征证实其多孔缺陷结构及丰富官能团，吸附实验表明在pH4、300ppm条件下吸附容量达229.5mg/g，吸附动力学符合PSO模型（R2=0.9815），等温线符合Langmuir模型（R2=0.9936），机器学习模型验证其预测可靠性。
Mosaab A. Elbager|Mohammad Al-Suwaiyan|Tawfik A. Saleh
沙特阿拉伯达兰国王法赫德石油与矿业大学土木与环境工程系，邮编31261
摘要
由于p-硝基苯酚（PNP）的毒性和抗降解性，它在工业废水中普遍存在，对人类健康和环境构成了严重威胁。本研究致力于开发一种环保且高效的吸附剂，该吸附剂由农业废弃物制成，用于有效去除水系统中的PNP。通过控制热解、硝酸活化及原位聚合工艺，从棕榈叶废弃物中制备了一种新型聚合物改性碳纤维吸附剂（CFPS），并对其进行了全面的物理化学表征和吸附性能评估。XRD、SEM、TEM、FTIR和TGA分析结果表明，CFPS具有非晶态结构、丰富的缺陷以及层次化的孔隙结构，并且表面含有大量官能团。BET分析显示，CFPS具有介孔特性，比表面积为34.84 m2/g，平均孔径为5.19 nm，为PNP的吸附提供了良好的扩散路径。吸附实验表明，CFPS对PNP具有很强的亲和力，响应面法（RSM）分析确定溶液pH值是影响吸附性能的最关键因素。在pH值为4、使用2.5 mg CFPS和300 ppm PNP的条件下，吸附容量达到229.5 mg g?1。动力学研究表明吸附过程遵循PSO模型（R2 = 0.9815），表明吸附速率受表面相互作用控制。等温线分析表明Langmuir模型能很好地描述吸附数据（R2 = 0.9936，qmax = 282.27 mg g?1）。机器学习模型进一步验证了该吸附系统的预测准确性，其中高斯过程回归模型的预测精度最高（R2 = 0.94）。这些结果表明，CFPS是一种有前景的生物质衍生吸附剂，具有应用于废水处理的潜力。
引言
随着城市扩张、工业活动和人口增长，大量水资源受到各种有机污染物的污染。这种污染对环境和生态系统造成了严重威胁[1]。有机污染物主要来源于化工、制药和石油加工行业[2][3]。酚类化合物在自然和工业环境中普遍存在[4]。这些酚类物质具有高毒性且无气味，对人体安全构成极大威胁，可通过吸入和摄入等多种途径进入人体[5]。其中，p-硝基苯酚（PNP）在工业和农业领域广泛应用。欧洲经济共同体（EEC）和美国环境保护署（EPA）将其列为危险污染物之一[5]。
目前已有多种方法用于高效去除包括p-硝基苯酚（PNP）在内的各种污染物，如吸附[6][7]、沉淀[8]、氧化还原反应[9][10]、膜分离[11]和生物方法[12]。其中，吸附因高效去除能力、操作简便性以及适用于低至中等浓度污染物处理而成为最实用的技术之一。此外，通过调整吸附材料表面性质，可以增强其对污染物的亲和力、提高吸附容量和选择性[13][14]。因此，利用天然和农业资源开发了许多廉价吸附剂，为废水处理提供了可持续方案，并促进了生物质废物的转化[15][16]。在PNP去除领域，已有多种吸附剂被报道，包括碳纳米管[17]、活性炭[18]、氧化石墨烯[19]、生物炭[20]、金属有机框架（MOFs）[21]、CHA沸石[22]等先进材料[23]。
尽管已有大量研究探讨了水中的PNP去除方法，但仍需要兼具高效性、可持续性和环境适应性强的吸附剂。本研究利用棕榈叶废弃物作为可持续碳源，制备了一种新型聚合物改性碳纤维吸附剂（CFPS），实现了将农业废弃物转化为有用功能材料的目标。通过控制热解产生的碳纤维制备出稳定多孔的碳基质，进一步通过硝酸处理改善了表面性能并增加了活性吸附位点。通过原位聚合丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸，在碳纤维表面形成富含酰胺和磺酸基团的聚合物涂层，显著提升了其对PNP的吸附能力。目前尚未有使用CFPS进行PNP吸附的相关报道。此外，本研究还系统评估了PNP浓度、pH值和CFPS质量等因素对吸附能力的影响，采用了响应面法（RSM）和机器学习模型（ML）进行分析。
材料与设备
所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。目标有机污染物为p-硝基苯酚（PNP，纯度98.99%，Fisher，美国）。NaOH（99%，Fisher，美国）和硫酸（H?SO?，98%，Fisher，美国）用于精确调节溶液pH值。实验过程中始终使用去离子水进行溶液配制、稀释和清洗。所用棕榈叶来自沙特阿拉伯国王法赫德石油与矿业大学（KFUPM）校园。
CFPS吸附剂的X射线衍射（XRD）分析
通过XRD分析了CFPS的晶体结构。衍射图（图2a）显示在2θ = 18°至30°范围内有一个宽峰，峰值位于约24°处，对应于非晶碳或涡轮状碳的（002）晶面。这表明其碳结构主要为无序状态，石墨化程度较低。这种结构无序性提供了大量缺陷和活性吸附位点，有利于PNP的吸附。无尖锐衍射峰的出现证实该材料为非晶碳。
研究局限性
虽然研究结果表明CFPS是有效的PNP吸附剂，但某些结论需在当前研究范围内进行解读。所提出的吸附机制主要基于FTIR光谱变化、pH依赖性吸附行为、动力学和等温线建模以及表面形态观察等间接证据。因此，氢键作用、π-π相互作用和静电效应的贡献需进一步验证。
结论
成功从棕榈叶废弃物制备了一种新型聚合物改性碳吸附剂（CFPS），并评估了其去除水溶液中PNP的能力。该材料结合了无序多孔碳骨架和化学活性表面官能团，XRD证实其非晶结构有利于吸附；SEM和TEM分析揭示了层次化的孔隙网络和纳米级无序结构，有助于快速的质量传输和高效吸附。
CRediT作者贡献声明
Mosaab A. Elbager：负责撰写初稿、方法设计、数据整理和概念构思。Mohammad Al-Suwaiyan：负责审稿与编辑、监督工作以及方法设计和概念构思。Tawfik A. Saleh：负责审稿与编辑、实验研究和概念构思。
资金声明
作者声明本研究未接受任何外部资助。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢沙特阿拉伯国王法赫德石油与矿业大学（KFUPM），特别是土木与环境工程系在研究过程中的宝贵支持。
