《Separation and Purification Technology》：Data-driven analysis of a PET-derived aluminium MOF for Congo red removal: Circular-economy synthesis, mechanistic insights, and explainable machine learning
编辑推荐：
基于PET废物资源化的铝基MOF（Al-DST MOF）合成及其对Congo Red的高效吸附性能研究。材料通过XRD、FTIR等表征证实具有晶态结构和高比表面积，吸附动力学快速（12分钟达80%），平衡容量24.77 mg/g（pH3），吸附机制符合等温模型，并建立可解释机器学习模型优化参数设计。
艾哈迈德·阿尔鲁哈伊利（Ahmad Alruhaily）|巴西尔·阿尔迪亚比（Basil Aldhiabi）|奥萨马·阿尔卡拉菲（Osama Alqarafi）|穆罕默德·沙班（Mohamed Shaban）|阿萨德·A·扎伊迪（Asad A. Zaidi）|索海布·Z·汗（Sohaib Z. Khan）|哈马德·阿尔穆哈马迪（Hamad AlMohamadi）|埃萨姆·R·I·马哈茂德（Essam R.I. Mahmoud）|阿西姆·拉伊克·汗（Asim Laeeq Khan）
沙特阿拉伯麦地那伊斯兰大学工程学院机械工程系
摘要
开发可持续且高性能的吸附剂以处理受工业染料污染的废水仍然是一个关键挑战。在本研究中，使用从废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶子中提取的对苯二甲酸二钠（DST）作为循环经济链接剂，合成了一种基于铝的金属有机框架（Al-DST MOF），并评估了其去除水溶液中刚果红（Congo Red）的能力。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和Brunauer–Emmett–Teller比表面积分析对合成的Al-DST MOF进行了全面表征，证实了其晶体结构、多孔形态和功能性表面化学性质。通过批量吸附实验研究了接触时间、溶液pH值、吸附剂用量、初始染料浓度和温度的影响。该材料表现出快速的吸附行为，在12分钟内去除率超过80%，并在大约30分钟内达到平衡状态（约99%）。在基线条件下（50 mg L?1，0.1 g/50 mL），Al-DST MOF的平衡吸附容量为24.77 mg g?1（pH 3）。平衡数据可以通过传统的等温线和热力学分析很好地描述，证实了其良好的吸附行为。为了补充吸附机制分析，开发了一个基于岭回归的可解释机器学习（ML）框架，使用溶液pH值、温度、初始染料浓度和吸附剂用量作为输入变量来预测平衡吸附容量（q?）和去除效率。留一法交叉验证显示了良好的预测性能，尤其是在去除效率方面。特征重要性分析表明，初始染料浓度和吸附剂用量分别是控制吸附容量和去除效率的主要参数，而pH值和温度在研究范围内的影响相对较小。机器学习得出的趋势与经典吸附理论之间的强烈一致性突显了数据驱动方法的物理可信度。总体而言，本研究展示了一种将塑料废物转化为高性能MOFs的可持续途径，并说明了如何有效地将可解释的机器学习与实验吸附研究相结合，以增强理解并指导工艺优化。
引言
合成染料在纺织、皮革、纸张和印刷行业中得到广泛应用，它们排放到水体中是工业废水中最持久和最明显的污染物之一。其中，偶氮染料占全球生产染料的近60-70%，其复杂的芳香结构赋予了高化学稳定性、抗生物降解性和即使在低浓度下也能产生强烈颜色的特性[1]，[2]。刚果红是一种广泛使用的阴离子偶氮染料，由于其高水溶性、强分子稳定性和通过还原裂解产生有毒芳香胺的潜力，被认为是一种优先的环境污染物[3]，[4]。它在水系统中的持久性会干扰光穿透，抑制光合作用，并对生物体表现出细胞毒性、致突变性和致癌性[5]。因此，从工业废水中有效去除刚果红已成为水处理研究的重要焦点[6]，[7]。由于刚果红的异生物质特性，传统的生物处理方法效果不佳，需要开发能够快速去除染料分子的高级处理策略。随着全球纺织生产的持续扩张，去除刚果红和结构相似的偶氮染料成为紧迫的环境任务。
尽管已经探索了多种物理化学和生物处理方法，包括混凝、絮凝、高级氧化、电化学处理、膜过滤和生物降解来去除染料，但这些方法的实际应用常常受到高运营成本、污泥产生、对废水成分的敏感性或对顽固偶氮染料（如刚果红）去除效率有限的限制[8]，[9]。相比之下，吸附技术因其操作简单、快速动力学以及在低污染物浓度下也能实现高去除效率而成为最有效、经济和可扩展的染料去除技术[10]，[11]。最近的研究表明，尽管已经探索了多种吸附材料，包括活性炭、农业副产品、金属氧化物、粘土和基于聚合物的系统，但许多材料仍存在显著局限性[12]，[13]，[14]。例如，Shayesteh等人报道了使用天然浮石和溴化十六烷基三甲基铵（CTAB）改性的浮石吸附刚果红的情况，表面改性显著提高了染料吸附量，吸附动力学遵循伪二级模型[7]。尽管使用了这些材料，但在染料去除方面仍存在一些挑战，包括中等吸附容量、对大阴离子染料分子的选择性差以及在pH值或离子条件变化时的效率降低。这些持续的挑战突显了需要结构可调、高表面积的材料，以实现强染料-吸附剂相互作用并在实际废水环境中保持稳定性。
在这种背景下，金属有机框架（MOFs）作为一种具有极高表面积、明确定义和可调孔结构的多孔晶体材料出现，使其成为先进吸附基废水处理的高度吸引人的候选材料[15]，[16]。最近的综述一致指出，基于MOF的吸附剂在吸附容量、速率和对有机污染物（包括离子染料）的选择性方面可以超越许多传统材料，利用了多种相互作用机制，如π–π堆叠、氢键、静电吸引和配位或酸碱相互作用[17]。一些原型框架及其混合物已经显示出对阴离子和阳离子染料的显著高吸附量，以及有利的动力学和热力学特性[18]，[19]。在不同的金属节点中，基于铝的MOFs特别适用于水中的染料去除，因为Al3+丰富、价格低廉且相对无害，适当的官能化后，如MIL-53(Al)及相关框架显示出良好的结构稳定性和增强的染料亲和力[15]，[20]。然而，许多报道的系统仍然依赖于石化链接剂，涉及能耗高的合成过程，或者没有充分解决有机构建块的可持续性问题，留下了大量开发绿色、源自废物的Al-MOF吸附剂的潜力，这些吸附剂能够结合高染料去除性能和循环经济原则。
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废物的全球快速积累加剧了对可持续利用途径的搜索，这些途径不仅能够减轻环境负担，还能创造高价值产品。将PET化学解聚为富含对苯二甲酸的单体提供了一种有前景的循环经济策略，有助于回收适合高级材料合成的有机链接剂，包括MOFs[21]。最近的研究表明，从PET衍生的对苯二甲酸盐可以有效地转化为MOFs，如MIL-53(Al)、MIL-101(Cr)和基于铁的框架，证实消费后塑料可以作为结构可行的链接剂前体，而不影响MOFs的结晶性或吸附性能。这些进展激发了将废物衍生链接剂整合到MOFs中的兴趣，特别是在染料吸附方面，一些早期报告强调了PET到MOF系统的令人鼓舞的吸附容量和稳定性[22]，[23]，[24]。值得注意的是，最近的一项研究报道了一种基于铝的MOF（Al-DST MOF），该MOF由PET衍生的DST合成，用于吸附四环素抗生素，通过绿色水合成方法实现了高容量[25]。虽然这项工作证实了PET衍生链接剂在制备功能性Al-MOF方面的潜力，但它仅限于抗生素污染物，而在去除如刚果红这样的阴离子染料方面仍有显著差距，因为这些染料的吸附机制根本不同，且由于其大分子尺寸、高极性和强磺酸基团而带来更大挑战。尽管PET回收具有潜力，但大多数现有研究仍侧重于证明合成可行性，而不是在实际工艺条件下优化材料性能或使用数据驱动的预测框架。这一差距突显了系统研究的必要性，该研究结合了PET衍生链接剂的合成、基于铝的MOF的形成以及全面的吸附评估，并通过机器学习模型来捕捉与染料去除相关的多变量相互作用。
尽管人们对MOFs用于废水修复的兴趣日益增长，但仍有两个关键挑战尚未得到充分解决：从可持续的废物衍生前体开发MOFs，以及整合先进的数据驱动方法以更好地理解复杂的吸附行为。特别是，尽管PET废物是MOF合成的有价值的对苯二甲酸配体来源，但将PET回收与系统吸附研究和预测建模相结合的研究仍然有限。在本研究中，通过使用从废弃PET瓶子中回收的对苯二甲酸二钠合成了一种基于铝的MOF，从而为塑料废物的价值化提供了一条循环路径。对合成的Al-DST MOF的结构和物理化学性质进行了全面表征，并系统研究了其对有害偶氮染料刚果红的吸附性能。在包括pH值、吸附剂用量、接触时间、温度和初始染料浓度在内的不同操作条件下研究了吸附过程，使用动力学、等温线和热力学模型进行了详细的机制解释。此外，为了更深入地了解控制吸附过程的多变量相互作用，采用了机器学习辅助的建模框架来评估实验验证范围内的参数重要性和预测关系。通过整合PET废物回收、基于MOF的吸附和数据驱动的解释，本研究提供了一种可持续的材料策略，同时提供了与设计先进染料污染废水处理吸附剂相关的机制见解。
材料
PET饮料瓶来自当地的消费后废物流，作为链接剂回收的聚合物前体。收集的瓶子经过手动分类以去除标签和盖子，然后进行多步骤清洁。首先，用蒸馏水彻底冲洗PET以去除灰尘和可溶性残留物。接着用乙醇清洗以去除任何剩余的有机污染物或表面添加剂。清洁后的PET在室温下风干
DST和MOF的表征
图1显示了通过碱水解废弃PET瓶子获得的DST的FTIR光谱。位于约3340 cm
?1的宽吸收带归因于吸附的水分和氢键连接的羟基物种的O
H伸缩振动。位于约2925 cm
?1的弱带可能归因于微量有机物种的C
H伸缩。位于约1710 cm
?1的带表明存在少量未离子化或质子化的羧基
与以往研究的吸附性能比较
表4展示了PET衍生的Al-DST MOF与先前报道的染料吸附剂的吸附性能比较评估。虽然一些比较的系统针对不同的阴离子染料，但该表为评估PET衍生MOF基吸附剂的性能提供了有用的基准。天然矿物吸附剂，如CTAB改性的浮石，表现出相对较低的吸附容量，报告的值为约27.3 mg g?1，平衡时间为
实际意义和潜在应用
本研究的发现表明，PET衍生的Al-DST MOF在废水处理的实际应用中具有巨大潜力，特别是在去除受污染水流中的有害偶氮染料（如刚果红）方面。纺织、纸张和染料制造行业经常排放含有染料的废水，这些废水由于其毒性和在水环境中的持久性而带来严重的环境和健康风险。
结论
成功合成了一种基于铝的可持续MOF，使用从废弃PET瓶子中回收的对苯二甲酸链接剂，并评估了其去除水溶液中刚果红的能力。该吸附剂表现出多孔晶体结构，并在优化条件下实现了99%的刚果红去除率，吸附容量为24.77 mg g?1。观察到快速的吸附动力学，在12分钟内去除率超过80%
生成式AI声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进写作和可读性。作者根据需要审查和编辑了AI生成的内容，并对本文的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：通讯作者阿西姆·拉伊克·汗（Asim Laeeq Khan）是该期刊的编委会成员。鉴于他的编委会成员身份，他没有参与本文的同行评审，也无法访问有关其同行评审的信息。本文的编辑过程完全由另一位期刊编辑负责。
