Nachhaltige Synthese von aktivem Kohlenstoff aus Wasserhyazinthe durch ein einstufiges Karbonisierungs-H₃PO₄-Aktivierungsverfahren: Optimierung und Modellierung über einen RSM-KI-Ansatz

Diese Studie untersucht die grüne Synthese von aktivem Kohlenstoff (AC) aus Wasserhyazinthe (WH), einer invasiven Wasserpflanze, unter Verwendung eines einstufigen H₃PO₄-Aktivierungsverfahrens, das sowohl das Umweltabfallmanagement als auch die nachhaltige Materialproduktion anspricht. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, den AC-Ertrag und die Oberfläche zu optimieren, indem die Auswirkungen des Imprägnierungsverhältnisses (0,4–1,0), der Temperatur (600–800 °C) und der Aktivierungszeit (60–120 Minuten) mittels der Response Surface Methodology (RSM) und fortschrittlicher Techniken der Künstlichen Intelligenz (KI), einschließlich künstlicher neuronaler Netze (ANN), ANN-Partikelschwarmoptimierung (PSO-ANN), adaptiver neuro-fuzzy Inferenzsysteme (ANFIS) und XGBoost, bewertet wurden. Die Charakterisierung mittels XRD, FTIR, SEM und BET bestätigte die amorphe Struktur, funktionellen Gruppen und die poröse Morphologie des AC. RSM zeigte, dass ein Zwei-Faktor-Interaktions (2FI)-Modell den Ertrag am besten beschrieb (R² = 0,9844), während ein quadratisches Modell die Oberfläche passend beschrieb (R² = 0,9992). Unter optimalen Bedingungen (Imprägnierungsverhältnis von 0,785, Temperatur von 734 °C und Zeit von 72 Minuten) wurde ein hoher Oberflächenwert von 1025 m²/g und ein Ertrag von 44,5 % erreicht. Die Vorhersagegenauigkeit des Gesamtertrags und der Oberfläche folgte der Reihenfolge PSO-ANN>ANN>ANFIS>XGBoost. PSO-ANN übertraf andere Modelle (R² = 0,9990 für die Oberfläche und 0,9767 für den Ertrag). Die Oberfläche wurde genauer vorhergesagt als die Ertragsreaktion, aufgrund ihrer weniger komplexen Beziehung zu den Eingaben. Basierend auf den Kostenvorgaben und Leistungsanforderungen ist der Kompromiss zwischen Ertrag und Oberfläche grundlegend in der AC-Produktion. Diese Studie bietet einen Paradigmenwechsel im Umgang mit invasivem WH, indem sie als nachhaltige Quelle von AC für industrielle Anwendungen genutzt wird.