响应面法优化烧烤竹炭对水中磷的吸附条件

袁菊红，胡绵好

（1. 江西财经大学 环境与植物科学研究所，江西 南昌 330032；2. 江西财经大学 鄱阳湖生态经济研究院，江西 南昌 330032）

研究报告

响应面法优化烧烤竹炭对水中磷的吸附条件

袁菊红1，胡绵好2

（1. 江西财经大学 环境与植物科学研究所，江西 南昌 330032；2. 江西财经大学 鄱阳湖生态经济研究院，江西 南昌 330032）

采用响应面法优化烧烤竹炭（BBC）对水中磷的吸附条件。用Box-Behnken Design实验设计考察初始磷质量浓度、BBC粒径、BBC加人量和初始溶液pH等因素对磷去除率的影响。实验结果表明：各因素对磷去除率影响的大小顺序依次为初始溶液pH＞BBC粒径＞初始磷质量浓度＞BBC加入量；BBC吸附水中磷的最佳反应条件为初始磷质量浓度26.81 mg/L，BBC粒径0.15 mm，BBC加入量10.6 g/L，初始溶液pH 4.42；在最佳反应条件下，BBC对磷的去除率达90.04%。

烧烤竹炭；磷；吸附作用；响应面法

随着社会工业化程度的不断发展，农药、化肥等化学品广泛使用，大量富含氮磷的废水排入湖泊、河流和海洋等水体，造成水体中氮磷浓度严重超标，水体富营养化现象严重［1］。磷是引起水体富营养化的主要营养因素之一，其含量的高低直接影响着藻类生长的优劣。因此，有效降低水体中磷的含量、控制藻类的代谢繁殖，不仅是富营养化水体防治的重要手段，也是水处理技术领域的研究热点［2］。吸附法是一种适用于处理宽浓度范围含磷废水的有效方法，寻找来源广泛、高效而廉价的吸附剂是废水除磷工艺的研究热点［3-5］。

竹炭是竹材经热解后得到的炭制品，具有较大的比表面积、特殊的内部微孔结构和良好的吸附性能，因此，竹炭及其改性产品已在水处理领域中广泛使用［6-8］。但现有关于竹炭及其改性产品的研究多为对影响吸附效果的单因素进行考察，而有关各吸附条件间存在的交互作用及影响程度的报道不多见［9-10］。响应面法是优化和评价影响反应的各种自变量水平和交互作用的有效方法之一，因具有实验数据少、准确率高、直观性强和预测性能好等优点，已被广泛关注和应用［10-11］。

本工作在前期对烧烤竹炭（BBC）吸附水中磷的单因素进行考察的基础上［12］，采用响应面法的Box-Behnken Design实验设计建立BBC吸附磷的各影响因素（初始磷质量浓度、BBC粒径、BBC加入量和初始溶液pH）的多元二次模型，以模型为基础分析各因素之间的交互作用并探讨最佳吸附条件，为BBC吸附水体中环境污染物的应用及其改性研究提供科学依据。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

KH2PO4：分析纯。

BBC：江西林丰炭业有限公司，破碎后用去离子水冲洗竹炭表面以除去表面残留物，在105 ℃下干燥24 h，磨细后经不同直径的筛子筛分，装入封口袋，于干燥器中保存。

UV-752型紫外-可见分光光度计：上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

取一定量的BBC，加入一定初始磷质量浓度的KH2PO4溶液中，在反应温度为25 ℃的条件下，在振动摇床中以5 000 r/min的振荡速率吸附反应24 h。离心分离后，取上清液用孔径为0.45 μm的有机微孔滤膜过滤，采用钼锑抗分光光度法［13］测定溶液中磷的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 Box-Behnken Design实验设计及结果

基于单因素实验结果，采用响应面设计实验，运用Design-Expert 8.0.5软件中Box-Behnken Design中心组合实验设计原理，以磷去除率为响应变量，选择对磷去除率具有显著影响的4个因素（初始磷质量浓度、BBC粒径、BBC加入量和初始溶液pH），进行4因素3水平的响应面分析实验。Box-Behnken Design实验因素水平见表1，实验结果见表2。

表1 实验因素水平

表2 Box-Behnken Design实验结果

通过Design-Expert软件进行二次响应面回归分析，得到多元二次响应面回归模型（实际的未编码的拟合方程）：y=27.785 9+0.659 0xA+ 12.041 7xB+111.625 0xC+10.491 7xD-5.921 2× 10-16xAxB+0.125 0xAxC+1.110 2×10-16xAxD-25.000 0xBxC+5.921 2×10-15xBxD+0.625 0xCxD-0.013 5xA2-19.722 2xB2-106.562 5xC2-1.223 4xD2。响应面回归模型方差分析见表3。由表3可见：该模型的影响参数（F）为10.97，显著水平（P）小于0.000 1，表明该模型极其显著，具有统计学意义；失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度，即二者差异的程度，失拟项的P值为0.947 6（＞0.05），表明失拟项不显著，无失拟因素存在，因此可用该回归方程代替实验数据对实验结果进行分析。该回归方程的相关系数为0.916 4，说明模型的拟合程度较高；该模型的变异系数为2.31%，表明实验操作可靠；模型信噪比为11.04，表明模型的可信度较高。由此可见，构建的模型可行，可用来评价各因素对水体中磷去除率的影响。

表3 响应面回归模型方差分析

由表3还可见：A，B，D的P值均小于0.01，为显著项，即初始磷质量浓度、BBC粒径和初始溶液pH对水体中磷的去除率具有决定性作用；在交互项中，P值均大于0.05，所以其显著性均不明显，说明各因素间的交互作用不明显；由A，B，C，D的F值可知，各因素对磷去除率影响的大小顺序为D＞B＞A＞C，即初始溶液pH＞BBC粒径＞初始磷质量浓度＞BBC加入量。

2.2 各因素对BBC吸附磷的响应面分析

利用Design Expert 8.0.5和Origin 8.5软件作出模型方程的三维响应面。曲线越陡，说明该因子对反应结果的影响越大；图面颜色越深，即吸收波长越长，说明结果越显著［14-15］。等高线的形状可直接反映出两个因素之间的交互效果强弱，等高线越近圆形说明两者的交互作用不明显，而为椭圆形则说明两因素之间的交互作用明显［14］。

在BBC加入量为10.0 g/L、初始溶液pH为5.00的条件下，初始磷质量浓度与BBC粒径对磷去除率的响应面见图1。由图1可见：当BBC粒径为0.15 mm时，磷去除率随初始磷质量浓度的增加呈先增大后减小的趋势；随BBC粒径的增加，磷去除率逐渐下降；BBC粒径和初始磷质量浓度之间的交互作用不明显。

图1 初始磷质量浓度与BBC粒径对磷去除率的响应面

在BBC粒径为0.30 mm、初始溶液pH为5.00的条件下，初始磷质量浓度与BBC加入量对磷去除率的响应面见图2。由图2可见：当BBC加入量小于10.0 g/L时，随BBC加入量的增加磷去除率逐渐增加；当初始磷质量浓度大于10.0 g/L时，随BBC加入量的增加磷去除率逐渐降低。这是由于当溶液中的磷质量浓度较高时，BBC表面的磷吸附位点达到饱和，导致对磷的去除率降低［16］。

图2 初始磷质量浓度与BBC加入量对磷去除率的响应面

在BBC粒径为0.30 mm、BBC加入量为10.0 g/ L的条件下，初始磷质量浓度与初始溶液pH对磷去除率的响应面见图3。由图3可见：随初始磷质量浓度的增加和初始溶液pH的升高，BBC对磷的去除率均呈先增大后减小的趋势。在酸性条件下，BBC上的羟基被H+置换。羟基的丢失，增加了BBC与磷离子结合的机会。在强酸性条件下，磷以H3PO4的形式存在，BBC表面的酸性官能团对H3PO4的吸附较弱；在弱酸性条件下，磷酸盐主要以H2PO4－和HPO42－的形式为主，这两种类形的磷酸盐容易被BBC吸附［17］。

图3 初始磷质量浓度与初始溶液pH对磷去除率的响应面

在初始磷质量浓度为30.00 mg/L、初始溶液pH为5.00的条件下，BBC粒径与BBC加入量对磷去除率的响应面见图4。由图4可见：BBC粒径与BBC加入量之间的交互作用也不明显；当BBC粒径为0.15 mm时，磷去除率随BBC加入量的增加呈先增大后减小的趋势。当BBC浓度过高时会产生浓度屏障效应［18-19］，阻碍BBC吸附位点与磷离子的结合，导致溶液中的磷去除率降低。

图4 BBC粒径与BBC加入量对磷去除率的响应面

在初始磷质量浓度为30.00 mg/L、BBC加入量为10.0 g/L的条件下，BBC粒径与初始溶液pH对磷去除率的响应面见图5。由图5可见：在初始溶液pH一定的条件下，磷去除率随BBC粒径的增大而减小，这是因为吸附剂的粒径越小则比表面积越大，吸附更容易发生［20］；在BBC粒径一定的条件下，磷去除率随初始溶液pH的增加呈先增大后减小的趋势；BBC粒径与初始溶液pH之间的交互作用不显著；由曲面的形状还可知，初始溶液pH对磷去除率的影响大于BBC粒径的影响。

图5 BBC粒径与初始溶液pH对磷去除率的响应面

在初始磷质量浓度为30.00 mg/L、BBC粒径为0.30 mm的条件下，BBC加入量与初始溶液pH对磷去除率的响应面见图6。由图6可见：在初始溶液pH一定的条件下，磷去除率随BBC加入量的增加呈先增大后减小的趋势；在BBC加入量一定的条件下，磷去除率随初始溶液pH的增加也呈现先增加后减小的趋势；BBC加入量对磷去除率的影响大于初始溶液pH的影响。该结果与涂宁宇等［21］的研究结果相似。

图6 BBC加入量与初始溶液pH对磷去除率的响应面

2.3 小结

综合上述响应面模型实验结果，得到BBC吸附水中磷的最佳反应条件为：初始磷质量浓度26.81 mg/L，BBC粒径0.15 mm，BBC加入量10.6 g/ L，初始溶液pH 4.42。在最佳反应条件下，BBC对磷的去除率达90.04%。

3 结论

a）采用响应面法优化BBC对水中磷的吸附条件。响应面回归模型方差分析结果表明，各因素对磷去除率影响的大小顺序依次为初始溶液pH＞BBC粒径＞初始磷质量浓度＞BBC加入量。

b）BBC吸附水中磷的最佳反应条件为：初始磷质量浓度26.81 mg/L，BBC粒径0.15 mm，BBC加入量10.6 g/L，初始溶液pH 4.42。在最佳反应条件下，BBC对磷的去除率达90.04%。

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（编辑 王 馨）

Condition Optimization for Adsorption of Phosphate from Water onto Barbecue Bamboo Charcoal by Response Surface Methodology

Yuan Juhong1，Hu Mianhao2
（1. Institute of Environment and Plant Science，Jiangxi University of Finance and Economics，Nanchang Jiangxi 330032，China；2. Institute of Poyang Lake Eco-economics，Jiangxi University of Finance and Economics，Nanchang Jiangxi 330032，China）

The conditions for adsorption of phosphate from waster onto barbecue bamboo charcoal（BBC） were optimized by response surface methodology（RSM）. The factors affecting the phosphate removal rate were studied using Box-Behnken Design in RSM. The order of the factors is as follows: initial solution pH，BBC particle size，initial phosphate mass concentration，BBC dosage；The optimum conditions for adsorption of phosphate from waster onto BBC are as follows: initial phosphate mass concentration 26.81 mg/L, BBC particle size 0.15 mm，BBC dosage 10.6 g/L and initial solution pH 4.42；Under these conditions，the removal rate of phosphate reaches 90.04%.

barbecue bamboo charcoal；phosphate；adsorption；response surface methodology

X703.1

A

1006 - 1878（2015）02 - 0116 - 05

2014 - 09 - 17；

2014 - 12 - 19。

袁菊红（1975—），女，湖南省绥宁县人，博士，讲师，电话 13807045645，电邮 yuanjuhong@sina.com。联系人：胡绵好，电话 15079166197，电邮 yankeu@gmail.com。

国家自然科学基金项目（21407069，21367013，41161064）；江西省自然科学基金项目（20142BAB203024）；江西财经大学优秀学术人才支持计划项目（K00292025）。