正交实验法确定阻垢分散剂药剂成分*

李金远 李书进

(1.常州大学环境与安全工程学院 江苏常州 213164； 2. 常州工学院土木建筑工程学院 江苏常州 213002)

0 引言

由于我国人口众多，人均淡水资源稀缺，水污染严重成为制约发展的难题。而在工业用水中，污垢的形成是亦成为除去管道与机械设备遭侵蚀之外的又一大难题[1]。

我国对阻止水处理中污垢产生的药剂研究开发始于上世纪七八十年代，在近半世纪的发展过程中，先后经历了天然产物阻垢剂、含磷聚合有机物阻垢剂等发展历程。传统的天然聚合物药剂用量较多，成本较高，但绿色环保；而高分子含磷类阻垢剂处理成本较低，但不能有效地抑制金属垢物和磷酸盐的产生，以及解决例如氧化铁沉淀等问题[2]。尤其是随着我国对环境保护的重视，含磷阻垢剂的发展与使用受到了限制。因此，开发低磷或无磷的新型绿色阻垢剂已成为国内外水处理剂研究的重要课题。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试剂：水杨酸钠工业级，丹宁酸AR级，木质素磺酸钠工业级。

仪器：KDM-3型搅拌恒温电热套，KZC-Ⅱ型快速阻垢性能测试仪。

实验样本：pH为8，总硬度为15 mmol/L,Ca2+质量浓度为120 mg/L的模拟电厂废水。

1.2 实验方法

本实验是将水杨酸钠、单宁和木质素磺酸钠进行复配，以确定所组成的新型绿色型阻垢分散剂中的各组分的构成及最佳工业条件。

具体实验方法为：先将水杨酸钠溶于适量的水中，缓慢加热至50～60 ℃。再依次加入丹宁酸和木质素磺酸钠，搅拌1～2 h，待其充分溶解后，反应熟化一昼夜，即可得到该药剂[3]。

1.3 Ca2+测定方法

(1)测定原理。在碱性条件下(pH=12～14)镁生成沉淀，而钙与EDTA(乙二胺四乙酸二钠)生成稳定的络合物。

(2)测定步骤。取水样置于250 mL三角瓶中，稀释至l00 mL，滴加硼砂溶液，使pH值在12～14范围内，滴加2～3滴钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定至蓝色，即为终点到达，记录用量。钙离子浓度用下式计算[4]：

式中，V为滴定水样消耗EDTA标准溶液的体积，mL；C(EDTA)为EDTA标准溶液的浓度，mol/L；V1为所取水样的体积，mL。

2 结果与讨论

2.1 正交实验分析

为了考察各组分(水杨酸钠、 丹宁酸、木质素磺酸钠)对Ca2+去除效果的优劣，以及确定药剂合成最佳的工艺条件，选择室温为常温，以各组分，即水杨酸钠、丹宁酸、木质素磺酸钠为实验因素，采用3因素3水平正交试验 L9(33)， 正交实验因素分析与试验结果见表 1、表 2。

表1 因素水平设计

表 2 正交试验结果

2.2 极差分析

把由正交试验得出的 9 组Ca2+去除率作为分析指标，进行极差分析，依照 3 个因素的极差计算结果K1～K3(每个因素在对应水平下的实验数据指标之和)和K*1～K*3(K1～K3的平均值)，可以判断每个因素即药剂组分对阻垢试验的影响[5]。如表2 所示，水杨酸钠的投加量对Ca2+去除效果的影响最大，其次是木质素磺酸钠和丹宁酸的含量。此外，极差分析结果还得出了去除效果的最优水平，即选择质量比为45%的水杨酸钠，30%丹宁酸和35%的木质素磺酸钠(其余为水)。

表 2 可以看出，各因素对Ca2+去除效果影响的主次顺序为：水杨酸钠>木质素磺酸钠>丹宁酸。进一步分析出最优水平时的水杨酸钠质量比为45%，丹宁酸为30%，木质素磺酸钠为35%。

图1～图3分别为水杨酸钠、丹宁酸、木质素磺酸钠含量极差与钙离子浓度的关系曲线图。

图1 水杨酸钠含量极差与钙离子浓度关系

图2 丹宁酸含量极差与钙离子浓度关系

图3 木质素磺酸钠含量极差与钙离子浓度关系

由图1可得，随着水杨酸钠含量的增加，Ca2+浓度愈小，所以最优含量为45%；图2可得，随着丹宁酸含量的增加，Ca2+浓度先增加后减少，丹宁酸最优的质量比为30%；图3可得，随着木质素磺酸钠含量的增加，Ca2+浓度越来越小，因此木质素磺酸钠的最佳质量比为35%。

2.3 正交实验方差分析

利用方差分析来进一步估算误差的大小，对各个因素的影响程度进行精确估算，弥补直观分析带来的不确定性[6]。方差分析结果中 Source为方差来源；DF 为自由度；Seq 为校正平方和；Variance为方差。

表3 方差分析

从表3可以看出[7]：P表示的是假设该组内平均值相等成立的概率，越小说明该因素对试验指标的影响越显著。P(水杨酸钠质量比)最小，表明该因素投加量对Ca2+影响大[8]。

由F值分析，F(水杨酸钠质量比)远远大于另外两个，说明其影响力较丹宁酸和木质素磺酸钠大[9]。

综合分析的结果，选择质量比为45%的水溶性水杨酸钠，30%丹宁酸和35%的木质素磺酸钠作为最优组合[10]。

3 结论

(1)去除模拟电厂废水Ca2+的阻垢分散剂最优配比为：45%的水杨酸钠，30%丹宁酸和35%的木质素磺酸钠。

(2)水处理降低Ca2+浓度，其中水杨酸钠和木质素磺酸钠的影响大，丹宁酸的影响相对较小。

(3)首先采用单因素分析法，并进行预实验，确定出各影响因素大致范围，再采用正交实验法确定药剂的最佳质量比的方法是可行的。