响应面法优化活性炭去除次甲基蓝的条件*

薛小旭 曾叔霖 杨文彬

(南京医科大学康达学院 江苏连云港 222000)

0 引言

以次甲基蓝为代表的有机染料废水是非常难降解的实验废水之一，其毒性大、色泽深，如未经处理或处理不当而直接排放，将会对环境及生态系统造成严重的破坏，威胁人体健康，甚至产生长期影响。目前，较为有效的处理方法为物化法中的吸附法，作为主要的吸附材料，活性炭因其具有比表面积大，发达的孔隙结构和良好的化学稳定性等特点使其在废水治理中发挥重要作用。响应面法(RSM)是优化最佳工艺参数、减少实验次数以及评价各影响因素水平及交互作用的有效方法之一[1-4]。本研究采用单因素实验研究吸附条件对次甲基蓝去除率的影响，借助响应面法优化出最佳条件，以期为同类研究提供参考和借鉴。

1 实验与材料及方法

试剂有次甲基蓝(AR)和活性炭(色谱用270～425 μm，比表面积500 m2/g)，国药集团化学试剂有限公司；实验用水为蒸馏水。

(1)单因素实验。分别向系列150 mL的锥形瓶中量取50 mL初始质量浓度为50 mg/L的次甲基蓝溶液，分别加入一定量(50，100，150，200，250 mg)的活性炭，在一定温度(25，35，40，45，55 ℃)下放置于恒温振荡器中，振荡一段时间(30，60，90，120，150 min)后，分别取出试样，过滤后用分光光度法测出吸附前后滤液的浓度，计算吸附量(q)和去除率(Y)。

(2)响应面优化实验。在单因素实验的基础上，采用Design-Expert软件，根据Box-Behnken设计原理，进行三因素三水平的响应面分析实验，选取活性炭投加量(A)、反应温度(B)和反应时间(C)为自变量，以次甲基蓝的去除率为响应值对去除条件进行优化，实验设计如表1所示。

表1 实验因素编码及水平

2 结果与分析

2.1 单因素实验

(1)活性炭投加量对去除率的影响。由图1可知，当活性炭的投加量大于100 mg时，去除率达到96.0%以上，溶液由蓝色变为无色，去除效果好，这是因为活性炭投加量增大，吸附位点增加。

图1 活性炭投加量对去除率的影响

(2)反应温度对去除率的影响。由图2可知，随着温度的升高，次甲基蓝的去除率增大，在45 ℃左右达到最大值，说明活性炭对次甲基蓝的吸附应属于放热反应，随着温度的升高，分子的运动加剧，吸附速度加快，吸附能力逐渐增强，所以温度升高到一定程度有利于反应的进行，反应温度选择40～50 ℃为宜。

图2 反应温度对去除率的影响

(3)反应时间对去除率的影响。由图3可知，当反应时间大于60 min时，去除率达到96.3%，这是因为较短的反应时间内反应不充分，从经济方面考虑反应时间不应该太长，因此反应时间在60～120 min为宜。

图3 反应时间对去除率的影响

2.2 响应面优化实验

响应面分析方案及实验结果如表2所示。利用Design Expert软件对表2数据进行多元回归拟合，得到二次多项回归模型为

表2 响应面设计方案及实验结果

Y=+100.00+13.50A+1.50B+3.50C-2.50AB-5.50AC-0.50BC-12.75A2-0.75B2-0.75C2

2.2.1 方差分析及显著性检验

对表2中的实验数据进行二项回归分析，分析二次模型回归统计分析表，见表3和表4。

表3 响应面模型的方差分析

表4 二次回归方程的方差分析

由表3可得，F值是47.12，说明该模型是显著的，即此二次响应曲面回归方程能够很好地拟合本实验所得到的结果。其中，回归方程的P<0.000 1，表明该模型选择合理，能够很好地拟合实验结果。A，C，AC，A2是模型的显著项，而B，AB，BC，B2，C2是模型的非显著项。

从表4中可得，模型确定系数R2=0.983 8，说明此模型能解释98.38%的响应值变化，与实际实验拟合程度较好。校正决定系数(RAdj2=0.962 9)和预测决定系数(RPred2=0.740 2)差值0.222 7<0.2，C.V.% =2.56% < 10%，表明该模型的可信度和精密度高。信噪比为21.272，其大于4，说明模型有足够的分辨率。

综合以上分析结果可以说明，该模型能反映出活性炭的投加量、反应温度和反应时间对次甲基蓝吸附去除率的影响。

2.2.2 响应面分析及优化

响应面分析法的图形是响应值对各输入的因素构成的一个三维空间的二维平面上的等高线图。曲面坡度陡和等高线椭圆形表示两因素交互作用明显，而曲面坡度缓和等高线为圆形则表示交互作用不显著[5]。

根据回归方程绘制各影响因素对次甲基蓝去除率影响的响应面和相应的等高线如图4～图6所示，能直观描述两个因素之间对响应值的交互作用。

图4为反应时间t=90 min时，活性炭的投加量和反应温度交互作用对次甲基蓝去除率的影响，由图可见，反应温度不变，去除率随着活性炭投加量的增加而增加，投加量不变时，去除率随温度的升高变化不明显，与反应温度相比，活性炭投加量对去除率的影响更显著，因为活性炭投加量的曲面相对陡峭，而反应温度曲面相对平滑；图5为反应温度T=45 ℃时，活性炭的投加量和反应时间交互作用对去除率的影响，由图可见，反应时间不变，去除率随着活性炭投加量的增加而增加，投加量不变时，去除率随时间的增加变化不明显，与反应时间相比，活性炭投加量对去除率的影响更显著，因为活性炭投加量的曲面相对陡峭，而反应时间曲面相对平滑；图6为活性炭投加量为150 mg时，反应温度和反应时间交互作用对去除率的影响，由图可见，在实验范围内，反应温度和反应时间的增加对去除率有一定的促进作用，但曲面都比较平缓，对去除率的影响不显著。总之，3个因素对去除率的影响顺序为：活性炭投加量>反应时间>反应温度。

图4 活性炭的投加量和反应温度交互作用

图5 活性炭的投加量和反应时间交互作用

图6 反应温度和反应时间交互作用

通过软件分析，得到用活性炭对次甲基蓝吸附过程的最佳条件为：活性炭的投加量为100 mg、反应温度为45 ℃、反应时间为90 min，在此条件下，次甲基蓝去除率的理论值为98.1 %。

2.2.3 模型验证实验

考虑到实际操作的可行性，将实验废水中次甲基蓝去除工艺修正为：活性炭的投加量为100 mg、反应温度为45 ℃、反应时间为90 min。为了检验响应曲面法所得结果的可靠性，在此条件下进行验证试验，重复3次，取平均值，实际测得次甲基蓝的平均去除率为98.9%，与模型理论预测值基本吻合。因此，基于响应面法所得优化工艺参数准确性和可靠性较高，具有潜在的使用价值。

3 结论

本实验在单因素实验的基础上，通过响应面建立了活性炭对次甲基蓝吸附二次多项回归模型，经检验表明该模型合理可靠，可用于实验废水中次甲基蓝吸附去除条件的分析和预测。根据模型优化和实际操作可行性，得到活性炭去除次甲基蓝的最优条件：活性炭的投加量为100 mg、反应温度45 ℃、反应时间为90 min，在此条件下，对次甲基蓝的去除可达到98%。通过验证试验，发现优化后实际响应值与预测的最大响应值间拟合程度较好，表明Box-Behnken 中心组合设计和响应面法在污染物的去除条件优化和分析方面，具有重要的指导意义。