正交实验在水质硫化物分析中的应用

周学丽

摘要：硫化物不仅会导致水质发黑、发臭，也会威胁水生物的生存，如果形成内源污染，则会造成水生生态系统的退化[1]，对水质进行更高效、更准确的硫化物分析检测，对保护我国水生生态环境有着不容小觑的作用。正交实验是一种科学的计算方法，运用正交表处理多因素优化问题。本文讨论运用正交实验这一种快速优化的科学计算方法如何进行水质硫化物分析。

关键词：正交实验;水质硫化物;分析;应用

引言：水质中的硫化物主要包括溶解性的H2S、HS-、S2-，悬浮物中存在的可溶性硫化物，酸可溶性金属硫化物以及未电离的无机、有机硫化物。通常所测定的硫化物指溶解性的硫化物和酸溶性的硫化物。硫化物通常以溶解性的H2S、HS-、S2等形态存在于各种工业、生活废水以及地下水之中，对环境与生物都有很大危害。目前对于水质硫化物的主要监测方法有两种，一种是化学分析法，一种是仪器分析法，其中化学分析法更为常用，而按照GB/T16489-1996[2]中的步骤得到的硫化物实际样品会产生回收率不理想的问题。影响回收率的因素可能有气压因素、认为因素、所选用的仪器等[3]。

正交实验在概率论、数理统计和实践经验的基础之上，对实验结果计算和分析，以快速找到优化方案。正交实验的主要特点是以部分实验代替全面实验，把具有代表性的实验点挑选出来进行实验，并通过对实验结果的分析来了解全面实验的情况，以实现快速优化[3]。将正交实验引入水质硫化物测评有助于缩短测评时间、确定硫化物的最佳测定条件。

1 正交实验的应用原理分析

在工业化生产过程中，往往需要研究许多因素对产品指标产生的效应，常常采用多因素完全实验方案，即将因素的数量设为m，将因素的水平数设为q，多因素完全实验方案的次数n=qm。该方案可以从简单效应、主效应和因素间的相互效应，进行各因素的综合研究，但是根据公式可以明显发现，随着q和m的增加，需要进行的实验数量会变得异常庞大，如此巨大的工作量不仅对研究人员是沉重的负担，对原料和时间也是一种极大的浪费。

正交实验正好可以避免这种人力和物力上的浪费，通过选取有代表性的实验点，以部分实验来代替多因完全方案，通过对代表性实验点的实验结果进行分析，对全面实验的情况进行了解，最终达到工艺的优化。由此可知，正交实验的关键之处就在于如何挑选有代表性的实验点。

2 正交实验分析水质硫化物的实验设计

本次实验中的正交实验设计以正交表为基础[4]，水质硫化物测定的预处理参考刘娟利等[5]的处理方式。

①实验设计：本实验采取三因素三水平设计（表1），三因素为温度、吹气时长、载气速率。

②适用正交表：根据表1设定，本实验适用的正交表为L9（34）（表2）。

③三因素实验方案见表3。除此之外的条件一律严格按照GB/T16489-1996中的方法与步骤，做以去离子水为空白的空白加标实验，其标准加入量为2.00ml，以回收率为实验结果。在预设的最佳实验条件下进行实际样品分析，以验证其实用性。

3 结果与分析

3.1 最佳条件如何设置

根据表3数据：温度、吹气时长、载气速率极差分别为14.2%、3.6%、2.0%，可以得出结论：吹气时长和载气速率为影响实验结果的主要因素，温度则为次要因素。吹气时长的最大值（max）为84.5%（k3），载气速率为84.7%（k2），温度为90.7%（k3），由此可以知道：最佳条件组合应为吹气时长的第三个水平，即40min;载气速率的第二个水平，即300ml/min;温度的第三个水平，即60℃;在这三个条件组合的情况下进行实验，回收率可达到94.1%，这一组的回收率为9组实验中的最高回收率。

从整个实验来看，第7组实验的回收率也高达92.7%，是整个实验唯二回收率达到90%以上的一组，其中吹气时长设定为20min，载气速率设定为400ml/min，温度设定为60℃。综合其他影响因素、数据需求以及成本等条件，可以设定水质硫化物酸化—吹气—吸收法实验中的最佳条件为：吹气时长预设为40min，吹气速率预设定为300ml/min，温度预设定为60℃，其余条件同GB/T16489-1996所述。

3.2 以实际样品进行实践并分析

将实验得出的的水质硫化物酸化—吹气—吸收法样品处理最佳预设条件，实际应用于对工厂废水的处理，在3-5月这三个月当中，對9个样品进行了处理，如表4，可知三个月内实际回收率在91.1%～95.2%之间略微波动，其相对标准偏差为1.6%。根据实际结果可得知，在本文预设的最佳条件下，水质硫化物分析的回收率均在90%以上，属于高回收率，且稳定性很好，采用正交实验得出的结论进行水质硫化物测试可以有效节省时间成本、提高实验效率。

4 结果讨论

根据标准GB/T16489-1996所述，能够改变水质硫化物测定结果的因素有两个，一个是吹气速度，一个是吹气时间，如有必要，可以对硫化物标准使用液的回收率进行测定来检验。相对于全面实验需要进行27次实验而言，正交实验设计只需要进行9次实验，大大减少了实验次数，且在实验过程中采取三因三水平的实验设计，通过对三个因素三次水平实验的结果去平均值进行分析，能够基本确定哪些因素对实验起主要影响，哪些因素为次要影响，参考本实验得出的结论，主要影响因素为吹气时长和载气速率，次要因素为温度。而多次单因素实验不仅实验次数多，也不能论证各个因素之间有否相互作用，更不能判断哪些因素为主要因素，哪些因素为次要因素，其结果很可能无法达到预期。利用正交实验设计进行9次实验之后，得出了最优预设条件组合：吹气时长40min;载气速率300ml/min;温度60℃;在这三个条件组合的情况下，回收率可达到9组实验中最高的94.1%。而在以结果为此预设最佳条件的实践检测实验中，样品的回收率和平均回收率均在90%以上。加上实际样品分析往往具有时效性，且样品数量通常比实验样品数要多，与其花大量人力物力、时间成本和经济成本来追求完美的回收率，不如先以快捷高效的正交实验得出一组最优预设条件，在此基础上进行实际检测，能够有效节省时间与经济成本、减轻研究员的实验压力，也能够更大程度上避免数据因时效性限制而产生的浪费。

综上，正交实验在水质硫化物分析中的应用很有价值，值得进一步推广。

参考文献：

[1]朱秋平， 张萌， 葛刚，等. 我国硫化物水生生物水质基准初探[J]. 南昌大学学报：工科版， 2020（1）：16-22.

[2]国家环境保护局.GB/T16489-1996 水质硫化物的测定，亚甲基蓝光光度法[S].北京：中国标准出版社，1996

[3]李有海，林奕，杨丽先等.正交试验在水质硫化物分析中的应用[J].黑龙江科学，2021，12（6）：23-25

[4]王蔚， 王吉平， 张炜煜，等. 正交试验法优化丹参灵芝丸的提取工艺[J]. 人参研究， 2016， 28（2）：19-22.

[5]刘娟利， 李晶， 吕青苹，等. 水质硫化物测定的预处理方法研究[J]. 2019-23：24-25.