基于響應(yīng)面法優(yōu)化活性炭處理含鎘廢水工藝

目前，含鎘廢水的處理方法有化學(xué)沉淀法、離子交換法、吸附法、電解法和膜分離法等，這些處理方法均存在不同程度的缺點(diǎn)，如化學(xué)沉淀法易造成水體二次污染，離子交換法成本高，電解法能源消耗大，膜分離法易造成膜污染堵塞等。

活性炭吸附法處理含鎘廢水操作工藝簡(jiǎn)便、吸附劑可再生，因此成為廢水處理方面極具應(yīng)用價(jià)值的方法。為進(jìn)一步提高該方法的處理效率，以廢水中鎘的去除率作主要指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法對(duì)廢水中鎘的的去除工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為鎘污染廢水的處理工作提供理論參考依據(jù)。

1、材料與方法

1．1 材料與試劑

供試材料：取自廣西南丹某工廠車間廢水。經(jīng)測(cè)定可知供試廢水中的pH值6.75，鎘的濃度為25.1mg/L。

活性炭。高氯酸、過(guò)氧化氫、鹽酸等。Cd標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(購(gòu)自環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)。

1．2 儀器與設(shè)備

pinAAde900T原子吸收分光光度計(jì)；Mars6微波消解儀；ZD－85型恒溫振蕩器等。

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

1．3．1 活性炭處理廢水的方法

量取100mL含鎘廢水到錐形瓶中，加入一定量活性炭，放入恒溫振蕩器中振蕩，一定時(shí)間后取出。對(duì)濾液進(jìn)行微波消解后測(cè)定其中鎘離子濃度。

1．3．2 廢水中鎘的測(cè)定方法

廢水中鎘濃度的測(cè)定方法參考國(guó)標(biāo)(GB/T7475－87)《水質(zhì)銅、鋅、鉛、鎘的測(cè)定原子吸收分光光度法》進(jìn)行。

1．3．3 單因素實(shí)驗(yàn)

(1)分別量取100mL取自廣西南丹某工廠車間的含鎘廢水(25.1mg/L)于5個(gè)錐形瓶中，分別加入0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g活性炭，于30℃恒溫振蕩器中振蕩1h，對(duì)濾液進(jìn)行微波消解后測(cè)定其中鎘離子濃度，由此確定活性炭最佳加入量。

(2)分別量取100mL含鎘廢水(25.1mg/L)于5個(gè)錐形瓶中，加入1.5g活性炭，分別于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃條件下振蕩1h，對(duì)濾液進(jìn)行微波消解后測(cè)定其中鎘離子濃度，由此確定最佳處理溫度。

(3)分別量取100mL含鎘廢水(25.1mg/L)于5個(gè)錐形瓶中，加入1.5g活性炭，于30℃恒溫條件下分別振蕩0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h，對(duì)濾液進(jìn)行微波消解后測(cè)定其中鎘離子濃度，由此確定最佳處理時(shí)間。

1．3．4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box－Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取活性炭用量、處理溫度、處理時(shí)間這三個(gè)對(duì)廢水中鎘去除率較為顯著的三個(gè)因素，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法優(yōu)化處理工藝。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

2、結(jié)果與分析

2．1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1．1 活性炭用量對(duì)去除率的影響

由圖1可知，隨著活性炭用量的增加，廢水中鎘的去除率也隨之增加，當(dāng)活性炭投放量為1.5g時(shí)，鎘的去除效率較高，之后隨著活性炭用量的繼續(xù)增大，廢水中鎘的去除率變化不明顯。這是因?yàn)殡S著活性炭用量的增加，活性炭總的表面積增大，而廢水中鎘的濃度是一定的，且受到水體中各種其他條件的影響，在廢水中鎘的吸附達(dá)到一定量時(shí)，繼續(xù)增加活性炭的投放，鎘的去除率變化不大?？紤]到實(shí)際工程中的成本開銷與工程量，因此選用活性炭投放量為1.5g為最適用量。

2．1．2 溫度對(duì)去除率的影響

由圖2可知，隨著溫度的持續(xù)增加，廢水中鎘的去除率有所下降，這是因?yàn)榛钚蕴繉?duì)金屬離子的吸附行為屬于放熱過(guò)程，溫度不斷升高將不利于吸附的進(jìn)行，考慮到夏季室溫容易實(shí)現(xiàn)，因此選擇30℃為較適溫度。

2．1．3 時(shí)間對(duì)去除率的影響

由圖3可知，隨時(shí)間的增加，廢水中鎘的去除率也隨之增加，當(dāng)時(shí)間為1.5h時(shí)，廢水中鎘的去除率達(dá)到最大，繼續(xù)增加時(shí)間對(duì)去除率的影響不大，這是因?yàn)榛钚蕴康奈揭呀?jīng)達(dá)到平衡，繼續(xù)增加處理時(shí)間對(duì)鎘的去除率影響不大，從操作簡(jiǎn)便方面考慮，因此選擇1.5h為最適時(shí)間。

2．2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2．2．1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

以去除率為響應(yīng)值(Y)，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。應(yīng)用DesignExpert軟件，對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可得廢水中鎘的去除率對(duì)活性炭用量、溫度和時(shí)間的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y=97.41+2.00A－1.56B+1.26C－1.81AB－0.46AC+1.70BC－7.12A2－5.35B2－4.11C2。式中，A為活性炭用量，g；B為溫度，℃；C為時(shí)間，h。

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，見(jiàn)表3廢水中鎘的去除率回歸分析結(jié)果。P值的大小表明模型及各考察因素的顯著水平，P值小于0.05，表明模型或各因素有顯著影響；P值小于0.001，表明模型或各因素極度顯著。由表3可知：以廢水中鎘的去除率為響應(yīng)值時(shí)，模型P＜0.0001，表明該二次方程模型極度顯著，同時(shí)失擬項(xiàng)P=0.7907＞0.1000，表明正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)學(xué)模型擬合良好。各因素中一次項(xiàng)A、B、C及交互項(xiàng)AB、BC為顯著，AC交互項(xiàng)不顯著，方程二次項(xiàng)A2、B2、C2為極度顯著。在所選因素水平范圍內(nèi)，對(duì)廢水中鎘去除率的影響順序?yàn)?/span>A＞B＞C。

2．2．2 響應(yīng)面曲面分析

根據(jù)響應(yīng)面回歸分析結(jié)果，繪制相應(yīng)的三維圖和等高線圖(見(jiàn)圖4～圖6)，以確定最佳參數(shù)及各個(gè)參數(shù)間的交互作用。圖4顯示了活性炭用量和溫度對(duì)鎘去除率的交互作用，由圖4三維圖可知，當(dāng)溫度為30℃時(shí)，廢水中鎘的去除率隨著活性炭用量的增大不斷上升后又趨于平緩。由圖4等高線圖可知，等高線橢圓形則表示活性炭用量和溫度交互作用顯著；圖5顯示了活性炭用量和時(shí)間對(duì)鎘去除率的交互作用，圖5三維圖顯示當(dāng)溫度為30℃時(shí)，廢水中鎘的去除率隨著活性炭用量的增大不斷上升后又趨于平緩。由圖5等高線圖可知，等高線呈圓形則表示活性炭用量和時(shí)間交互作用不顯著。圖6顯示了溫度和時(shí)間對(duì)鎘去除率的交互作用，圖6三維圖顯示當(dāng)時(shí)間確定時(shí)，廢水中鎘的去除率隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì)。由圖5等高線圖可知，等高線呈橢圓形則表示活性炭用量和時(shí)間交互作用顯著。這與表3中的方差分析結(jié)果相符合。

2．2．3 最佳條件的預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

通過(guò)回歸模型的預(yù)測(cè)，得到廢水中鎘的最佳去除工藝條件為：當(dāng)廢水中鎘的初始濃度為25.1mg/L時(shí)，活性炭用量為1.58g/100mL，溫度為28.09℃，時(shí)間為1.53h，在此條件下鎘的預(yù)測(cè)去除率為98.10%。在此最佳條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，三次測(cè)得鎘的去除率平均值為97.55%，與預(yù)測(cè)值98.10%的相對(duì)誤差為0.28%。實(shí)驗(yàn)測(cè)定值和理論值的相對(duì)誤差小于5%，證明此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是可靠的。

3、結(jié)論

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鎘的去除率會(huì)隨著活性炭用量的增加、時(shí)間的延長(zhǎng)有所增加，隨著溫度的升高鎘的去除率有所下降；在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)有效態(tài)砷去除工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，確定最佳工藝條件是：當(dāng)廢水中鎘的初始濃度為25.1mg/L時(shí)，活性炭用量為1.58g/100mL，溫度為28.09℃，時(shí)間為1.53h，在此條件下廢水中鎘的去除率可達(dá)到97.55%。（來(lái)源：廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站）