甲萘酚也稱為1-萘酚或α-萘酚，它是一種重要的合成原料和中間體，廣泛應(yīng)用于染料和醫(yī)藥行業(yè)，世界每年的產(chǎn)量為15 000 t。甲萘酚廢水色度深、成分復(fù)雜，對(duì)人體健康和環(huán)境危害大，有效處理甲萘酚廢水是當(dāng)前研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

硅藻土是一種沉積巖，沉積巖是由被稱為單細(xì)胞淡水植物的硅藻骨骼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的演變得到的。硅藻土的顆粒較細(xì)，是一種輕質(zhì)物質(zhì)。硅藻土具有很多獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，如強(qiáng)抗酸性，高度發(fā)達(dá)的介孔結(jié)構(gòu)，高機(jī)械強(qiáng)度，具有惰性，較好的絕熱性，高孔隙率和低的熱傳導(dǎo)性。這些特性使得硅藻土廣泛應(yīng)用于吸附重金屬、垃圾滲濾液、染料廢水和焦化廢水等領(lǐng)域。

RSM 以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，用于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，評(píng)估單個(gè)變量以及單個(gè)變量之間的相互作用，可在有限的實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，通過(guò)分析回歸方程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作的參數(shù)。

RSM 已在制漿廢水處理、物質(zhì)提取、飲用水凈化、新材料合成[17]和等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該試驗(yàn)采用RSM 方法優(yōu)化工藝條件，因?yàn)镽SM 可以在較少的試驗(yàn)次數(shù)和較短的時(shí)間對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)可以從圖形方面分析尋求最優(yōu)值，得到最佳的工藝操作條件。以期為硅藻土處理甲萘酚廢水提供有效的技術(shù)參考和支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)試劑、儀器和水質(zhì)

硅藻土選自宜興市君聯(lián)公司，其主要性能參數(shù)：密度2.0 g/cm3，堆密度0.65 g/cm3，比表面積55 m2/g，熔點(diǎn)1 650 ℃。K2Cr2O7（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、NaOH（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）和H2SO4（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。所用試劑均為分析純。

6B-2000 型水質(zhì)多參數(shù)速測(cè)儀（江蘇盛奧華環(huán)保科技有限公司）、PHB-9901 型pH 酸度計(jì)（上海光電器件總廠）。廢水取自常州市某化工廠，該水樣的水質(zhì)指標(biāo)為：COD 1 052 mg/L，pH 4.05，TN 120.2 mg/L。

1.2 試驗(yàn)方法

采用1.00 mol/L NaOH 和1.00 mol/L H2SO4 調(diào)節(jié)pH，投加硅藻土吸附甲萘酚廢水，恒溫振蕩4 h 后，靜置取其上清液，采用重鉻酸鉀法檢測(cè)COD，計(jì)算COD的去除率。TN 采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定，pH 采用PHB-9901 型pH 酸度計(jì)測(cè)定。利用RSM進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化和結(jié)果預(yù)測(cè)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取硅藻土用量、pH 和溫度為試驗(yàn)因素，以COD 去除率為響應(yīng)值，按照CCD 法設(shè)計(jì)了一個(gè)三因素五水平的試驗(yàn)方案。各因素水平和編碼見(jiàn)表1。

 硅藻土用量、pH 和溫度作為自變量，以甲萘酚廢水的COD 去除率（y）為響應(yīng)值，用多項(xiàng)式回歸分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到二次多項(xiàng)式模型，其模型如下所示[18]：

 式（1）中：y 為響應(yīng)值；xi、xj 為實(shí)驗(yàn)因素；β0 為常系數(shù)；βi 為線性系數(shù)；βii 為二次項(xiàng)系數(shù)；βij 為交互項(xiàng)系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差。

二項(xiàng)式模型擬合質(zhì)量的優(yōu)劣是由決定系數(shù)（R2）所決定的，使用二項(xiàng)式模型和方差分析（ANOVA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析，以獲得自變量和響應(yīng)變量之間的關(guān)系式。

2 結(jié)果和討論

2.1 回歸方程和數(shù)據(jù)分析

一共進(jìn)行20 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，然后測(cè)定COD，最后計(jì)算得到COD 去除率，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果見(jiàn)表2。

 實(shí)驗(yàn)序號(hào)6、7、8、11、13 和19 的實(shí)驗(yàn)因素的條件都是相同的，主要是為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的Pure error（純誤差）[19]，利用Design Expert 軟件對(duì)表2 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，最后得到吸附劑用量、pH 和溫度與甲萘酚廢水COD 的去除率之間的二次多項(xiàng)式回歸方程，其表達(dá)式如下所示：

 式（2）中：y 為硅藻土吸附降解甲萘酚廢水4 h 后COD 的去除率；x1、x2、x3 分別為硅藻土用量、pH、溫度。RSM 的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

 表3 給出了對(duì)上述回歸方程進(jìn)行的方差分析結(jié)果。模型的統(tǒng)計(jì)顯著性是由F-value 確定，F(xiàn)-value 越大，則表明模型是顯著的。（Prob>F）小于0.050 0，表明模型因素項(xiàng)具有顯著性[20]，（Prob>F）大于0.100 0，認(rèn)為模型因素項(xiàng)是非顯著性的。由表3 可知，二次多項(xiàng)式模型的F-value 為11.19 遠(yuǎn)大于1，（Prob>F）小于0.050 0，說(shuō)明回歸是顯著的。R2 為0.909 7，說(shuō)明該回歸方程能較好地模擬真實(shí)的曲面。

圖1 為甲萘酚廢水COD 去除率的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的關(guān)系圖，由圖1 可知，這20 個(gè)點(diǎn)，基本分布在直線上，甲萘酚廢水COD 去除率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)（pearson correlation coefficient）為0.954，進(jìn)一步證明了預(yù)測(cè)值與實(shí)際值能較好的符合。

 由以上的分析結(jié)果可知，模擬的二次模型具有顯著性。

2.2 響應(yīng)面分析

為了更好地考察硅藻土用量、pH 及溫度三因素及其相互作用對(duì)處理甲萘酚廢水的影響，繪制了三維曲面圖。結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3 和圖4 所示。

由圖2 可知，隨著硅藻土用量的增加，COD 去除率先增加后降低。當(dāng)硅藻土用量為1.5 g時(shí)，去除效果最好，再繼續(xù)增加硅藻土用量時(shí)，去除率略有下降。這是因?yàn)殡S著硅藻土用量的增加，吸附劑會(huì)提供更多的吸附點(diǎn)，因而COD 去除率升高，但是隨著硅藻土用量的繼續(xù)增加，硅藻土吸附負(fù)荷減少，解吸附力變大，造成單位質(zhì)量的硅藻土吸附有機(jī)物減少，COD 去除率反而降低。

 由圖3 可知，隨著溫度的升高，COD 的去除率在降低；而當(dāng)溫度繼續(xù)增加時(shí)，趨勢(shì)出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)，COD 反而開(kāi)始上升。其中，去除率在35 ℃時(shí)達(dá)到最低。這是由于在溫度較低時(shí)，吸附反應(yīng)以放熱反應(yīng)為主，因而隨著溫度升高，去除效果在降低；而在溫度較高時(shí)，吸附反應(yīng)以吸熱反應(yīng)為主，因而隨著溫度升高，去除效果變好；其中35 ℃即為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

 由4 圖可知，隨著pH 的增加，COD 去除率先是降低；然而當(dāng)pH 繼續(xù)增加時(shí)，情況發(fā)生了轉(zhuǎn)折，COD去除率反而開(kāi)始增加，且斜率逐漸增大，去除效果越來(lái)越好。其中，當(dāng)pH 為6 時(shí)，去除率達(dá)到最低。這是由于在pH 較低時(shí)，硅藻土表面質(zhì)子化嚴(yán)重，呈正電性，易于吸附廢水中的負(fù)離子，而隨著pH 升高，質(zhì)子化程度變低，吸附效果降低。

2.3 模型優(yōu)化

利用Design Expert 軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳條件：硅藻土量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩時(shí)間為4 h 時(shí)，COD 去除率最大，實(shí)測(cè)值為78.2%，預(yù)測(cè)值為79.5%。由此可知預(yù)測(cè)值和實(shí)際值較為接近，這說(shuō)明回歸得到的二次多項(xiàng)式模型能夠有效預(yù)測(cè)COD去除率。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結(jié)論

（1）利用Design Expert 軟件建立的響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，其（Prob>F）<0.000 1，R2=0.909 7，表明模型是顯著的，回歸方程能較好地模擬真實(shí)的曲面。（2）采用響應(yīng)面方法（RSM）優(yōu)化硅藻土吸附處理甲萘酚廢水的實(shí)驗(yàn)，最佳工藝條件為：硅藻土用量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩4 h，廢水的COD 濃度由原始1 052 mg/L 降低至229 mg/L，硅藻土對(duì)COD 飽和吸附量最大達(dá)到了91.6 mg/g。去除率達(dá)到78.2%，與預(yù)測(cè)值79.5%接近，表明回歸得到的二次多項(xiàng)式模型能夠有效預(yù)測(cè)COD 去除率。