袁 鷹,劉明源

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

正交實(shí)驗(yàn)法在殼聚糖復(fù)合絮凝劑制備中的應(yīng)用*

袁 鷹,劉明源

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

對(duì)殼聚糖季胺鹽與聚合鋁的復(fù)配工藝和廢水處理效果進(jìn)行了研究，利用正交實(shí)驗(yàn)法和模擬凈水試驗(yàn)探索該復(fù)合絮凝劑的最佳制備工藝，得到了影響復(fù)合絮凝劑絮凝效果諸因素的排列次序和各因素的最佳條件，基于降低材料加入量的考慮和綜合分析的基礎(chǔ)上，得到了絮凝劑的最佳制備工藝，其最佳制備條件為：HACC/PAC配比為0.2,加熱溫度45℃,攪拌時(shí)間35～45 min之間,溶液pH值為5.5。

正交實(shí)驗(yàn)法；殼聚糖復(fù)合絮凝劑；制備

前言

殼聚糖是一種陽(yáng)離子型絮凝劑，在引入具有較強(qiáng)電荷中和能力的PAC后可明顯增強(qiáng)絮凝性能。利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)，模擬凈水試驗(yàn)，探討了復(fù)合絮凝劑制備中的各影響因素，優(yōu)化了最佳制備工藝條件。

1 復(fù)合絮凝劑的制備

利用殼聚糖和PAC制備總有效質(zhì)量濃度為1g/L的復(fù)合絮凝劑，制備步驟如下：

（1）稱取相應(yīng)質(zhì)量的殼聚糖季胺鹽，溶于5mL稀鹽酸中；

（2）稱取相應(yīng)質(zhì)量的液態(tài)聚合氯化鋁于200mL燒杯中，加70～80mL蒸餾水，放入加熱到預(yù)定溫度的帶有磁力攪拌機(jī)的水浴鍋中；

（3）緩慢滴加殼聚糖季胺鹽溶液到慢速攪拌的聚合鋁溶液中，定容至100mL；

（4）用0.1mol/L的鹽酸和10%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值到方案設(shè)定值，加熱溫度到設(shè)定值，提高磁力攪拌機(jī)的攪拌速度到500 r/min，并開(kāi)始計(jì)時(shí)；

（5）合成時(shí)間結(jié)束將制得試樣冷卻，放于試劑瓶中密閉保存。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

制備復(fù)合混凝劑的控制因素是殼聚糖季胺鹽與聚合鋁的配比、加熱溫度、攪拌時(shí)間和溶液的pH值。擬采用4因素三水平正交試驗(yàn)法來(lái)確定最佳工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素及水平Table 1 The experimental factors and levels

根據(jù)表1中的因素及水平設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表，正交表決定實(shí)驗(yàn)次數(shù)和各組實(shí)驗(yàn)的組合。本實(shí)驗(yàn)共有4個(gè)因素，均為三水平，能安排下4個(gè)三水平的正交表有兩種：L9（34）與L27（313）,它們均包含有交互作用列,但實(shí)驗(yàn)量卻相差了三倍。本著減少實(shí)驗(yàn)量的原則選用正交表L9（34）,恰好能安排下4因素三水平，用該表共需要做9組實(shí)驗(yàn)。選好正交表后,按照因素水平表1上固定下來(lái)的次序,把因素及交互作用順序地放在所選用的相應(yīng)列上,再將各因素水平對(duì)號(hào)入座,列出實(shí)驗(yàn)條件,用L9（34）正交表安排實(shí)驗(yàn),各實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 The orthogonal experiment design

3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照表2正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平數(shù)進(jìn)行聚合絮凝劑制備實(shí)驗(yàn)，對(duì)相同工況盡量在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以減少實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響造成的誤差，達(dá)到對(duì)誤差進(jìn)行控制的目的，得到的9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用正交分析的方法進(jìn)行如下分析。

表3 正交表L9（34）（實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析）Table 3 The L9（34）orthogonal experiment（experiment results analysis）

將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果按照一般分析的方法列為表。正交實(shí)驗(yàn)的一般分析計(jì)算是用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析的方法，這種方法實(shí)用且簡(jiǎn)便易行。表中考查指標(biāo)最佳去除率為采用各制備的聚合絮凝劑對(duì)模擬廢水濁度的去除率。

考察水平趨勢(shì)是通過(guò)分析水平與結(jié)果的內(nèi)在聯(lián)系，探尋在實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有選取而可能是最優(yōu)的水平，并依次總結(jié)出可能更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案?？疾煨?yīng)曲線圖：即以因素的水平作為橫坐標(biāo)，用相應(yīng)的因素水平對(duì)應(yīng)的考察指標(biāo)作為縱坐標(biāo)，在圖中作出相應(yīng)點(diǎn)，將同一因素的點(diǎn)連接起來(lái)，形成效應(yīng)曲線圖。一般效應(yīng)曲線圖只適用與有聯(lián)系的用數(shù)量表示的水平。極差用于判斷各因素的重要性次序，按照其由大到小排列為，再繪制效應(yīng)曲線圖進(jìn)一步觀察指標(biāo)隨因素水平的變化趨勢(shì)，效應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 效應(yīng)曲線圖Fig.1 The curves of Domino effect

從以上分析可以得出結(jié)論:加熱溫度對(duì)復(fù)合絮凝劑去除濁度過(guò)程中影響不大，去除率隨溫度的升高而減少，隨pH值的增加而有所減少，隨著HACC/PAC的配比增加而增加，而影響最大的則是攪拌時(shí)間。各個(gè)因素對(duì)考查指標(biāo)模擬廢水濁度去除率的影響按大小次序排列為：攪拌時(shí)間＞HACC/PAC的配比＞pH值＞反應(yīng)溫度。對(duì)于因素的A的3個(gè)水平，由效果圖可以看到水平3對(duì)應(yīng)的平均值最大，效果最好；同樣，因素B的3個(gè)水平中水平1對(duì)應(yīng)的效果最好；因素C的第1個(gè)水平對(duì)應(yīng)的效果最好;而因素D則采用第1個(gè)水平效果最好。從以上的取值可以得出實(shí)驗(yàn)中最佳的方案是A3B1C1D1。

考慮到本復(fù)合絮凝劑中季胺化殼聚糖只是作為一個(gè)助凝劑，其成本較高，所以在復(fù)合絮凝劑中所占比例不會(huì)太大?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，HACC/PAC為0.2和0.4的效果差距并不是很大，都在一個(gè)令人滿意的處理效果區(qū)間里，為了全面觀察不同配比對(duì)復(fù)合效果的影響，繼續(xù)考察HACC/PAC為0.3的試樣，發(fā)現(xiàn)配比為0.3的凈水效果稍好一點(diǎn)，但和0.2的差距不大，都在一個(gè)令人滿意的區(qū)間內(nèi)。綜合考慮成本因素，決定最佳配比為0.2（HACC/PAC）。從效果圖1中看出攪拌時(shí)間從45～75min其濁度去除率逐步在下降，現(xiàn)補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)確定最佳反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)從35min開(kāi)始隨著反應(yīng)時(shí)間的縮短，合成的復(fù)合絮凝劑的凈水效果下降。說(shuō)明最佳反應(yīng)時(shí)間在35～45min之間。

4 結(jié)論

綜合考慮殼聚糖季胺鹽與聚合鋁的復(fù)配工藝中殼聚糖季胺鹽與聚合鋁的配比、加熱溫度、攪拌時(shí)間、溶液的pH值等因素，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，按正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)，并模擬凈水試驗(yàn)優(yōu)化該復(fù)合絮凝劑的最佳制備工藝，結(jié)果表明，其最佳制備條件為：HACC/PAC配比為0.2,加熱溫度45℃,攪拌時(shí)間35～45min之間,溶液pH值為5.5。

［1］ 溫開(kāi)財(cái)，辛勇．基于正交實(shí)驗(yàn)法的電視機(jī)支柱成型工藝優(yōu)化研究［J］．工程塑料應(yīng)用，2012,40（4）：42～45．

［2］ 鄭少華,姜奉華．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003．

［3］ 夏伯忠．正交實(shí)驗(yàn)法［M］．長(zhǎng)春:吉林人民出版社,1985．

［4］ 金良超．正交設(shè)計(jì)與多指標(biāo)分析［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社, 1988．

［5］ 韓玉琦,王芳．正交實(shí)驗(yàn)法在Cr3+摻雜Ti02/El凸棒復(fù)合光催化劑制備中的應(yīng)用［J］．化學(xué)試劑，2010,32（5）:443～447．

［6］ 蘇學(xué)軍．正交試驗(yàn)法在辛硫磷微乳劑配方選擇中的應(yīng)用研究［J］．化學(xué)工程師，2012,5:13～15．

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［8］ 謝玲玲．型污水處理復(fù)合絮凝劑的制備及應(yīng)用研究［J］．廣東化工，2011,38（6）：124～126．

［9］ 高艷春．新型阻垢劑的合成及其性能研究［J］．應(yīng)用化工，2009,38（8）：1146～1152．

Application of Orthogonal Experiment in the Preparation of Chitosan Composite Flocculant

YUAN Ying and LIU Ming－yuan
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou 225300,China）

The complex process of chitosan quaternary ammonium salt and polyaluminium and effect of wastewater treatment is studied,the optimum synthetic process of this composite flocculant is explored through the orthogonal experimental and the simulation water purification test．And the order of influencing factors on the flocculation of this composite flocculant is obtained．Based on reducing the amount of raw material and comprehensive analysis,the optimal preparation process for flocculant is got as follows:the ratio of HACC to PAC is 0．2,the heating temperature is 45℃,the stirring time is 35～45min and the pH value of the solution is 5．5．

Orthogonal experimental method;chitosan composite flocculant;preparation

TQ314.253

B

1001-0017（2015）01-0075-03

2014-10-13 *基金項(xiàng)目：泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：TZYKY-13-7）

袁鷹（1976-），女，湖南人，碩士研究生，講師，環(huán)境監(jiān)測(cè)與環(huán)境評(píng)價(jià)方向。