呂崇福，孫 穎，丁 偉

(1.同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西大同 037001;2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318)

長鏈溴代咪唑型離子液體實際應(yīng)用較少，可作為相應(yīng)的四氟硼酸或六氟磷酸類離子液體的前驅(qū);其獨特的離子液體特性和表面活性特性越來越受到人們的關(guān)注［1］。響應(yīng)面分析法是將體系的響應(yīng)(如萃取化學(xué)中的萃取率)作為一個或多個因素(如萃取劑濃度、酸度等)的函數(shù)，運用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來，以供憑借直覺的觀察來選擇試驗設(shè)計中的最優(yōu)化條件［2－3］。筆者利用響應(yīng)面分析法設(shè)計試驗考察結(jié)果與參數(shù)變量間的關(guān)系，并求得微波輻射合成長鏈咪唑型離子液體［4－6］參數(shù)變量的系數(shù)，從而建立響應(yīng)面與參數(shù)變量間的函數(shù)關(guān)系，得出了微波輻射合成溴代十四烷基咪唑型離子液體最適宜的工藝條件。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

N－甲基咪唑，溴代十四烷，均為工業(yè)級，氮氣保護下蒸餾后使用;甲苯，分析純。

DZG－6020型真空干燥箱;KD20G－CF(B)型微波爐;R－201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海申勝實驗儀器有限公司。

2 實驗方法

溴化1－十四烷基－3－甲基咪唑的合成見圖1。

圖1 微波輻射合成溴化1－十四烷基－3－甲基咪唑

響應(yīng)面實驗方案設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面3因素5水平實驗設(shè)計

3 結(jié)果與討論

3.1 回歸方程的方差分析

對表1中產(chǎn)品收率Y及3個因素X1、X2、X3的數(shù)值，利用Design Expert7.0軟件進行回歸分析，得到回歸方程:

回歸分析結(jié)果見表2。

表2 回歸方程的方差分析

由F檢驗，當(dāng)Prob大于F的值小于0.05即可認(rèn)為該指標(biāo)顯著，小于0.01時即為高度顯著(Prob大于F的值為F檢驗的P值)。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，回歸方程的顯著性相當(dāng)明顯，R2=0.908 6，進一步對回歸方程各項作顯著性檢驗，結(jié)果見表3。

表3 回歸方程顯著性檢驗

由表3可以看出，各因素對產(chǎn)品收率都具有顯著性影響。因此回歸方程能夠模擬真實的曲面。為了更直觀的反應(yīng)各因素間的相互作用對收率的影響，采用Minitab軟件，作兩兩自變量為坐標(biāo)的3D圖。

3.2 響應(yīng)面3D圖分析

響應(yīng)面3D圖是特定的響應(yīng)面Y對應(yīng)于因素X1、X2、X3值(X1為微波反應(yīng)功率，X2為反應(yīng)物物質(zhì)的量比，X3為反應(yīng)時間)構(gòu)成的一個三維空間在二維平面上的等高圖，可以直觀地反映各因素對響應(yīng)值的影響，從所得圖2～圖4可以分析出響應(yīng)值與影響因素之間的相互作用及關(guān)系。

圖2 微波功率與反應(yīng)物物質(zhì)的量比對收率的響應(yīng)面

圖2可以看出，保持反應(yīng)時間不變，當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)的量比較小時，總收率隨著微波功率的增加而增大，當(dāng)微波功率約為385 W時達到最大值，繼續(xù)增大微波功率，收率隨著功率的增大而降低;在功率不變情況下，隨著反應(yīng)物物質(zhì)的量比增大，收率也逐漸增大，在1∶1.13時達到最大，但繼續(xù)增大時收率不會繼續(xù)增加。

圖3 微波功率與微波反應(yīng)時間對收率的響應(yīng)面

圖3可以看出，保持反應(yīng)物質(zhì)的量不變，當(dāng)微波反應(yīng)時間時較短時，總收率隨著微波功率的增加而增大，當(dāng)微波功率約為385 W時達到最大值，繼續(xù)增大微波功率，收率隨著功率的增大而降低;在功率不變情況下，隨著微波反應(yīng)時間增加，收率也逐漸增大，在反應(yīng)時間約為420 s時達到最大，但繼續(xù)增大時收率不會繼續(xù)增加。

圖4 反應(yīng)物物質(zhì)的量與微波反應(yīng)時間對收率的響應(yīng)面

圖4可以看出，在微波反應(yīng)功率保持不變，當(dāng)微波反應(yīng)時間時較短時，總收率隨著反應(yīng)功率的增加而增大，當(dāng)反應(yīng)物物質(zhì)的量為1∶1.13時達到最大值，繼續(xù)增大微波反應(yīng)時間，收率隨著功率的增大而降低;在反應(yīng)物物質(zhì)的量保持不變的情況下，隨著微波反應(yīng)時間增加，收率也逐漸增大，在反應(yīng)時間約為420 s時達到最大，但繼續(xù)增大時收率不會繼續(xù)增加。

由表2、表3中的數(shù)據(jù)分析表明，反應(yīng)功率和微波反應(yīng)時間對收率的影響是最顯著的。可以利用上述的分析進行最優(yōu)工藝的推導(dǎo)，對回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)為零得到。

根據(jù)上式求解得到 X1=380.33，X2=1.04，X3=427.74，即工藝條件:反應(yīng)功率為 380.33 W，反應(yīng)物物質(zhì)的量比為1.04，反應(yīng)時間為427.74 s。以此條件下收率的預(yù)測值為93.72%，實驗驗證得到收率為94.14%。說明響應(yīng)面分析法得出的最優(yōu)條件結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

1)利用試驗設(shè)計軟件 Design Expert，采用Central Composite Design建立了微波反應(yīng)功率X1、反應(yīng)物配比X2、微波反應(yīng)時間X3與收率的二次多項式的數(shù)學(xué)模型。

2)回歸分析表明，相關(guān)系數(shù)R2=0.908 6，P＜0.000 1，表明回歸模型顯著，擬合程度好，通過模型系數(shù)顯著性檢驗，得到因素的主效應(yīng)關(guān)系為:反應(yīng)物物質(zhì)的量比＞微波反應(yīng)時間＞微波功率。

3)利用模型的響應(yīng)面對收率的影響因素及其相互作用進行探討，優(yōu)化出微波輻射合成長鏈咪唑型離子液體的工藝條件:反應(yīng)功率為380.33 W，反應(yīng)物物質(zhì)的量比為 1.04，反應(yīng)時間為427.74 s。收率的預(yù)測值為 93.72%，驗證值為94.14%。理論值與驗證值的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.995 9，證明此模型是合理可靠的，可用于預(yù)測。

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