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        響應(yīng)曲面法優(yōu)化三維電化學(xué)氧化體系處理印染廢水

        2021-07-15 04:46:26張亞平
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:印染回歸方程曲面

        崔 夢,王 勇,張亞平

        (1.荊州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合執(zhí)法支隊,湖北 荊州 434000;2.荊州市生態(tài)環(huán)境局江陵縣分局,湖北 荊州 434100)

        中國是紡織印染工業(yè)的主要生產(chǎn)國。近些年來,廢水的產(chǎn)生量很大,水質(zhì)復(fù)雜,給中國的環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1]。隨著紡織印染工業(yè)的發(fā)展,新的助劑和整理劑不斷地加入,印染廢水中出現(xiàn)了致癌、致畸等難降解的有毒有害污染物,極大地影響了人們的日常生活。常規(guī)的生物處理工藝難以達(dá)到要求,需要采用高級氧化法進(jìn)行處理[2]。

        三維電化學(xué)氧化技術(shù)是一種高效快捷的水處理技術(shù),克服了二維電化學(xué)體系電流效率低、能耗高的缺點,具有處理效果好、能耗低、無二次污染等優(yōu)勢[3]。它是通過直接或間接產(chǎn)生羥自由基(·OH),從而有效降解有機污染物[4]。陰極材料因可發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成具備強氧化作用的氧化性物質(zhì),提升電催化氧化的間接氧化效果,所以是影響三維電化學(xué)電解效果的重要因素。碳材料是三維電化學(xué)工藝中常用的陰極板,例如碳纖維氈、石墨氈等。考慮到原始石墨氈產(chǎn)過氧化氫能力不是很高,因此采用過硫酸銨改性石墨氈電極作為陰極,可提升處理效果[5,6]。

        本研究以鈦板為陽極,過硫酸銨改性石墨氈為陰極,活性炭為粒子電極,構(gòu)成三維電化學(xué)氧化體系,對印染廢水進(jìn)行處理。通過響應(yīng)曲面法著重考察了電極電壓、反應(yīng)時間和曝氣量對COD去除率和氨氮去除率的影響,以期為印染廢水的有效處理提供適宜的工藝條件。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        試驗用水取自荊州市某印染廢水處理廠調(diào)節(jié)池水,原水水質(zhì):CODcr800~1 300 mg/L,氨氮32~55 mg/L,pH為6.0~7.0,電導(dǎo)率2 200~2 540μS/cm;色度400~600倍。

        儀器:PB-10型pH計(美國賽多利斯),MGS-2200型電熱消解儀(上海金凱德分析儀器有限公司),UV-254型紫外-可見分光光度計(日本島津公司),DHG-9246A型鼓風(fēng)干燥箱(常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司)。

        1.2 試驗裝置與方法

        根據(jù)表2數(shù)據(jù)建立回歸方程,見式(2)和式(3),式中各項系數(shù)的絕對值代表對響應(yīng)值的影響程度,系數(shù)的正負(fù)反映影響的方向。

        方法:向反應(yīng)裝置中注入1.2 L印染廢水,使用氣體流量計調(diào)節(jié)增氧泵的流量,打開電源,開始反應(yīng)并計時。定時取樣,沉淀后取其上清液并測定COD和氨氮。反應(yīng)結(jié)束后,極板用弱酸溶液浸泡清洗,并用去離子水反復(fù)沖洗。

        1.3 分析方法

        3 稿件在3個月內(nèi)(以稿件回執(zhí)日期計算)給予回復(fù)審稿意見。若6個月后編輯部未與作者聯(lián)系,請自行處理稿件。

        1.4 響應(yīng)面法試驗設(shè)計

        前期單因素試驗發(fā)現(xiàn),電極電壓為6 V,曝氣量為8 L/min,反應(yīng)時間為80 min,COD去除率可達(dá)70%以上,氨氮去除率可達(dá)80%以上。在此基礎(chǔ)上,本試驗采用Design Expert 8.0.6軟件的Box-Behnken Design原理,對影響印染廢水處理效果的電極電壓(A)、曝氣量(B)和反應(yīng)時間(C)3因素進(jìn)行優(yōu)化,以COD去除率(Y1)和氨氮去除率(Y2)作為響應(yīng)值,設(shè)計試驗方案,試驗因素水平見表1。

        表1 試驗因素水平及編碼

        2 結(jié)果與分析

        2.1 模型的建立與分析

        設(shè)計的響應(yīng)曲面試驗方案共17組,其具體的設(shè)計方案及結(jié)果如表2所示。

        表2 試驗設(shè)計方案及結(jié)果

        該類進(jìn)口遠(yuǎn)程脈沖水表采購周期長且費用高,當(dāng)設(shè)備損壞需要維修或更換時,會因采購周期長嚴(yán)重影響生產(chǎn)的持續(xù)運行,且因費用高導(dǎo)致性價比低。

        式中,Yi為預(yù)測響應(yīng)值;β0、βi、βii、βij為回歸方程系數(shù)值;Xi、Xj為編碼的變量;ε為隨機誤差值。

        試驗裝置:主要由直流電源、反應(yīng)器、陰陽兩主電極極板、粒子電極和空氣泵等部分組成。陽極為鈦板,陰極為自制的過硫酸銨改性石墨氈,陰陽極板尺寸均為21.0 cm×14.0 cm,極板間距5.0 cm,活性炭為粒子電極放置在兩主電極之間。

        COD的測定采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007);氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)。

        各回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.996 8和0.994 7,校正相關(guān)系數(shù)R2adj為0.992 7和0.987 8,表明方程擬合程度良好,預(yù)測值與實際值之間具有較好的相關(guān)性。回歸方程(2)和(3)的方差分析分別見表3和表4。由表3、表4可見,回歸方程(2)線性關(guān)系非常顯著(P<0.000 1),失擬項不顯著(P>0.05);回歸方程(3)線性關(guān)系非常顯著(P<0.000 1),失擬項不顯著;對COD去除率影響的大小表現(xiàn)為電極電壓>反應(yīng)時間>曝氣量,對氨氮去除率影響的大小表現(xiàn)為電極電壓>曝氣量>反應(yīng)時間;兩者均受電極電壓的影響極為顯著[7,8]。

        表3 回歸方程(2)的方差分析

        表4 回歸方程(3)的方差分析

        2.2 響應(yīng)曲面分析

        根據(jù)響應(yīng)曲面等高線的形狀,可判斷各因素交互作用的大小,圓形代表兩因素交互作用不明顯,橢圓形則代表交互作用明顯。根據(jù)響應(yīng)曲面曲率的大小可以判斷對響應(yīng)值的影響程度。各因素對COD去除率和氨氮去除率的響應(yīng)曲面見圖1和圖2。

        第二,我國制造業(yè)的發(fā)展水平,在某種程度上制約了高職院校開展工匠精神的培育?!氨M管我們已經(jīng)是全球第二大經(jīng)濟體,但是我國主要工業(yè)門類的制造業(yè)發(fā)展水平還普遍比國際落后5至10年,有的甚至落后20至30年”。當(dāng)一個區(qū)域本身的產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較弱時,能夠提供給高職院校學(xué)生的指導(dǎo)和實踐平臺就會比較弱,從而影響到工匠精神的培育。反觀德國,其職業(yè)教育最大的特點就是雙元制,學(xué)生接受培訓(xùn)的過程是在工廠企業(yè)和職業(yè)學(xué)校進(jìn)行的,并且這種教育模式又是以企業(yè)培訓(xùn)為主。所以,德國一流的制造業(yè)和雙元制職教模式的結(jié)合,塑造了德國高水平的職業(yè)教育。

        由圖1a、圖2d可以看出,在反應(yīng)時間為80 min時,在各因素取值范圍內(nèi),與曝氣量相比,電極電壓對印染廢水COD去除率和氨氮去除率的影響都更為顯著。電極電壓一定時,COD去除率隨著曝氣量的增加變化不大,氨氮去除率隨著曝氣量的增加,呈現(xiàn)出先快速增加而后減小的變化;曝氣量一定時,COD去除率和氨氮去除率變化趨勢一致,均隨電極電壓的增大呈現(xiàn)出先快速增加而后減小的變化;從響應(yīng)曲面陡峭程度來看,電極電壓比曝氣量的影響效應(yīng)大;從等高圖可以看出,電極電壓與曝氣量的交互作用對氨氮去除率的影響更大些。隨著電壓的增大,電流增大,溶液中帶電離子的遷移速率增大以及極化的粒子電極數(shù)量增加,在相同時間內(nèi)產(chǎn)生的活性中間體·OH增多,從而使COD的去除率增加,但過高的電壓會導(dǎo)致電能損耗增大和副反應(yīng)增多,不利于污染物的去除[9]。

        根據(jù)表2所示結(jié)果,通過二階二次多項式方程擬合響應(yīng)值的模型來評估性能,如式(1)所示。

        由圖1b、圖2e可以看出,在曝氣量為8 L/min時,COD去除率和氨氮去除率隨著電極電壓和反應(yīng)時間的增加先增加后減少;在電極電壓和反應(yīng)時間各水平中,COD去除率和氨氮去除率存在一個臨界值,超過此值,效果反而下降。電極電壓的大小直接決定了污染物能否被降解,電極電壓較小時,達(dá)不到理想的效果,隨著電極電壓不斷增加,析氧和析氫副反應(yīng)的產(chǎn)生會加劇,不利于印染廢水中COD的去除[10];在電極電壓大約為7 V、反應(yīng)時間大約為90 min時,COD去除率達(dá)到較高的水平。從圖1e等高線來看,兩者之間的交互作用對氨氮去除率的影響較大,且電極電壓對氨氮去除率的影響較反應(yīng)時間大;在電極電壓4~7 V,反應(yīng)時間為70~90 min,氨氮去除率處于較高的水平。

        歷史文化街區(qū)是歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)體系的重要組成部分,是不可再生的珍貴資源,具有重要的歷史文化價值。全區(qū)各級各部門要按照《歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護(hù)條例》及相關(guān)規(guī)定,依法做好歷史文化街區(qū)保護(hù)規(guī)劃的編制和實施工作,完善保護(hù)規(guī)章制度,切實加強歷史文化街區(qū)保護(hù)工作。自治區(qū)住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳、文化廳等有關(guān)部門要切實加強對歷史文化街區(qū)保護(hù)工作的指導(dǎo)、監(jiān)督和檢查。

        由圖1c、圖2f可以看出,在電極電壓為6 V時,曝氣量和反應(yīng)時間對COD去除率和氨氮去除率的影響趨勢一致;從圖1c的陡峭程度來看,反應(yīng)時間對COD去除率的影響更顯著;COD去除率在反應(yīng)時間60~80 min快速增加,在90 min之后曲線變化相對平緩。隨著曝氣量的增加,COD去除率并沒有隨之增加,這是因為曝氣量過大時,會阻礙廢水中的污染物擴散到陰陽極表面,更會造成強氧化還原物質(zhì)中間體的猝滅,不利于反應(yīng)的進(jìn)行。由圖1f響應(yīng)曲面的曲率可知,曝氣量對氨氮去除率的影響更為顯著,氨氮去除率在4~8 L/min緩慢增加,而在8 L/min之后急劇下降。這是因為適量的曝氣會加速強氧化物質(zhì)與氨氮的有效碰撞,而當(dāng)曝氣過高時,會阻礙污染物擴散到陰陽電極的表面,更會導(dǎo)致強氧化還原物質(zhì)中間體的猝滅,致使反應(yīng)進(jìn)行受阻[11]。氨氮去除率在反應(yīng)時間變化時起伏相對較小,在60~80 min氨氮去除率呈上升趨勢,之后則相對平穩(wěn),反應(yīng)時間存在最優(yōu)值。

        杭州娃哈哈精密機械有限公司相關(guān)人士表示,外包裝與新產(chǎn)品的開發(fā)密不可分,在推出市場之前需要先進(jìn)行一系列的市場測試,大數(shù)據(jù)分析出目標(biāo)客戶對于顏色材質(zhì)及大小等參數(shù)的喜好。好的產(chǎn)品包裝必須滿足辨識力、表現(xiàn)力及傳達(dá)力三力合一的要求,圍繞這一要求不斷進(jìn)行優(yōu)化。“消費者不接受包裝就無法認(rèn)可新品?!彼f,企業(yè)在這方面需要借助前期的調(diào)研,而非簡單盲目地復(fù)制同類產(chǎn)品,否則難以達(dá)到辨識度。

        圖1 各因素對COD去除率影響的響應(yīng)曲面

        圖2 各因素對氨氮去除率影響的響應(yīng)曲面

        2.3 優(yōu)化參數(shù)及模型的驗證

        將COD去除率和氨氮去除率的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為最大化,通過Design Expert軟件根據(jù)試驗結(jié)果得到優(yōu)化參數(shù):電極電壓為7.03 V,曝氣量為6.78 L/min,反應(yīng)時間為86.77 min。在此條件下計算得到COD去除率和氨氮去除率的理論值分別為73.37%和88.32%。采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行驗證試驗,處理后COD去除率為71.24%,氨氮去除率為86.19%,實際結(jié)果與預(yù)測值的相對偏差均小于3%。

        3 小結(jié)

        1)采用響應(yīng)曲面法研究三維電化學(xué)體系對印染廢水的處理效果,相關(guān)系數(shù)及校正相關(guān)系數(shù)均大于0.9,說明模型的擬合度較好。

        本研究新聞?wù)Z料選自英國《衛(wèi)報》的網(wǎng)絡(luò)版中關(guān)于G20峰會的報道,發(fā)表時間是2017年7月7日-7月8日。在以G20峰會為主題的報道中繼續(xù)篩選,選取其中關(guān)于美國或特朗普總統(tǒng)的報道26篇,其中,占據(jù)篇幅最多的內(nèi)容分別為特朗普總統(tǒng)與普京的雙邊會談、與本國(英國)貿(mào)易協(xié)定、退出巴黎協(xié)定等三方面話題。本研究將就這三方面話題進(jìn)一步展開統(tǒng)計和分析,探討其中架構(gòu)隱喻的類別、分布以及其所反應(yīng)的深層架構(gòu)和話語策略。

        2)各因素對印染廢水COD去除率顯著性表現(xiàn)為電極電壓>反應(yīng)時間>曝氣量,氨氮去除率顯著性表現(xiàn)為電極電壓>曝氣量>反應(yīng)時間,兩者受電極電壓的影響均極為顯著。

        3)在電極電壓為7.03 V,曝氣量為6.78 L/min,反應(yīng)時間為86.77 min的條件下,預(yù)測的COD最大去除率為73.37%,氨氮最大去除率為88.32%。經(jīng)驗證試驗得出,COD和氨氮的去除率分別為71.24%和86.19%,實際結(jié)果與預(yù)測值的相對偏差均小于3%。

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