蘇小歡 黃秋雪 莫建業(yè)

東莞理工學(xué)院城市學(xué)院 廣東 東莞 523419

鐵碳微電解技術(shù)利用鐵碳顆粒之間存在電位差，形成大量微小的原電池系統(tǒng)，污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，吸附、混凝和絮凝等作用，進(jìn)一步去除污染物。但是傳統(tǒng)的鐵碳微電解方法存在易板結(jié)，利用率低，再生困難，在使用過(guò)程中受到一定的限制等問(wèn)題。故高效率的微電解材料，可提高污水的處理效率，降低處理成本。本文利用Box-Behnken Design響應(yīng)曲面方法分析鐵碳微電解材料焙燒溫度、溶液pH、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)活性紅印染廢水處理效果的影響，并得出最佳的處理工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

馬弗爐（KSL-1200X）；消解裝置（XJIII）；磁力攪拌器

1.2 試劑

鐵粉、活性炭、銅粉、膨潤(rùn)土、碳酸氫銨、活性艷紅（均為分析純）

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將膨潤(rùn)土，碳酸氫銨，鐵，碳，銅等材料充分混合均勻，加入去離子水，制備填料小球，于烘箱以120℃烘20分鐘，后放至馬弗爐中，燒制可得規(guī)整填料[1]。將填料模擬廢水中，反應(yīng)后將溶液調(diào)pH至9，靜置1h，抽濾，測(cè)COD，通過(guò)COD去除率，探究最佳反應(yīng)條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)pH對(duì)處理效果的影響

分別改變焙燒溫度、水樣pH值、反應(yīng)時(shí)間，探究對(duì)水樣COD的去除效果。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焙燒溫度在700-1100℃，COD去除率變化不大，故響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取700-900℃；隨著反應(yīng)時(shí)間的變化，COD去除率逐漸提高，故響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取反應(yīng)時(shí)間為300-360min；在低pH值時(shí)，微電解反應(yīng)的電位差加大，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，COD的去除率越高，故取反應(yīng)pH選取2-4進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)學(xué)建模

在前期的研究基礎(chǔ)上，設(shè)定焙燒溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)pH分別為800℃、120min和2。根據(jù)Box-Benhnken Design中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[2-3]，設(shè)計(jì)三因素三水平實(shí)驗(yàn)，三因素中焙燒溫度為A，反應(yīng)時(shí)間為B，反應(yīng)pH為C，響應(yīng)值Y是COD去除率，探究各操作條件間的是否存在交互作用，并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

通過(guò)BBD法設(shè)計(jì)17個(gè)實(shí)驗(yàn)，考察各因素各水平對(duì)處理效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：本實(shí)驗(yàn)擬合的方程顯著性好，焙燒溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)pH對(duì)三元微電解法降解活性艷紅廢水的效率影響顯著。三個(gè)因素影響程度的強(qiáng)弱為：反應(yīng)pH＞焙燒溫度＞反應(yīng)時(shí)間。三因素之間的交互作用為：焙燒溫度和反應(yīng)pH之間交互作用顯著；反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)pH之間交互作用顯著。

2.3 模型各因素對(duì)響應(yīng)值的影響

為了考察焙燒溫度、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)pH之間的交互作用對(duì)COD去除率的影響，通過(guò)所得到的二次回歸模型獲得響應(yīng)面的三維圖及等高線圖。

由三維圖及等高線圖可知，在反應(yīng)時(shí)間為800℃、反應(yīng)pH為2條件下，COD去除率受焙燒溫度影響，隨其增加而增加。由顯著性檢驗(yàn)可知，反應(yīng)時(shí)間與焙燒溫度的交互作用不顯著。在反應(yīng)pH等于2的條件下，反應(yīng)時(shí)間過(guò)短時(shí)，增大焙燒溫度，COD去除率有提高，但不明顯，最高才達(dá)26%。

當(dāng)焙燒溫度為800℃、反應(yīng)時(shí)間330min時(shí)，COD去除率隨反應(yīng)pH的增大而減小。由顯著性檢驗(yàn)可知，反應(yīng)pH與焙燒溫度間存在顯著的交互作用，在反應(yīng)時(shí)間為330min條件下，COD去除率隨反應(yīng)pH的降低以及焙燒溫度的增大而增加，最高可達(dá)50%。

當(dāng)焙燒溫度為800℃、反應(yīng)pH為2時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，COD去除率越高，呈正相關(guān)。由顯著性檢驗(yàn)可知，在焙燒溫度為800℃條件下，反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)pH間有顯著的交互作用，COD去除率隨反應(yīng)時(shí)間的增加以及反應(yīng)pH的降低而增加，最高可達(dá)50%。

2.4 最優(yōu)處理?xiàng)l件的確定

通過(guò)分析Design-Expert軟件獲得的二次回歸模型，最優(yōu)工藝預(yù)測(cè)條件為：在899.99℃，pH為2，反應(yīng)360min，COD去除率預(yù)測(cè)值為59.25%。在這個(gè)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得COD去除率為58.15%，與預(yù)測(cè)值相差1.1%。本實(shí)驗(yàn)三元微電解填料處理活性艷紅廢水的二次數(shù)學(xué)模型對(duì)工藝條件的優(yōu)化及COD去除率的預(yù)測(cè)有良好的可靠性。綜合實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)層面考慮，反應(yīng)時(shí)間為360min不合理。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為120min時(shí)，COD去除率已達(dá)50%，而4h時(shí)間差，廢水處理效果并沒有提高很多，時(shí)間長(zhǎng)卻沒有帶來(lái)相應(yīng)較理想的效率，故反應(yīng)時(shí)間為120min，比反應(yīng)時(shí)間為360min時(shí)更為合理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)三元微電解填料的材料比例為：Fe/C=2:1，Cu=4%，膨潤(rùn)土為30%，造孔劑為1%。在800℃焙燒溫度，反應(yīng)pH為2，360min條件下，COD去除率可達(dá)50%。三因素的交互作用：焙燒溫度與反應(yīng)pH之間，以及反應(yīng)pH與反應(yīng)時(shí)間之間有明顯的交互作用，且三因素對(duì)三元微電解填料降解活性艷紅廢水的影響程度大小為：反應(yīng)pH＞焙燒溫度＞反應(yīng)時(shí)間。