基于響應面法優(yōu)化活性炭處理含鎘廢水工藝

目前，含鎘廢水的處理方法有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、電解法和膜分離法等，這些處理方法均存在不同程度的缺點，如化學沉淀法易造成水體二次污染，離子交換法成本高，電解法能源消耗大，膜分離法易造成膜污染堵塞等。

活性炭吸附法處理含鎘廢水操作工藝簡便、吸附劑可再生，因此成為廢水處理方面極具應用價值的方法。為進一步提高該方法的處理效率，以廢水中鎘的去除率作主要指標，在單因素實驗的基礎上，采用響應面分析法對廢水中鎘的的去除工藝進行優(yōu)化，以期為鎘污染廢水的處理工作提供理論參考依據(jù)。

1、材料與方法

1．1 材料與試劑

供試材料：取自廣西南丹某工廠車間廢水。經測定可知供試廢水中的pH值6.75，鎘的濃度為25.1mg/L。

活性炭。高氯酸、過氧化氫、鹽酸等。Cd標準儲備液(購自環(huán)境保護部標準樣品研究所)。

1．2 儀器與設備

pinAAde900T原子吸收分光光度計；Mars6微波消解儀；ZD－85型恒溫振蕩器等。

1．3 實驗方法

1．3．1 活性炭處理廢水的方法

量取100mL含鎘廢水到錐形瓶中，加入一定量活性炭，放入恒溫振蕩器中振蕩，一定時間后取出。對濾液進行微波消解后測定其中鎘離子濃度。

1．3．2 廢水中鎘的測定方法

廢水中鎘濃度的測定方法參考國標(GB/T7475－87)《水質銅、鋅、鉛、鎘的測定原子吸收分光光度法》進行。

1．3．3 單因素實驗

(1)分別量取100mL取自廣西南丹某工廠車間的含鎘廢水(25.1mg/L)于5個錐形瓶中，分別加入0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g活性炭，于30℃恒溫振蕩器中振蕩1h，對濾液進行微波消解后測定其中鎘離子濃度，由此確定活性炭最佳加入量。

(2)分別量取100mL含鎘廢水(25.1mg/L)于5個錐形瓶中，加入1.5g活性炭，分別于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃條件下振蕩1h，對濾液進行微波消解后測定其中鎘離子濃度，由此確定最佳處理溫度。

(3)分別量取100mL含鎘廢水(25.1mg/L)于5個錐形瓶中，加入1.5g活性炭，于30℃恒溫條件下分別振蕩0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h，對濾液進行微波消解后測定其中鎘離子濃度，由此確定最佳處理時間。

1．3．4 優(yōu)化實驗設計

在單因素實驗的基礎上，根據(jù)Box－Behnken中心組合實驗設計原理，選取活性炭用量、處理溫度、處理時間這三個對廢水中鎘去除率較為顯著的三個因素，采用三因素三水平的響應面分析方法優(yōu)化處理工藝。實驗設計如表1所示。

2、結果與分析

2．1 單因素實驗結果

2．1．1 活性炭用量對去除率的影響

由圖1可知，隨著活性炭用量的增加，廢水中鎘的去除率也隨之增加，當活性炭投放量為1.5g時，鎘的去除效率較高，之后隨著活性炭用量的繼續(xù)增大，廢水中鎘的去除率變化不明顯。這是因為隨著活性炭用量的增加，活性炭總的表面積增大，而廢水中鎘的濃度是一定的，且受到水體中各種其他條件的影響，在廢水中鎘的吸附達到一定量時，繼續(xù)增加活性炭的投放，鎘的去除率變化不大。考慮到實際工程中的成本開銷與工程量，因此選用活性炭投放量為1.5g為最適用量。

2．1．2 溫度對去除率的影響

由圖2可知，隨著溫度的持續(xù)增加，廢水中鎘的去除率有所下降，這是因為活性炭對金屬離子的吸附行為屬于放熱過程，溫度不斷升高將不利于吸附的進行，考慮到夏季室溫容易實現(xiàn)，因此選擇30℃為較適溫度。

2．1．3 時間對去除率的影響

由圖3可知，隨時間的增加，廢水中鎘的去除率也隨之增加，當時間為1.5h時，廢水中鎘的去除率達到最大，繼續(xù)增加時間對去除率的影響不大，這是因為活性炭的吸附已經達到平衡，繼續(xù)增加處理時間對鎘的去除率影響不大，從操作簡便方面考慮，因此選擇1.5h為最適時間。

2．2 響應面法實驗設計與結果分析

2．2．1 優(yōu)化實驗設計及結果

以去除率為響應值(Y)，響應面實驗設計與實驗結果見表2。應用DesignExpert軟件，對表2中的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，可得廢水中鎘的去除率對活性炭用量、溫度和時間的二次多項回歸方程為：Y=97.41+2.00A－1.56B+1.26C－1.81AB－0.46AC+1.70BC－7.12A2－5.35B2－4.11C2。式中，A為活性炭用量，g；B為溫度，℃；C為時間，h。

對回歸方程進行方差分析和顯著性檢驗，見表3廢水中鎘的去除率回歸分析結果。P值的大小表明模型及各考察因素的顯著水平，P值小于0.05，表明模型或各因素有顯著影響；P值小于0.001，表明模型或各因素極度顯著。由表3可知：以廢水中鎘的去除率為響應值時，模型P＜0.0001，表明該二次方程模型極度顯著，同時失擬項P=0.7907＞0.1000，表明正交實驗結果和數(shù)學模型擬合良好。各因素中一次項A、B、C及交互項AB、BC為顯著，AC交互項不顯著，方程二次項A2、B2、C2為極度顯著。在所選因素水平范圍內，對廢水中鎘去除率的影響順序為A＞B＞C。

2．2．2 響應面曲面分析

根據(jù)響應面回歸分析結果，繪制相應的三維圖和等高線圖(見圖4～圖6)，以確定最佳參數(shù)及各個參數(shù)間的交互作用。圖4顯示了活性炭用量和溫度對鎘去除率的交互作用，由圖4三維圖可知，當溫度為30℃時，廢水中鎘的去除率隨著活性炭用量的增大不斷上升后又趨于平緩。由圖4等高線圖可知，等高線橢圓形則表示活性炭用量和溫度交互作用顯著；圖5顯示了活性炭用量和時間對鎘去除率的交互作用，圖5三維圖顯示當溫度為30℃時，廢水中鎘的去除率隨著活性炭用量的增大不斷上升后又趨于平緩。由圖5等高線圖可知，等高線呈圓形則表示活性炭用量和時間交互作用不顯著。圖6顯示了溫度和時間對鎘去除率的交互作用，圖6三維圖顯示當時間確定時，廢水中鎘的去除率隨著溫度的升高呈下降趨勢。由圖5等高線圖可知，等高線呈橢圓形則表示活性炭用量和時間交互作用顯著。這與表3中的方差分析結果相符合。

2．2．3 最佳條件的預測及驗證

通過回歸模型的預測，得到廢水中鎘的最佳去除工藝條件為：當廢水中鎘的初始濃度為25.1mg/L時，活性炭用量為1.58g/100mL，溫度為28.09℃，時間為1.53h，在此條件下鎘的預測去除率為98.10%。在此最佳條件下進行3次平行驗證實驗，三次測得鎘的去除率平均值為97.55%，與預測值98.10%的相對誤差為0.28%。實驗測定值和理論值的相對誤差小于5%，證明此實驗設計是可靠的。

3、結論

單因素實驗結果表明：鎘的去除率會隨著活性炭用量的增加、時間的延長有所增加，隨著溫度的升高鎘的去除率有所下降；在單因素實驗的基礎上，采用響應面法對有效態(tài)砷去除工藝進行優(yōu)化研究，確定最佳工藝條件是：當廢水中鎘的初始濃度為25.1mg/L時，活性炭用量為1.58g/100mL，溫度為28.09℃，時間為1.53h，在此條件下廢水中鎘的去除率可達到97.55%。（來源：廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站）