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響應曲面法優化含銅廢水銅離子吸附去除特性

發布時間:2022-11-21 16:35:29  中國污水處理工程網

銅是人體所必須的微量元素之一,它主要通過食物鏈進入人體但人體內銅的含量超標會導致中毒,出現嘔吐抽筋驚厥等不良反應,甚至死亡銅在工業中應用較廣,工業生產會產生大量的含銅廢水目前,含銅廢水的處理方法包括化學沉淀鐵氧體法離子交換法吸附法電解法膜分離法晶析法電滲析法等吸附法作為一種重要的重金屬廢水處理方法已經得到了廣泛應用

本實驗自配含Cu2+的模擬溶液,以D401螯合樹脂為吸附材料,在單因素試驗的基礎上,采用響應曲面法(response surface methodology,RSM)對影響樹脂吸附的各因素的交互作用進行研究,確定最佳的測定條件

1實驗

1.1 原料與試劑

五水合硫酸銅;硝酸;氫氧化鈉;D401樹脂。實驗所用試劑均為分析純,用水均為超純水(電阻率為18.25MΩ•cm)

1.2 儀器與設備

AEY-220型電子分析天平;電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-AES,ThermoFisher Scientific);PHS-3CpH測量儀;旋轉振蕩器;超純水系統

1.3 樹脂預處理

(1)稱取一定量的樹脂;

(2)用蒸餾水浸泡24h并過濾;

(3)1mol/L的鹽酸浸泡2h并過濾;

(4)用蒸餾水反復洗滌至流出液的pH值為7;

(5)1mol/L的氫氧化鈉浸泡2h并過濾;

(6)用蒸餾水反復洗滌至流出液的pH值為7;

(7)反復操作幾次后,用去離子水浸泡,待用

1.4 響應曲面法實驗設計

選取pH溫度Cu2+的初始質量濃度為自變量,振蕩時間為3h,樹脂質量為0.4g采用Design-Expert軟件的Box-Behnken設計進行響應曲面分析,以吸附量為響應值,通過響應曲面分析優化反應條件實驗設計如表1所示

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2結果與討論

2.1 pH值對吸附量的影響

分別稱取10份質量為0.4g的經過預處理的樹脂于250mL錐形瓶中,加入150mL初始質量濃度為600mg/LCu2+,用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為1~5;在30℃下置于恒溫振蕩器中,以130r/min的轉速振蕩3h,使吸附達到平衡ICP-AES測定平衡時溶液中Cu2+的質量濃度每組設兩個平行實驗

pH值通過影響樹脂表面的金屬離子吸附位點和溶液中金屬離子的狀態,從而影響金屬離子在樹脂上的吸附量pH值對銅吸附效果的影響如圖1所示由圖1可知:當pH值為1~3時,D401樹脂對銅的吸附量隨pH值的增大而增大;當pH值超過3時,吸附量有所減小這是因為當pH值過低時,強酸性環境抑制了D401樹脂上的活性吸附基團,導致吸附量較低而當pH值過高時,溶液未能提供吸附所需的酸性環境,并且當pH值超過5.5Cu2+開始沉淀因此,本實驗適宜的pH值為3~5

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2.2 溫度對吸附量的影響

分別稱取10份質量為0.4g的經過預處理的樹脂于250mL錐形瓶中,加入150mL初始質量濃度為600mg/LCu2+,用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為3;分別在515253545℃下置于恒溫振蕩器中,以130r/min的轉速振蕩3h,使吸附達到平衡ICP-AES測定平衡時溶液中Cu2+的質量濃度每組設兩個平行實驗

溫度對銅吸附效果的影響如圖2所示由圖2可知:隨著溫度的升高,樹脂對銅的吸附量不斷增大這可能是因為隨著溫度的升高,Cu2+擴散到樹脂微孔內的速率加快當溫度升高到一定程度以后,吸附量增加緩慢因此,本實驗適宜的溫度為25~45

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2.3 Cu2+的初始質量濃度對吸附量的影響

分別稱取10份質量為0.4g的經過預處理的樹脂于250mL錐形瓶中,加入150mL初始質量濃度為300mg/L400mg/L500mg/L600mg/L700mg/LCu2+,用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為3;在35℃下置于恒溫振蕩器中,以130r/min的轉速振蕩3h,使吸附達到平衡ICP-AES測定平衡時溶液中Cu2+的質量濃度每組設兩個平行實驗

Cu2+的初始質量濃度對銅吸附效果的影響如圖3所示由圖3可知:隨著Cu2+的初始質量濃度的增加,Cu2+的吸附量逐漸增大這是因為當溶液的質量濃度增加時,會有更多Cu2+與樹脂吸附當溶液的質量濃度增至一定程度時,樹脂逐漸達到飽和吸附量因此,本實驗適宜的Cu2+的初始質量濃度為400~800mg/L

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2.4 響應曲面結果

2.4.1 模型的建立及其顯著性檢驗

D401樹脂對Cu2+的吸附響應曲面結果如表2所示

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DesignExpert軟件對表2中的數據進行多元回歸擬合,得到二次多項回歸方程:Y=-543.50+116.65×A+11.27×B+0.44×C-0.47×AB-9.57×10-3×AC-2.57×10-3×BC-10.69×A2-0.09×B2-2.18×10-4×C2其中:ABC分別是上述三個因素的編碼

對回歸模型進行方差分析,結果見表3由表3可知:模型顯著(p<0.0001),模型確定系數R2=0.9814;AB項對吸附量的影響較大,而B2的影響很小

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2.4.2 響應曲面分析與優化

根據Design-Expert軟件擬合的多元回歸方程作響應曲面圖,研究pH溫度和Cu2+的初始質量濃度對吸附量的影響響應曲面及其等高線如圖456所示

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456中所示的等高圖,表示兩因素的交互組合得到相同的吸附量從圖4中可以看出,pH值越接近4.5,溫度越高,吸附量越大從圖5中可以看出,pH值越接近4.5,隨著Cu2+的初始質量濃度的增加,吸附量增大從圖6中可以看出,Cu2+的初始質量濃度和溫度對Cu2+的吸附存在交互作用,Cu2+的初始質量濃度和溫度越高,吸附量越大通過軟件分析,得到吸附過程的最佳條件為:pH4.35,溫度40.56℃,Cu2+的初始質量濃度616.46mg/L,最大吸附量82.64mg/g

2.4.3 模型的驗證

為了方便實際操作,將實驗條件修正為:pH4.35,溫度40.00℃,Cu2+的初始質量濃度620mg/L在此條件下進行三次實驗,得到三次吸附量的平均值為83.34mg/g,與模型預測值基本一致

3結論

本實驗在單因素試驗的基礎之上,通過Design-Expert軟件擬合得到多元回歸模型,并驗證了模型的可靠性根據響應曲面圖優化結果和實際操作性,確定吸附的最佳條件為:pH4.35,溫度40.00℃,Cu2+的初始質量濃度620mg/L,最大吸附量83.34mg/g實際響應值和預測的最大吸附量擬合較好,說明采用Box-Behnken設計的實驗和響應曲面法在樹脂吸附重金屬方面具有較大的指導意義(來源:湖南永清環保研究院有限責任公司,衡陽師范學院生命科學與環境學院,湖南永清水務有限公司)

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