RSM对三维电化学处理 4,6-二氯嘧啶生产废水运行参数的优化

RSM对三维电化学处理 4,6-二氯嘧啶生产废水运行参数的优化

胡耀笛

北辰（上海）环境科技有限公司

摘 要：为研究三维电化学处理4,6-二氯嘧啶生产废水过程中各因素间交互作用对处理效能产生的影响，引入响应曲面分析法，以反应时间、电流密度和曝气量为影响因子，以4,6-二氯嘧啶生产废水的主要水质指标COD去除率为响应值来设计实验方案。最优工艺条件为：反应时间90min、电流密度33.61 mA/cm²、曝气量4.36L/min，最优条件下，COD去除率的预测值为72.08%。对预测值进行实验验证，在以上最优条件下进行实验，得出COD去除率的实际值为70.92%，预测值与实际值偏差为1.16%。

关键词：三维电化学；响应曲面分析法；反应时间；电流密度；曝气量；COD

1 实验设计

经过前期的单因素试验研究发现，对于三维电化学工艺处理4,6-二氯嘧啶生产废水^[1]的过程中，反应时间、电流密度、和曝气量是直接影响处理效果的主要因素。本文采用Design Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken Design（BBD）原理，以反应时间、电流密度和曝气量^[2]为影响因子，以4,6-二氯嘧啶生产废水的主要水质指标COD去除率为响应值来设计实验方案。本研究共17组实验，有5组中心点，实验因素水平设计表如表2-1，所选参数范围为反应时间20~90min，电流密度25~45 mA/cm²，曝气量2~8L/min，以此因素水平设计实验方案。

2 响应曲面分析法

将实验数据进行下列二阶二次多项式回归方程分析：

（2-1）

式中：y代表预测值，b_i，b_ii，b_ij为回归方程系数值，e代表随机误差值，X_j为变量的编码值^[106]。

表2-1 实验因素水平设计表

因素	水平
反应时间A/min	20	55	90
电流密度B/（mA·cm-2）	25	35	45
曝气量C/（L·min-1）	2	5	8

3 响应曲面优化COD去除率影响因素

3.1模型的建立与分析

根据设计进行实验，得出的实验数据可以建立以下二阶多项式的相应方程式：

Y₁=67.36+8.63A-1.10B-1.30C-0.30AB+0.30AC-4.10A²-5.00B²-2.36C² （2-2）

模型的拟合程度优劣可以用相关系数R值做评估，R值越接近1，则说明该模型对实验结果的拟合程度越好。本模型的方差分析如表2-2所示，其中R²为0.9854，即R值为0.9927，表示COD去除率变化中，98.54%可以通过该二次模型来解释。R²_Adj值为0.9667，很接近1，说明模型的可信度较高。设置显著水平a=0.05时，若P值小于0.05，说明显著，反之则不显著。表2-2中数据显示，该模型F值为52.60，P＜0.05，说明模型有效且显著。而失拟项的P值为0.3774，大于0.05，不显著，该模型没有失拟现象，说明实验误差小，可以很好地反映因素与响应值之间的真实关系。该模型精密度为21.243，远大于4，说明在整个实验区间内，该回归方程对实验具有指导作用。

表2-2 回归方程方差分析

3.2响应曲面分析

根据回归方程2-2，对两两因素间做响应曲面图。若所得曲面越陡峭，则表示该因素的影响越显著，反之，则不显著。

在曝气量为5L/min（中间水平值），进行反应时间（A）与电流密度（B）之间交互作用对COD去除率影响的试验研究，其结果如图2-1所示。从图中可以看出，在设计范围内，上述两因素对COD去除率都有较为明显的影响，且根据曲面的陡峭程度显示，反应时间比电流密度的影响更为显著^[3]。

图2-1还表明COD去除率也受到电流密度的影响，在电流密度的设计范围内， COD的去除率随电流密度的增加而增加，但当电流密度高于图中所显示的最佳电流密度33.6 mA/cm²后，会加剧阳极析氧和阴极析氢副反应的产生，这将极大地限制COD的去除过程^[4]，因此电流密度过大后，COD去除率也会相应地减小。

图2-1 反应时间与电流密度对COD去除率的影响

当确定电流密度为35 mA/cm²时，进行反应时间（A）与曝气量（C）之间的交互作用对COD去除率影响的实验，实验结果如图2-2所示。由图2-2可知，对COD去除率影响更大的是反应时间。

对于曝气量，COD去除率随曝气量的增加先升高、后降低。图中显示针对COD去除率，最佳曝气量为4.36L/min，超过该值后，随着曝气量的增加COD去除率反而下降，这是由于过多的曝气会阻碍污染物扩散到主电极表面，导致反应进行受阻^[5]。

图2-2 反应时间与曝气量对COD去除率的影响

确定反应时间为55min（中间水平值）时，进行电流密度（B）与曝气量（C）之间交互作用对COD去除率影响的实验研究，其结果如图2-3所示。从图中曲面陡峭度可知，电流密度和曝气量对COD去除率的影响都比较大，其中曝气量的影响稍大于电流密度。图中等高图显示近乎圆形，说明电流密度与曝气量之间的交互作用对COD去除率的影响较小。

图2-3 电流密度与曝气量对COD去除率的影响

4 结 论

（1）结果表明，该模型对于三维电化学预处理4,6-二氯嘧啶生产废水的运行参数优化和COD去除率的预测都较为精确可靠。

（2）通过软件中的“数值优化”功能进行工艺条件的优化，其结果显示，最优工艺条件为：反应时间90min、电流密度33.61 mA/cm²、曝气量4.36L/min，最优条件下，COD去除率的预测值为72.08%。对预测值进行实验验证，在以上最优条件下进行实验，得出COD去除率的实际值为70.92%，预测值与实际值偏差为1.16%。

参考文献

[1] 黄昊, 何永恒. 制药废水处理研究现状. 广东化工, 2013, 40( 14) : 238-239.

[2] Tzayam Perez a, Maria I. Leon b, Jose L. Nava. Numerical simulation of current distribution along the boron-doped diamond anode of a filter-press-type FM01-LC reactor during the oxidation of water[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2013, 707: 1-6.

[3] 杨水莲, 田晓媛, 吴滨等. Fenton高级氧化法深度处理焦化生化废水的实验研究[J]. 工业水处理, 2014, 34(10): 26-28.

[4] 章正勇, 庄会中, 胡岚. 化学合成制药废水处理工程实例[J]. 中国给水排水, 2014, 30(24): 126-129.

[5] 王禹, 钟大辉等. Fenton氧化法处理苯乙烯装置废水[J]. 化学工程, 2014, 42(5): 10-12.