响应曲面法优化电催化降解染料废水工艺.doc

精品整理 响应曲面法优化电催化降解染料废水工艺 　　染料废水具有高浓度、高色度、高毒性、酸碱性强及难降解等特点，已成为实际废水处理的难题之一。因此，寻找一种经济、高效、简单实用的染料废水处理技术，是目前废水处理领域的研究热点。电化学氧化法因其具有操作简单、易于控制、处理效率高及二次污染产生较少等特点而受到广泛的关注。智丹等以Ti/Ti4O7为阳极,探究了电流密度、极板间距和初始浓度对美托洛尔电化学降解效率的影响。刘咚等研究了电化学氧化技术处理含聚丙烯酰胺类聚合物油田污水。魏旺等采用电化学氧化技术处理高浓度氨氮废水，氨氮去除率可高达84.2%。尽管电化学氧化法在多种废水处理中具有一定的优势，但存在能耗高和电流效率低等缺陷。本文尝试以Ti为基底的Ti/SnO2-Sb形稳电极(DSA)来处理有机染料废水，采用响应曲面法优化电解过程工艺参数，从而提高电化学处理废水的效率。 　　采用DSA形稳电极电化学催化降解废水的影响因素很多，并且各因素之间存在交互作用。响应曲面法(responsesurfacemethodology，RSM)是数学和统计方法结合的产物，通过合理的实验设计，获取实验数据，并基于该数据构建各影响因素和响应之间的多元回归方程，进而确定最佳的优化参数。RSM所需要的实验组数较少，可节省人力物力，多元回归方程容易建立，并且能够评价各因素间的交互作用，因而得到广泛应用。虽然有研究将RSM应用于化学和电催化工艺条件的优化，将RSM应用于优化DSA形稳电极电化学直接氧化处理废水的报道尚未见到。鉴于此，本研究以钛片为基底，采用涂层热分解法制备Ti/SnO2-Sb电极，并选用亚甲基蓝溶液作为模拟染料废水，以初始pH、施加电压和阴阳极距离为影响因素，电化学降解过程中的脱色率作为响应值，基于中心复合实验设计进行响应曲面分析，研究各个因素及其交互作用对于脱色率响应值的影响，进而确定电解脱色性能最优时的最佳电化学工艺参数水平值。 　　一、实验材料和方法 　　1.1 Ti/SnO2-Sb电极制备 　　按照实验需求裁剪钛片，钛片表面洗涤除油后，放入超声波清洗器中，分别用无水酒精和蒸馏水各清洗10min。将清洗好的钛片放入10%(质量)草酸溶液中水浴刻蚀180min[18-19]，温度保持在100℃，当刻蚀后的钛片表面呈麻灰色面，取出钛片并用蒸馏水冲洗干净，晾干备用。称取1.25g的SbCl3和30g的SnCl45H2O溶解于50ml正丁醇中，再加入2.5ml浓HCl与0.05%(质量)十二烷基磺酸钠，混合均匀搅拌30min，活性层溶液盛放于瓶中备用。将刻蚀后的钛片放在活性层溶液中浸涂3min，取出后置于红外快速干燥箱中烘干5min，重复以上操作30次。其中每隔5次取出放入高温干燥炉中煅烧30min，温度为450℃，最后一次煅烧时长为1h，温度为550℃。 　　1.2 Ti/SnO2-Sb电极的表征 　　环境扫描电镜(FE-SEM)采用日本Hitachi的S4800，加速电压为5.0kV。X射线衍射仪(XRD)测试采用日本理学公司SmartLabX射线衍射仪，使用Cu/Kα辐射(λ=1.5424(1=0.1nm))，扫描范围20°~80°，扫描速率为0.2s/step，扫描步长为0.02°。 　　1.3 电化学水处理及溶液脱色率计算 　　配制亚甲基蓝溶液为模拟染料废水，电解实验采用可调稳压直流电源，将装好电解液的自制反应池置于磁力搅拌器上，电化学水处理时电源正极连接Ti/SnO2-Sb电极，负极连接Ni电极。使用紫外可见分光光度计对亚甲基蓝溶液进行扫描，获得最大吸收波长处的吸光度值，通过式(1)计算亚甲基蓝的脱色率 　　式中，A0表示电解前的亚甲基蓝溶液吸光度，A1表示经电解后亚甲基蓝溶液在最大吸收波长处吸光度。 　　1.4 响应曲面法实验设计 　　实验采用三因素二水平的五阶全因子中心复合设计(CCD)，并用二阶RSM进行回归拟合实验，优化电催化氧化反应参数。选择初始pH(X1)，电压值(X2)和电极间距(X3)为影响染料脱色率的三个参数因子，根据中心复合设计原理，先对脱色率做单因素实验，当pH为7，电压为5.0V，电极间距3cm时脱色率最大。由此给出各因子变量的合理变化范围：pH为3.64～10.36，电压为3.32～6.68V，电极间距为0.32～3.68cm。设计中的每个参数均在五个不同的水平(-1.68，-1，0，1，1.68)下进行研究。所有变量都围绕数值为0的中心点进行设计，实验中的每个变量都要在至少两个水平上进行实验，进而寻找最优点附近的响应面区域。分析实验数据的二次多项式模型如式(2)所示 　　式中，Y为脱色率的响应曲面值；b0为常系数；bi是线性效应的回归系数；bii为二次效应的回归系数；bij为交互作用的回归系数；Xi为实验变量