基于大孔硅膠電滲再生的正交回歸實驗

段東新，劉曉宇，何 靜，韓天一

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

大孔硅膠目前在民用、化工、煤礦領域的空氣除濕上應用越來越廣。為了使硅膠能夠循環使用，必須對其進行再生。而傳統的熱能再生法[1]能耗大，為滿足環保、節能、安全的要求，電滲再生的方法越來越受到關注[2-3]。

正交試驗設計簡稱正交設計，它是利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法，是一種將正交設計與回歸分析的優點相結合的實驗設計和實驗數據處理方法。通過合理的實驗設計以及較少的實驗次數，建立有效的數學模型，它可以在因素的實驗范圍內選擇適當的實驗點，采用較少的實驗建立一個高精度、統計性質好的回歸方程，從而解決實驗優化問題。本文作為進一步研究將正交回歸實驗應用到分析大孔硅膠電滲再生效果中，在研究固體除濕劑電滲再生應用領域提供有益的參考。

1 正交回歸實驗

1.1 實驗指標的選取

硅膠在電滲作用下的出水量越大表明電滲再生效果越好，而在某些情況下，受除濕劑厚度、電壓大小、除濕劑含水率等因素影響并沒有出現再生水，但并不能說明除濕劑不存在電滲再生效應。而該過程中產生的電流i主要有兩部分組成，分別是離子流動而產生的電流i1和水分的傳導電流i2。因此，本文中以電流的變化為實驗指標，這是因為在整個過程中，傳導電流i2基本不發生變化，可以根據試驗過程中的電流i變化即離子流動而產生的電流i1來判定除濕劑的電滲效應以及水分的遷移，電流i越大，電滲效應越強。

1.2 實驗方法

正交回歸實驗裝置如圖1，實驗指標為電流y，影響實驗指標的因素主x 要有兩個：電壓(V)、含水量(g/g)[4]。結合本文的實驗研究以及參考前人研究知，電壓對電滲效應影響較大，電壓越大，電滲效應越好，由于焦耳熱效應和電極腐蝕，因此，電壓的范圍是30～60 V。由張桂英等對大孔硅膠吸濕和電滲再生性能研究可知，大孔硅膠在95%相對濕度時的飽和含水量為1.13 g/g，同時在含水量為0.9 g/g時電流變化很小，電滲效應不明顯，因此，含水量的范圍為0.9 g/g～1.13 g/g。在此基礎上通過該裝置可測得各因素的數值，具體實驗方法如下：

1-直流電源;2-燒杯;3-高精度電子天平;4-漏斗；5-負極板;6-電導儀;7-硅膠;8-正極板;9-數據采集儀;10-電腦

圖1 電滲再生實驗臺

(1)電壓的測定：硅膠兩端分別與直流電源的正負極相連，實驗過程中改變電壓值，觀察電流的示數變化和燒杯中出水量，同時記錄下數據采集儀采集到的數據。

(2)硅膠含水量的測定：采用稱重法測出硅膠的含水量。電滲再生過程中，硅膠與極性水發生電化學反應，利用電導儀可測試溶液的導電率，可進一步了解硅膠的電滲再生效果。

1.3 模型求解

在實際生產和科學試驗中，試驗指標與試驗因素之間的關系往往不宜用一次回歸方程來描述，所以需用二次或者更高次的方程來擬合，故假設電壓x1、含水量x2與試驗指標y的二元二次回歸方程為：

通過對各個實驗因素進行編碼，得到每個因素的規范變量zj。查表計算各個回歸系數值，從而可以得到含規范變量zj的回歸方程：

最后，通過顯著性檢驗確定回歸方程：

2 結果分析

由回歸方程各項系數的大小可以初步判斷各個因素對電流大小的影響程度，把回歸方程用立體圖來表達。從圖2可以看出電壓一定的情況下，電流隨著含水量的增大而增大，含水量中離子濃度增大，從而電流值增大。越大，電流值越大，且變化的速率較快。在含水量一定的情況下，電流隨著電壓的增大而增大，電壓越大電流值越大，變化速率較小。

圖2 電壓和含水量與電流之間的關系曲線圖

從圖3可以看出，隨著電壓值增加，電流值先增大后減小，這是由于電壓不能無限增大過高的電壓值會產生嚴重的焦耳熱效應[5]，反而會破壞除濕劑的功能，影響除濕劑除濕再生效果。因此，超過電壓的允許范圍后會產生逆向效應，電流值會減小，不利于電滲效應的產生。此外，電流隨著含水量的增加，電流值增大，且最優電壓值逐漸變大。

圖3 電壓與電流的關系曲線圖

從圖4可看出，在實驗范圍內，隨著電壓的增大，電流值增大，最低含水量逐漸減小，這是由于電壓增大，電流值增大，溶液中的離子濃度增大，所需含水量較小，電滲效果明顯。

圖4 含水量與電流的關系曲線圖

3 結論

大孔硅膠在含水率較高和合適的電壓下具有較為明顯的電滲效應，電滲再生固體除濕劑有一定的可行性。正交多項式設計回歸實驗為探討電滲再生的影響因素提供了新的思路。

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