基于響應面法的電芬頓降解活性黑5性能研究

陳于梁，成先雄，連軍鋒，黃雅蓮，王明珠，袁俊

(江西理工大學 贛江流域水質安全保障工程技術研究中心，江西 贛州 341000)

我國每年排放大約1.6×106t的染料廢水，約占工業廢水的1/5[1]。染料廢水具有色度高、成分復雜、毒性大、難生物降解等特點[2-3]。傳統的生物法難以有效處理染料廢水，而電芬頓法可以通過產生的·OH氧化染料廢水中的有機物，處理效率高，便于操作，且幾乎無二次污染[4]，受到人們的廣泛關注。

本實驗以網狀玻璃碳(RVC)為陰極、釕銥鈦網為陽極，進行陰極電芬頓(EF)處理實驗配制的活性黑5染料廢水?？疾熳罴逊磻獥l件，采用響應面法確定各因素間的交互作用及優化參數。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

活性黑5、無水Na2SO4、FeSO4·7H2O、H2SO4、NaOH均為分析純。

UTP1306S 32V/6A 優利德直流穩壓電源；PB-10型pH計；LZB-3WB玻璃轉子流量計；AIR2000小型空氣泵。

1.2 實驗方法

實驗裝置主要由反應器(12 cm×12 cm×12 cm)、電極、直流穩壓電源、空氣泵組成。陽極為釕銥鈦網(5 cm×5 cm)，陰極為網狀玻璃碳(RVC)電極(5 cm×5 cm×0.5 cm)，極板間距為5 cm。底部曝氣管曝氣。

將pH為3的400 mL初始濃度200 mg/L活性黑5染料廢水先曝氣30 min，曝氣強度為 1.5 L/min。加入1.0 mmol的FeSO4·7H2O，通入0.3 A的電流，開始反應，每隔30 min收集5 mL樣品，反應120 min。立即用紫外-可見分光光度計進行分析。

1.3 分析方法

采用紫外-可見光分光光度計測定溶液在 600 nm 處的吸光度值，計算活性黑5溶液的脫色率。

脫色率=(1-At/A0)×100%

式中A0——初始吸光度；

At——反應t時間的吸光度。

2 結果與討論

2.1 pH對脫色率的影響

在活性黑5初始濃度200 mg/L，電流強度 0.2 A，Fe2+用量1 mmol的條件下，pH對溶液脫色率的影響見圖1。

圖1 pH對脫色率的影響Fig.1 Effect of pH on decolorization rate

由圖1可知，pH為3時，脫色率可達86.8%，當pH為2或4時脫色率減小。這是因為pH較小時，溶液中的H+過量，會發生H+得電子生成H2的副反應，影響H2O2的生成，影響溶液的脫色率。pH較大時，H+不足，產生的H2O2不足，而且pH較大時Fe2+和Fe3+易水解形成氫氧化物沉淀，·OH的生成量急劇減小，進而影響溶液的脫色率。

2.2 電流強度對脫色率的影響

在活性黑5初始濃度200 mg/L，pH為3，Fe2+用量1 mmol的條件下，電流強度對溶液脫色率的影響見圖2。

圖2 電流強度對脫色率的影響Fig.2 Effect of current intensity on decolorization rate

由圖2可知，電流強度0.3 A時，脫色率最高，可達90.1%。隨著電流強度的增大，脫色率呈現出先增大后減小的趨勢。隨著電流強度的增大，陰極原位電解生成的H2O2增多，從而與Fe2+反應生成的·OH增多。但電流強度過高時，電解液溫度升高，電流效率下降，析氫反應劇烈，產生大量小氣泡，發生一系列副反應，對電極腐蝕嚴重，使得溶液脫色率下降。

2.3 Fe2+用量對脫色率的影響

在活性黑5初始濃度200 mg/L，pH為3，電流強度0.2 A的條件下，Fe2+用量對溶液脫色率的影響見圖3。

圖3 Fe2+用量對脫色率的影響Fig.3 Effect of Fe2+ dosage on decolorization rate

由圖3可知，Fe2+用量為1 mmol時，脫色效果最佳。隨著Fe2+濃度的增加，脫色率呈現出先增加后減小的趨勢。這是因為當Fe2+濃度過低時，·OH 的量較少，故而脫色率較低。而Fe2+濃度過高時，會與·OH發生副反應，減少溶液中的·OH的量，故而脫色率會降低。

網狀玻璃碳陰極電-Fenton降解活性黑5的最佳反應條件為：pH為3，電流強度為0.3 A，Fe2+用量為1 mmol。

2.4 響應面法優化工藝條件

2.4.1 實驗設計 在單因素實驗的基礎上，利用響應面法Box-Behnken Design(BBD)(所用軟件為Design Expert 8.0.6)對初始pH(A)、電流強度(B)和Fe2+濃度(C)進行優化，以脫色率(Y)為對應的響應值，實驗因素水平見表1，結果見表2。

表1 因素水平及編碼Table 1 Factor level and coding

表2 實驗結果Table 2 The experimental results

2.4.2 方差分析 利用響應面法軟件Design Expert 8.0.6對實驗數據進行回歸分析，得二階二次多項式回歸方程：Y=88.38-6.39A-1.52B-0.89C+1.17AB+0.10AC+0.57BC-7.84A2-3.92B2-5.59C2，二次方程模型的方差分析見表3。

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

圖4為此電芬頓體系中得到的預測值與實際值的關系。橫坐標為實際值，即實驗實際得到的脫色率，縱坐標為預測值，即模擬方程預測的脫色率。

圖4 脫色率預測值與實際值的關系Fig.4 Relationship between predicted value ofdecolorization rate and actual value

由圖4可知，預測值與實際值較為接近，且數據點均勻地分布在直線Y=X的附近，表明此模擬方程能夠很好地預測溶液的脫色率。

2.4.3 響應面分析 圖5是各實驗因素對脫色率影響的響應曲面圖[6-7]。

圖5 各實驗因素對脫色率影響的響應曲面圖Fig.5 Response surface diagram of the influence ofvarious factors on the decolorization ratea.Fe2+用量和pH；b.電流強度和pH；c.Fe2+和電流強度

由圖5a可知，當電流強度為0.3 A時，pH的影響比Fe2+用量更顯著。由圖5b可知，當Fe2+用量為1 mmol時，pH的影響比電流強度更顯著。由 圖5c可知，當pH為3時，電流強度的影響比Fe2+用量略微更顯著。所以各因素對脫色率影響的顯著性順序為：pH>電流強度>Fe2+用量，并且pH和電流強度的交互作用最顯著。

2.4.4 參數優化和模型的驗證 利用Design Expert 8.0.6中的數值優化工具對最佳反應條件進行優化。優化后的反應條件為：pH為2.57，電流強度為0.27 A，Fe2+用量為0.95 mmol，相應的脫色率預測值為89.99%。為了驗證模型方程得到的預測結果，在響應面法優化后的條件下進行了三組平行實驗，得到了脫色率的平均值為88.67%，與預測值的偏差僅為1.80%。表明該模型能夠比較可靠優化反應條件，有效地預測溶液的脫色率。

3 結論

網狀玻璃碳陰極電芬頓降解活性黑5的最佳反應條件為：pH為2.57，電流強度為0.27 A，Fe2+用量為0.95 mmol。在此條件下，實際的脫色率平均值為88.67%，與模型的預測值只有1.80%的偏差。