蒙脫石/水熱碳對Cr(Ⅵ)的去除及其響應面法條件優化*

趙阿娟，曾維愛，蔡海林，謝鵬飛，翟爭光，朱海峰，丁春霞，文志勇

(1 湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410011；2 湖南農業大學化學與材料科學學院，湖南 長沙 410128)

Cr(Ⅵ)因其具有毒性和累積性，已被美國環保局列入有毒優先污染物[1]。鉻污染廢水常見的處理方法有有化學沉淀法、氧化還原法、電化學法和吸附法等[2]。其中，吸附法因其操作簡單和成本低廉，被廣泛用于污染廢水處理。

活性炭因其有較大的比表面積和孔隙結構使其對廢水中Cr(Ⅵ)具有良好的去除能力，常被用于處理鉻污染廢水[3]。然而，制備活性炭需要較高的溫度，消耗大量的能源，導致制備成本較高，并在制備過程中還可能伴隨有害氣體的釋放[4-5]，從而限制了其大規模應用。為了解決活性炭制備過程出現的問題，可通過低溫水熱反應來制備碳材料及其復合物，蒙脫石的獨特結構是碳材料的良好載體，可防止碳材料的團聚，提高其對污染物的吸附性能[6-8]。

響應面法是一種靈活的實驗設計優化方法[9]，它具有實驗次數少、可信度高及預測性能好等特點，近年來已被許多領域應用[10]。本研究通過水熱反應制備了Mt/C復合材料，采用響應面法研究了pH值、Cr(Ⅵ)濃度和Mt/C用量及其交互作用對Cr(Ⅵ)去除影響及條件優化。

1 實 驗

1.1 主要儀器與試劑

UVmini-1280紫外可見分光光度計，日本島津有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司。

葡萄糖，國藥集團化學試劑有限公司；蒙脫石，浙江省安吉縣榮建礦產精制廠；重鉻酸鉀，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 Mt/C制備

稱取2 g酸化蒙脫石、6 g葡萄糖和0.39 g硫酸亞鐵銨，加入70 mL蒸餾水，攪拌2 h，將溶液轉移至反應釜中于180 ℃條件下反應24 h，抽濾，用水和無水乙醇將制備所得的復合材料洗滌至中性，過濾，干燥，即得Mt/C。

1.2.2 吸附實驗

采用單因素實驗分別考察Cr(Ⅵ)溶液初始濃度(5～100 mg/L)、pH值(2.0～8.3)及Mt/C用量(0.5～3 g/L)對Cr(Ⅵ)去除的影響。所有實驗均在常溫下進行，待反應完全后將反應物離心、過膜，采用比色法對溶液中Cr(Ⅵ)濃度進行測定。

2 結果與討論

2.1 Cr(Ⅵ)濃度對其去除率的影響

Cr(Ⅵ)的去除率隨著其初始濃度的變化曲線如圖1所示。

圖1 Cr(Ⅵ)濃度對其去除率的影響

從圖1可看出，隨著Cr(Ⅵ)濃度的增加，Mt/C對它的去除率逐漸降低，當濃度增大到45 mg/L時，Cr(Ⅵ)去除率從100%降低至20%。當Cr(Ⅵ)濃度較低時，Mt/C表面活性吸附位點較多，對Cr(Ⅵ)的吸附率較高，但隨著Cr(Ⅵ)溶液濃度的增大，Mt/C表面的吸附位點減少，不足吸附更多的Cr(Ⅵ)，導致隨著Cr(Ⅵ)濃度增大其去除率降低[10]。

2.2 pH值對其去除率的影響

Cr(Ⅵ)的去除率隨著溶液pH值的變化如圖2所示。

圖2 pH值對Cr(Ⅵ)去除的影響

2.3 Mt/C用量對Cr(Ⅵ)去除率的影響

Mt/C用量對Cr(Ⅵ)去除率的影響如圖3所示，Cr(Ⅵ)去除率隨著Mt/C用量的增加而增大，當Mt/C用量從0.5 g/L增加到3.0 g/L時，Cr(Ⅵ)的去除率從30%增加到100%。當Mt/C用量較低時，Mt/C表面的有效吸附位點不足以吸附完溶液中的Cr(Ⅵ)，導致吸附率較低，隨著Mt/C用量增加，有效活性吸附位點增多，Cr(Ⅵ)的去除率增大[12]。

圖3 Mt/C 用量對Cr(Ⅵ)去除率的影響

2.4 響應面實驗優化

2.4.1 實驗設計與結果

表1 實驗因素和水平

表2 響應面實驗設計結果

根據單因素實驗結果，選取pH(A)、Cr(Ⅵ)濃度(B)、Mt/C用量(C)為響應曲面法考察因子，以Cr(Ⅵ)去除率為響應值，通過響應面分析對反應條件進行優化。實驗設計見表1，結果見表2。

對數據進行多次回歸擬合，得到如下二次多項式回歸方程模型：

Y=635.03364-19.43915A-58.62447B-104.11983C+8.12083AB-11.06955AC+15.09417BC-25.10435A2+1.32120B2-6.61709C2-3.73250ABC+0.95545A2B+11.62588A2C-0.28032AB2

其中：Y為Cr(Ⅵ)的去除率，A、B、C分別為pH、Cr(Ⅵ)濃度以及Mt/C用量的編碼值，通過這個方程計算出Cr(Ⅵ)的去除率(預測值)見表2，方差分析結果見表3。

表3 模型的方差分析

模型中的影響因素的顯著性通過F值與P值來判斷，P值越小，F值越大，影響越顯著[2,13]。由表3可知，各因素對Cr(Ⅵ)去除影響顯著程度為B>A>C，AB和AC間交互作用對Cr(Ⅵ)的去除影響顯著。該模型的F值為777.28，模型顯著性P<0.0001，說明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，R2=0.9981，表明該模型可較真實反映響應值變化[14-15]。

2.4.2 響應面分析

利用軟件分析因素兩兩交互作用的影響，得到三維立體圖和平面等高線圖如圖4～圖6所示。

響應面的等高線直接反應出兩因素交互作用的強弱，等高線越接近橢圓，兩因素交互作用越顯著[16-17]。 圖4為pH值與Cr(Ⅵ)濃度交互作用對Mt/C吸附Cr(Ⅵ)的影響，可以看出其等高線圖接近橢圓，說明pH與Cr(Ⅵ)濃度的交互作用顯著。當Cr(Ⅵ)濃度不變，Cr(Ⅵ)的去除率隨著pH的升高而降低；而當溶液pH值不變，Cr(Ⅵ)去除率則隨著濃度的升高去除率降低。

圖5為溶液pH與Mt/C用量交互作用對Cr(Ⅵ)去除影響，在溶液pH值不變時，Cr(Ⅵ)的去除率隨著Mt/C用量的增加而增大；當Mt/C用量不變時，Cr(Ⅵ)的去除率隨著pH增大而減低，說明弱酸度環境不利于Mt/C對Cr(Ⅵ)的去除。

圖6為Cr(Ⅵ)濃度與Mt/C用量交互作用對Cr(Ⅵ)去除的影響，Cr(Ⅵ)濃度與Mt/C用量交互作用對Cr(Ⅵ)的去除影響不顯著，當Cr(Ⅵ)濃度恒定，隨著Mt/C用量的增加Cr(Ⅵ)的去除率增大；而當Mt/C用量不變時，Cr(Ⅵ)的去除率隨著其初始濃度的增大而減小。

2.5 模型驗證

通過對模型進行數學處理，得Mt/C去除Cr(Ⅵ)最佳條件為：pH值為3，Cr(Ⅵ)濃度為15 mg/L，Mt/C用量為1.6 g/L，在此條件下測得Cr(Ⅵ)去除率為98.57%，與模型預測值98.15%接近，進一步驗證了模型的可靠性。

3 結 論

采用水熱反應制備了Mt/C復合材料，通過響應曲面法對Mt/C去除Cr(Ⅵ)的影響因素進行了分析，Mt/C對Cr(Ⅵ)去除因素影響程度為：Cr(Ⅵ)濃度> pH值>Mt/C用量；Cr(Ⅵ)去除的最佳條件為：pH為3，Cr(Ⅵ)濃度為15 mg/L，Mt/C用量為1.6 g/L，實際去除率為98.57%，與預測值吸附率基本一致。