響應面分析法優化萃取分離冷軋磁過濾產物工藝

李強強，趙基鋼，陳維珉，叢梅，袁向前

(華東理工大學 綠色能源化工國際聯合研究中心，上海 200237)

冷軋鋼板因強度高、延展性好、耐腐蝕性強等特點而被應用于汽車和電器等領域[1]。冷軋生產過程中不可避免會產生冷軋磁過濾產物，其組成主要是廢冷軋油、鐵粉[2-5]，已被列入《國家危險廢物目錄》[6]。目前針對磁過濾產物的研究較少，主要集中在離心[7]、堿洗[8]、真空蒸餾等[9-11]方向。但在處理過程中存在二次污染、能耗大等問題，亟需高效、環保的處理方法。

由前期的研究可知，萃取法不僅能夠有效的分離磁過濾產物，而且不產生其他的污染物[12]。本文基于優選的萃取劑1,2-二氯乙烷，運用響應面分析法優化萃取分離工藝[13-18]，用于指導實驗，探尋高效、環保的處理方法。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

冷軋磁過濾產物,來自于某鋼鐵企業,固相和液相的質量分數約為30%和70%,外觀粘稠，且流動性差，類似半固態泥漿；1,2-二氯乙烷，分析純。

DHG-9145A型鼓風干燥箱;60W 型JJ-1精密增力電動攪拌器;RE52CS型旋轉蒸發儀；SHZ-D(Ⅲ)型循環水式多用真空泵；Malvern 3000E型粒度分析儀；6700型傅里葉紅外變換光譜儀。

1.2 實驗方法

將冷軋磁過濾產物、1,2-二氯乙烷和500 mL三口圓底燒瓶分別加熱到設定的萃取溫度70 ℃。在圓底燒瓶中按照劑油比5∶1加入冷軋磁過濾產物和1,2-二氯乙烷，其中劑油比為1,2-二氯乙烷與冷軋磁過濾產物中的冷軋油的質量比，冷軋油的質量含量按照70%計算。機械攪拌，使之混合均勻，并通過電加熱保持恒溫70 ℃，萃取30 min。趁熱通過磁力分離鐵粉和萃取液。

采用旋轉蒸發儀對萃取液進行分離。在 0.098 MPa 的真空度和50 ℃條件下，回收萃取液中的萃取劑，同時得到回收冷軋油，稱重，計算冷軋油的回收率α。將鐵粉在110 ℃下進行烘干，得到干燥的回收鐵粉。

式中W1——冷軋磁過濾產物的質量，g；

2 結果與討論

2.1 響應面實驗設計與結果

以冷軋油的回收率α為響應值，采用響應面分析法中的Box-Behnken實驗設計方法，依據中心組合設計原理和萃取原理，選取了劑油比(X1)、萃取溫度(X2)、萃取時間(X3)3個主要的影響因素，設計了3因素3水平的響應面分析方案?；陬A實驗的結果，實驗設計的因素和水平見表1。

表1 響應面分析法實驗設計的因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology

3因素3水平的實驗設計共有17個實驗點，每個實驗點進行3次實驗，取平均值，結果見表2。

表2 響應面分析法實驗結果Table 2 Experimental results in responsesurface methodology

表3 回歸模型方差分析和顯著性檢驗Table 3 Variance analysis and significancetest of regression model

由表3中F值、P值可知，因素X1、X2、X3對α值的影響均顯著，對冷軋油回收率的影響從大到小依次是：劑油比(X1)、萃取溫度(X2)、萃取時間(X3)。通過二次回歸模型方程模擬實驗，模型預測值與實際值的對比見圖1。

圖1 冷軋油回收率預測值與實驗值對比Fig.1 Contrast between the model predictions andmeasurement data

由圖1可知，少部分數據點在過原點斜率為1的直線上，其余點基本對稱分布在直線兩邊且偏離較??；R2為0.990 48，表明二次多項式模型與實驗結果吻合良好，可用于預測實驗結果和萃取工藝的優化。

2.2 各因素的響應面分析

根據二次回歸模型方程，通過Design-Expert繪制冷軋油回收率在兩種因素下的等高線圖和響應面圖，見圖2～圖4。

調節丁香酚微乳及海藻酸鈉修飾丁香酚微乳pH至3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，再分別用相同pH的緩沖液將其稀釋100倍，測定乳液粒徑分布。不同pH處理的丁香酚微乳及海藻酸鈉修飾丁香酚微乳，靜置0.5 h后拍照。

由圖2可知，萃取時間為20 min時，劑油比軸上的等高線比溫度軸上的密集且陡峭，表明相對于萃取溫度，劑油比對冷軋油回收率的影響更顯著。

圖2 劑油比和萃取溫度的交互作用對冷軋油回收率的影響Fig.2 The influences of recovery rate of cold rolling oil from the interactions between thesolvent to oil ratio and extraction temperature

圖3 劑油比和萃取時間的交互作用對冷軋油回收率的影響Fig.3 The influences of recovery rate of cold rolling oil from the interactionsbetween the solvent to oil ratio and extraction time

對比圖2，圖3中曲線的陡峭和密集程度比圖2要弱，說明劑油比和時間的交互作用沒有劑油比和萃取溫度的交互作用強。由圖3可知，劑油比的影響要高于萃取時間，表明劑油比是影響冷軋油回收率的首要因素。

圖4 萃取溫度和萃取時間的交互作用對冷軋油回收率的影響Fig.4 The influences of recovery rate of cold rolling oil from the interactions between extraction temperature and extraction time

圖4的等高線曲線較圖2和圖3平緩，說明萃取溫度和萃取時間對冷軋油回收率的交互作用最弱。由圖4曲面的陡峭程度可以看出，萃取溫度的影響高于萃取時間。

綜上可知，3個因素對冷軋油回收率的影響從大到小依次為：劑油比(X1)、萃取溫度(X2)、萃取時間(X3)。等高線和響應面圖的分析結果與方差分析的結果相一致。

2.3 萃取分離優化工藝參數的確定及驗證

由實驗結果可知，冷軋磁過濾產物中的冷軋油并不能完全回收，有部分冷軋油殘留在回收鐵粉的表面。以冷軋油的回收率為指標，并設定其值為75%，用響應面分析軟件優化求解得最優條件為X1=0.042，X2=0.816，X3=0.741，即冷軋油的回收率為75%條件下的理論最優萃取條件為劑油比為 5.084∶1，萃取溫度67.24 ℃，萃取時間為27.41 min。

為了檢驗模型預測的準確性并結合實際實驗條件，將響應面分析法優化所得的條件修正為：劑油比為5∶1，萃取溫度為67.0 ℃，時間為28.0 min，(X1=0 、X2=0.8、X3=0.8)。在此條件下重復3次平行實驗，回收率分別為73.71%，75.12%和74.63%，平均回收率為74.52%，與該條件下的理論預測值74.22%相比，誤差為0.30%。實驗結果表明，該二次回歸模型能很好地預測實際萃取分離冷軋磁過濾產物過程中冷軋油回收率的變化情況。

2.4 萃取分離固液相產物的基本性質

2.4.1 回收冷軋油的基本性質 通過對回收冷軋油的組成和主要性能指標進行分析，考察回用的可行性?；厥绽滠堄秃托迈r冷軋油的紅外光譜圖見圖5。

圖5 回收油和新鮮油的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of recovered oil and fresh oil

由圖5可知，新鮮冷軋油和回收冷軋油的紅外光譜，出峰位置基本相同，說明回收冷軋油的組成幾乎沒有發生變化?；厥绽滠堄驮? 520～1 540 cm-1產生新的峰，推測是因為含氮基團發生氧化，產生硝基 —NO2所致。

回收冷軋油、新鮮冷軋油和現場乳化液的主要指標檢測結果見表4。

表4 回收油的主要指標Table 4 The main indicators of recovery of oil

由表4可知，回收冷軋油的皂化值、酸值、粘度、離水展著性和pH等主要指標與新鮮冷軋油的相比，相差較小。其中，皂化值下降的原因主要是生產中機械液壓油泄漏混入冷軋油，冷軋油內的酯類和有機酸類物質消耗所致；酸值下降的原因在于脂肪酸類物質與鐵發生反應生成鐵皂；粘度略有上升歸因于冷軋油在使用過程中發生化學反應，鐵皂生成和冷軋油部分成分聚合?？傮w來說，回收油的指標變化較小，有回用的可行性。

2.4.2 回收鐵粉的基本性質 回收鐵粉的組成XRF分析，結果見表5。

表5 回收鐵粉的組成Table 5 The composition of recycling iron powder

由表5可知，回收鐵粉中的主要金屬元素為鐵，以氧化物計含量高達98.31%。由于回收鐵粉是不銹鋼合金鋼板上摩擦下來的鐵屑，因此成分組成比較復雜，含有少量的其他金屬。

采用激光粒度儀對回收鐵粉的顆粒度大小進行測定，結果見圖6。

圖6 回收鐵粉的粒徑譜圖Fig.6 Particle size spectrum of recovered iron powder

鐵粉的粒徑呈正態分布，尺寸介于0.6～16 μm，其中粒徑在10 μm以下的鐵粉占90%以上，最大頻率尺寸4.01 μm，粒徑較小，屬于極細粉。因此，若能開發出合適的方法對該鐵粉加以使用，在廢物資源化利用的同時，具有潛在的經濟效益。

3 結論

(1)以1,2-二氯乙烷萃取分離冷軋磁過濾產物，冷軋油回收率的影響因素從大到小依次是劑油比、溫度、萃取時間。

(2)以75%的冷軋油回收率是為目標，在優化條件：劑油比5∶1，萃取溫度67.0 ℃，萃取時間 28.0 min，冷軋油平均回收率為74.52%，誤差小，模型效果良好。

(3)萃取分離得到回收冷軋油和回收鐵粉，回收冷軋油的組成和主要指標沒有大的變化，有回用的可能；回收鐵粉粒徑在10 μm以下的占90%以上，用途廣泛。