響應(yīng)曲面法優(yōu)化多電極介質(zhì)阻擋放電等離子體處理印染廢水

蔣香玉，王紅濤，樊子文

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

近年來，隨著染料和紡織行業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的印染廢水，其具有成分復雜、有機物含量高、毒性大、難生物降解的特點[1-3]。低溫等離子體水處理技術(shù)作為一種高級氧化技術(shù)[4-6]，因氧化過程無選擇性、 氧化性強等特點受到廣泛關(guān)注[7-8]。

本文利用自制多電極介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器對甲基橙溶液進行脫色處理，考察甲基橙溶液的初始濃度、放電時間、通氣速率及電源輸出電壓等參數(shù)對降解效果的影響，通過回歸模型的建立及顯著性檢驗[9],得到多電極介質(zhì)阻擋放電中試反應(yīng)器處理甲基橙溶液的最佳參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

甲基橙，分析純。

CTP-2000K等離子電源；AL-104分析天平；2000型可見分光光度計；LZB-10玻璃轉(zhuǎn)子流量計；PC-07數(shù)字調(diào)制器。

1.2 實驗方法

本實驗采用多電極介質(zhì)阻擋放電等離子體處理裝置見圖1、圖2。反應(yīng)裝置容積為15 L，總高60 cm，長寬均為25 cm；三根直徑φ14 mm螺絲不銹鋼棒作為高壓電極，置于石英璃管(外徑2.5 cm，內(nèi)徑2.0 cm，管壁厚0.25 cm)內(nèi)，反應(yīng)裝置內(nèi)液體作為低壓電極，氣體通過裝置頂部的進氣管進入石英玻璃管進行電離后，攜帶電離過程產(chǎn)生的臭氧等活性粒子通過底部曝氣裝置分散于有機溶液內(nèi)部，活性粒子與有機污染分子接觸反應(yīng)，更有利于有機物的降解[10]。

圖1 低溫等離子體發(fā)生器示意圖及實物圖片F(xiàn)ig.1 Schematic and physical picture of low temperature plasma generator

圖2 電極部分示意圖及實物圖Fig.2 Electrode section diagram and physical diagram

1.3 甲基橙溶液濃度測定

甲基橙的最大吸收波長為465 nm[1]。配制一定濃度的甲基橙溶液,制作甲基橙溶度的標準曲線，見圖3。

圖3 甲基橙溶液標準曲線圖Fig.3 Standard curve of methyl orange solution

由圖3可知，濃度在0～20 mg/L 的范圍內(nèi)甲基橙的濃度和吸光度滿足朗伯比爾定律。故當測量甲基橙的濃度時，需要將其稀釋到 20 mg/L以下，以便測量的甲基溶液的吸光度與濃度成線性關(guān)系。

甲基橙降解率η=[(A0-A)/A0]×100%

式中,A0為溶液初始吸光度；A為處理后溶液吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實驗結(jié)果

以甲基橙初始濃度、反應(yīng)時間、通氣速率和電源輸出電壓為主要考察因素，采用Box-Behnken實驗原理設(shè)計了4因素3水平的響應(yīng)面實驗，因素水平及實驗結(jié)果分別見表1、表2。

表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Response surface factor level table

對表2響應(yīng)曲面實驗結(jié)果利用Design Expert軟件，進行多元回歸擬合，得到甲基橙溶液降解率的二次多項回歸方程：Y=55.08+3.83A-19.04B+14.14C+1.15D+2.20AB-0.30AC+0.15AD-4.35BC+0.18BD-0.025CD-5.04A2-4.05B2+0.30C2-4.46D2，回歸方程系數(shù)顯著性檢驗及方差分析見表3。

表2 響應(yīng)曲面實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of response surface

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗及方差分析Table 3 Significance test and variance analysis of regression equation coefficients

2.2 響應(yīng)曲面分析

取其中任意兩個因素及其交互作用，固定其他因素保持不變，得到響應(yīng)曲面圖見圖4。

圖4 甲基橙初始濃度、放電電壓、放電時間、 通氣速率交互影響甲基橙降解率模擬曲面圖Fig.4 Methyl orange initial concentration,discharge voltage,discharge time,and aeration rate interactively affect the degradation rate of methyl orange

由圖4可知，甲基橙溶液初始濃度、放電電壓、通氣速率和放電時間都在該反應(yīng)體系中對等離子體降解甲基橙有一定影響。3D響應(yīng)面圖中，響應(yīng)面越陡,表明因素影響越大[11]。由圖4可知，初始濃度和放電時間對甲基橙降解率的影響最大。隨著放電時間的增加和初始濃度的減少，甲基橙溶液降解率均有顯著提高。介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器放電參數(shù)確定后，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的活性物質(zhì)的量是相對穩(wěn)定的，隨著反應(yīng)時間的延長，參與反應(yīng)的活性物質(zhì)變多，甲基橙的降解率也隨之提高。單位時間內(nèi)溶液中的有機物與活性物質(zhì)的反應(yīng)量是一定的，所以當溶液初始濃度增加時，故呈現(xiàn)出降解率變低的現(xiàn)象，但隨著時間的推移，最終都能達到較高的脫色效果。

放電電壓及通氣速率的增加對甲基橙的降解效率則呈現(xiàn)出先增加后減少的規(guī)律。介質(zhì)阻擋放電的強度由于電壓的升高而增加，產(chǎn)生活性物質(zhì)效率也增加，甲基橙的降解效率隨電壓升高而增大；隨著電壓的繼續(xù)升高，介質(zhì)阻擋放電的熱效應(yīng)也越來越明顯，溶液溫度升高，導致放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)中起主要脫色作用的臭氧溶解度降低及臭氧分解，從而導致甲基橙降解率的降低[12-14]。甲基橙的降解效果隨通氣量的增加先增大后減少,原因是通氣速率較小時，放電空間中的O2較少，導致產(chǎn)生少量O3，同時較低的通氣速率，對溶液攪拌效果差,導致O3利用率低。當通氣速率過快時，導致介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的O3不能充分和有機分子接觸而逸出，O3等活性物質(zhì)的效率也會變低。

基于交互效應(yīng)分析可知，同時增加反應(yīng)時間、降低甲基橙初始濃度，降解率提升效果最顯著，而放電電壓及通氣速率有最佳的中間值。

2.3 參數(shù)優(yōu)化與對比實驗

通過響應(yīng)曲面優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)為放電電壓91.37 V，初始濃度為50 mg/L，放電時間為20 min，通氣速率為14.20 L/min，預(yù)測甲基橙降解率最大值為88.99%。為驗證預(yù)測結(jié)果，在最優(yōu)實驗條件下進行3組測定，甲基橙降解率，見表4。

表4 最優(yōu)參數(shù)下實驗值與預(yù)測值的比較Table 4 Comparison of experimental and predicted values under optimal parameters

由表4可知，利用模擬得到的甲基橙溶液降解率的預(yù)測值與實際值十分接近，誤差僅為 0.51%。

3 結(jié)論

(1)多電極介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器對甲基橙的最佳降解條件如下:放電電壓91.37 V，初始濃度為50 mg/L，放電時間為20 min，通氣速率為14.20 L/min。 在此條件下，甲基橙的降解率為89.5%，與預(yù)測值高度吻合，實驗值和預(yù)測值僅相差 0.51%，因此，可以使用該模型來分析及預(yù)測多電極介質(zhì)阻擋放電中試反應(yīng)器在此條件下對甲基橙的降解率。

(2)因素的顯著關(guān)系為初始濃度>反應(yīng)時間>放電電壓>通氣速率。