正交實驗去除地表水中鉈

陳 鑫

(株洲市水務投資集團有限公司， 湖南 株洲 412000)

正交實驗設計是使用正交表來安排多因素、多水平實驗，并采用統計學方法分析實驗結果的一種實驗設計方法[1]。它是從全面實驗中挑出具有代表性的水平進行組合實驗，對結果進行分析找出最優的水平組合。用正交表合理地安排實驗，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。

鉈(Thallium，Tl)是目前毒性及危害性最大的稀有元素之一[2]，鉈具有高毒性、蓄積性、神經毒性，因此帶來的潛在的、長期的環境影響很大，其生產、使用和處理都需要嚴格地管理和控制[3]。近年來涉鉈環境污染事件多發，2010 年廣東韶關北江、2013 年廣西賀江、2017 年四川嘉陵江、2018年湘贛兩省交界區域淥江河相繼發生涉鉈突發水污染事件或鉈濃度異常事件，對飲水安全等造成了一定影響[4]。

因此，要去除水中的低價態鉈，需要首先將其氧化為高價態的鉈，再通過混凝沉淀、過濾去除[5]。對被鉈污染的地表水，利用鉈被氧化被吸附的性質, 向水體中加入氧化劑、吸附劑,降低鉈的活動速率并使之沉淀，而從水中去除。

首先進行單因素實驗,在混凝實驗模擬常規工藝的基礎上，確定鉈去除的主要影響因素。單因素主要包括聚合氯化鋁(PAC)濃度、原水pH、活性炭濃度、高錳酸鉀濃度。在確定影響鉈去除因素的前提下，設計多因素實驗、多水平實驗，采用L9(34)正交實驗表，以鉈去除率為主要指標，結果經方差分析得出優化鉈去除的實驗條件。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

Agilent7800 ICP-MS，美國安捷倫公司；ZR4-6六聯混凝實驗攪拌器，深圳市中潤水工業技術發展有限公司；pH計和電子天平。

1.1.2 主要試劑

高錳酸鉀(分析純)；粉末活性炭；聚合氯化鋁PAC，水廠提供；氫氧化鈉(分析純)；鹽酸(優級純)；硝酸(優級純)；鉈標準儲備液，國家標物中心；鉈標準使用液(對鉈標準儲備液用體積分數為1%的HNO3稀釋)。

1.1.3 實驗水樣制備

實驗水樣是由株洲市某水廠的原水加鉈的標準儲備液制成，制備的地表水樣中鉈的濃度為0.36～0.41 μg/L，原水的相關指標見表1，水質長期滿足GB 3838-2002中Ⅲ類水的要求。原水的pH 的調節使用氫氧化鈉和鹽酸，根據需要在混凝攪拌前先調節好實驗水樣的 pH 值。

表1 原水水質指標Table 1 Raw water quality index

1.2 方 法

1.2.1 混凝實驗

(1)混凝實驗程序

混凝-沉淀-過濾，模擬水廠常規處理工藝。

表1 常規處理工藝Table 1 Conventional treatment process

(2)原水中加入混凝劑聚合氯化鋁PAC，濃度為20 mg/L,另行說明除外。放入相同的實驗杯中，至1000 mL刻度處，啟動混凝實驗攪拌器，程序參照(1)，沉淀時間到，取水樣過濾，測定。采用ICP-MS法測定濾后水中鉈濃度。

1.2.2 單因素實驗

在實驗1.2.1基礎上, 分別加入一個單因素變量，進行混凝實驗強化鉈的去除。單因素變量分別為：PAC濃度、調節原水pH、粉末活性炭濃度、高錳酸鉀濃度。如圖1所示，實驗結果以鉈去除率為主要指標。

圖1 混凝實驗程序Fig.1 Coagulation test procedure

1.2.3 正交實驗

通過單因素實驗找到鉈去除工藝的影響因素，將影響因素結合起來設計多因素實驗、多水平實驗，采用L9(34)正交實驗表，以鉈去除率為主要指標，結果經方差分析，優選這些因素的最佳水平。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果與討論

單因素實驗條件和結果如圖2所示，實驗結果以鉈的去除率為主要指標。從圖2a可以看出：在1.2.1混凝沉淀實驗基礎上，僅僅改變PAC濃度對鉈的去除效果不明顯。參照常規工藝，根據原水的濁度，確定PAC 的投加量為20 mg/L。在此基礎上，改變原水pH 8.0～9.0(圖2b)，投加活性炭10～50 mg/L(圖2c)，投加高錳酸鉀0.50～3.00 mg/L(圖2d)，利于鉈的去除，分別提高了10%～13%。

圖2 單因素實驗結果Fig.2 Single factor laboratory finding

2.2 正交實驗設計優化工藝

通過單因素考察確定影響原水中鉈去除的主要因素為原水pH、活性炭濃度、高錳酸鉀濃度，采用 L9(34)正交實驗表，以鉈去除率為主要指標，結果經方差分析，優選這些因素的最佳水平。正交實驗各因素水平安排見表2。

表2 因素水平表Table 2 Factors and levels

2.3 正交實驗結果

正交實驗安排及結果見表3，方差分析見表4。

表3 正交實驗結果Table 3 Orthogonal experiment results

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

由表3可知，以A1B3C3組合為鉈去除最佳條件，即活性炭濃度20 mg/L，高錳酸鉀濃度8 mg/L，pH 為9.0。此外，由表3中極差R值大小可知，B因素對極差的貢獻最大，C因素次之，A因素對極差的貢獻最小，影響鉈去除率的因素依次為B>C>A。

從表4方差分析的結果可以得出，A、B、C 3個因素中，B因素的P值PB<0.05，說明該因素顯著，是重要因素，C因素P值0.050.20，說明該因素不顯著。

2.4 最優條件驗證

根據優化的實驗條件，按照此工藝條件進行驗證實驗，分3批次進行，測定鉈的去除率。達到預期的效果，工藝穩定可行，且重復性良好。

表5 實驗驗證結果Table 5 Test verification results

3 結 論

本實驗主要研究了高錳酸鉀濃度、活性炭濃度、調節pH 對原水中鉈的去除的影響，實驗結果表明鉈去除最佳實驗條件為活性炭濃度20 mg/L，高錳酸鉀濃度8 mg/L，pH 為9.0。此條件下鉈的去除率達到73%。

方差分析得出，在鉈去除實驗中，高錳酸鉀濃度最關鍵，最顯著，其次是調節原水pH，然后是活性炭濃度。

高錳酸鉀是強氧化劑，氧化原水中的鉈，使之形成沉淀而從水中除去。

pH值增高有利于高錳酸鉀氧化速度加快和反應物的沉淀，考慮到國家《生活飲用水衛生標準》對pH 的規定，建議調節原水pH不高于9.0，才能保證工藝濾后水不高于8.5。

活性炭雖然對鉈的去除效果不顯著，但可以與過量高錳酸鉀反應，去除水中錳的含量。可以適量增加活性炭的投加量，保證濾后水中的錳含量小于0.2 mg/L,濾后水不會出現泛紅現象，降低出廠水的色度。