納米TiO2光催化處理模擬苯胺廢水的響應面優(yōu)化試驗

呂雷 朱米家 李輝 司小明 魏彥林

摘要[目的]探討納米TiO2光催化處理模擬苯胺廢水的最佳反應條件。[方法]采用納米TiO2光催化降解模擬苯胺廢水，以TiO2投加量、廢水初始pH、光催化反應時間作為影響因素，采用BoxBehnken設計3因素3水平試驗，通過響應面預測回歸方程模型。[結(jié)果]回歸模型線性度高，R2達到0.990 5，理論值與實際值差異小，證明了預測模型的可靠性。模擬苯胺廢水降解的最優(yōu)條件為：納米TiO2投加量為100 mg/L，初始pH為8.0，光催化反應時間為60 min，此時苯胺去除率高達97.8%。[結(jié)論]該研究為苯胺廢水的處理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞納米TiO2；光催化降解；苯胺廢水； 響應面

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00209-03

作者簡介呂雷（1986- ），男，湖北隨州人，助理工程師，碩士，從事水處理研究，Email：lvguolei925@163.com。

收稿日期20131126苯胺是一種簡單的芳香胺，也是芳香族化合物的最典型代表，其分子式是C6H7N，又名氨基苯、阿尼林，是橡膠、醫(yī)藥、石油加工、塑料制造等化工行業(yè)中被廣泛采用的一種重要原料和精細化工中間體。苯胺類化合物在環(huán)境中可生物降解性差，毒性大，對環(huán)境的危害較大[1-4]。對于苯胺廢水，目前的處理方法主要有化學法、生物法、膜分離法、超聲波降解法、光催化降解法、吸附法[5-9]等。其中，光催化降解法[10-13]因其高效、快捷的優(yōu)點得到研究人員的廣泛關(guān)注，并應用于苯胺廢水的處理中。 二氧化鈦是一種電子導電型半導體氧化物，兼有催化活性強、穩(wěn)定性好、價格低廉、使用安全等特點，利用納米二氧化鈦進行光催化氧化處理，可將有機物徹底氧化為二氧化碳和水等無毒產(chǎn)物[14-15]。響應面分析法是一種優(yōu)化試驗條件、分析試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析方法，已在應用化學、環(huán)境科學、食品科學和生物技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛地應用[16]。筆者通過對納米二氧化鈦的投加量、初始pH、反應時間這3個因素進行響應面優(yōu)化分析，確定最優(yōu)的納米TiO2光催化降解模擬苯胺廢水的反應條件。

1材料與方法

1.1主要試劑與儀器試劑包括苯胺、P25型納米二氧化鈦、氫氧化鈉、硫酸、N（1萘基）乙二胺鹽酸鹽等。儀器包括UV1800紫外可見分光光度計、752型分光光度計、265 nm 紫外燈、CA3型靜音無油空氣泵、PHS3C型精密pH計等。

1.2試驗對象采用蒸餾水稀釋配置的10 mg/L模擬苯胺廢水，根據(jù)試驗要求，通過滴加氫氧化鈉和硫酸溶液調(diào)節(jié)模擬廢水的初始pH。

1.3光催化反應機理納米二氧化鈦催化包括激發(fā)和氧化還原兩步，即在光照條件下發(fā)生光催化反應產(chǎn)生氫氧自由基和釋放負離子[14]，氫氧自由基的強氧化性能有效地分解有機物，達到凈化水質(zhì)的目的。光催化反應機理如下所示：

1.4苯胺去除率的檢測參照《水質(zhì)苯胺類化合物的測定：N（1萘基）乙二胺偶氮分光光度法》（GB1188989），進行苯胺濃度的檢測。苯胺去除率=（C0-C）/C0×100%，式中，C0為處理前水中的苯胺濃度，C為處理后水中的苯胺濃度。

1.5響應面優(yōu)化試驗設計BoxBehnken Design （BBD）箱線設計是響應面法中較常用的優(yōu)化工藝條件的方法，可用于優(yōu)化試驗參數(shù)以及因素之間的交互作用對響應值的影響，在此基礎上建立回歸模型所需要的數(shù)據(jù)。單因素試驗反映了納米二氧化鈦投加量為60～100 mg/L，初始pH為6～8，反應時間為40～60 min時，苯胺去除率較高。在此基礎上，設計3因素3水平的試驗（表1）。

2結(jié)果與分析

2.1響應面優(yōu)化試驗結(jié)果分析根據(jù)3因素3水平的BoxBehnken設計，中心點（0，0，0）重復3次所得響應值差別不大（表2）。不同水平條件下，苯胺去除率的實際值與理論值差別也不大，說明該模型能夠很好地反映光催化反應處理苯胺廢水的優(yōu)化試驗。

2.2ANOVA分析及二次回歸擬合對模型的各項進行顯著性檢測，響應值與各因素之間的線性關(guān)系顯著（圖1），該模型的回歸顯著（P<0.000 1）（表3）。模型R2=0.990 5，RAdj2=0.985 2，RPred2=0.964 3，說明該模型與試驗擬合良好，該模型的準確度高，用該模型進行分析和預測是合理的。由F檢驗得到的影響因素的貢獻率表現(xiàn)為：X1>X3>X2，即納米TiO2投加量>反應時間>初始pH。對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到苯胺去除率（Y）對自變量X1（納米TiO2投加量）、X2（初始pH）、X3（光催化反應時間）的二次多項式回歸方程模型：Y=90.87+4.25X1+0.25X2+3.18X3-1.57X2X3-3.40X22。

3結(jié)論

（1）根據(jù)單因素試驗確定響應面優(yōu)化的試驗條件為：納米二氧化鈦投加量為60～100 mg/L，初始 pH為6～8，反應時間為40～60 min。

（2）響應面模型分析表明，3種影響因素的貢獻率表現(xiàn)為：納米TiO2投加量>反應時間>初始pH。

（3）根據(jù)苯胺廢水去除的模型二次方程所得的苯胺去除率預測值與試驗值接近，線性度較高，R2高達0.990 5。通過響應面優(yōu)化試驗得到苯胺廢水降解的最佳試驗條件：TiO2投加量為100 mg/L，廢水初始pH為8.0，反應時間為60 min，驗證得到的苯胺去除率為97.8%，與預測值98.3%十分接近，進一步證明了該模型預測的可靠性。由此說明回歸模型能夠較真實地反映各個因素的影響，與實際情況較吻合。

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