基于响应面法优化活性炭处理含镉废水工艺
目前，含镉废水的处理方法有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、电解法和膜分离法等，这些处理方法均存在不同程度的缺点，如化学沉淀法易造成水体二次污染，离子交换法成本高，电解法能源消耗大，膜分离法易造成膜污染堵塞等。
活性炭吸附法处理含镉废水操作工艺简便、吸附剂可再生，因此成为废水处理方面极具应用价值的方法。为进一步提高该方法的处理效率，以废水中镉的去除率作主要指标，在单因素实验的基础上，采用响应面分析法对废水中镉的的去除工艺进行优化，以期为镉污染废水的处理工作提供理论参考依据。
1、材料与方法
1．1 材料与试剂
供试材料：取自广西南丹某工厂车间废水。经测定可知供试废水中的pH值6.75，镉的浓度为25.1mg/L。
活性炭。高氯酸、过氧化氢、盐酸等。Cd标准储备液(购自环境保护部标准样品研究所)。
1．2 仪器与设备
pinAAde900T原子吸收分光光度计；Mars6微波消解仪；ZD－85型恒温振荡器等。
1．3 实验方法
1．3．1 活性炭处理废水的方法
量取100mL含镉废水到锥形瓶中，加入一定量活性炭，放入恒温振荡器中振荡，一定时间后取出。对滤液进行微波消解后测定其中镉离子浓度。
1．3．2 废水中镉的测定方法
废水中镉浓度的测定方法参考国标(GB/T7475－87)《水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法》进行。
1．3．3 单因素实验
(1)分别量取100mL取自广西南丹某工厂车间的含镉废水(25.1mg/L)于5个锥形瓶中，分别加入0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g活性炭，于30℃恒温振荡器中振荡1h，对滤液进行微波消解后测定其中镉离子浓度，由此确定活性炭最佳加入量。
(2)分别量取100mL含镉废水(25.1mg/L)于5个锥形瓶中，加入1.5g活性炭，分别于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃条件下振荡1h，对滤液进行微波消解后测定其中镉离子浓度，由此确定最佳处理温度。
(3)分别量取100mL含镉废水(25.1mg/L)于5个锥形瓶中，加入1.5g活性炭，于30℃恒温条件下分别振荡0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h，对滤液进行微波消解后测定其中镉离子浓度，由此确定最佳处理时间。
1．3．4 优化实验设计
在单因素实验的基础上，根据Box－Behnken中心组合实验设计原理，选取活性炭用量、处理温度、处理时间这三个对废水中镉去除率较为显著的三个因素，采用三因素三水平的响应面分析方法优化处理工艺。实验设计如表1所示。
2、结果与分析
2．1 单因素实验结果
2．1．1 活性炭用量对去除率的影响
由图1可知，随着活性炭用量的增加，废水中镉的去除率也随之增加，当活性炭投放量为1.5g时，镉的去除效率较高，之后随着活性炭用量的继续增大，废水中镉的去除率变化不明显。这是因为随着活性炭用量的增加，活性炭总的表面积增大，而废水中镉的浓度是一定的，且受到水体中各种其他条件的影响，在废水中镉的吸附达到一定量时，继续增加活性炭的投放，镉的去除率变化不大。考虑到实际工程中的成本开销与工程量，因此选用活性炭投放量为1.5g为最适用量。
2．1．2 温度对去除率的影响
由图2可知，随着温度的持续增加，废水中镉的去除率有所下降，这是因为活性炭对金属离子的吸附行为属于放热过程，温度不断升高将不利于吸附的进行，考虑到夏季室温容易实现，因此选择30℃为较适温度。
2．1．3 时间对去除率的影响
由图3可知，随时间的增加，废水中镉的去除率也随之增加，当时间为1.5h时，废水中镉的去除率达到最大，继续增加时间对去除率的影响不大，这是因为活性炭的吸附已经达到平衡，继续增加处理时间对镉的去除率影响不大，从操作简便方面考虑，因此选择1.5h为最适时间。
2．2 响应面法实验设计与结果分析
2．2．1 优化实验设计及结果
以去除率为响应值(Y)，响应面实验设计与实验结果见表2。应用DesignExpert软件，对表2中的数据进行多元回归拟合，可得废水中镉的去除率对活性炭用量、温度和时间的二次多项回归方程为：Y=97.41+2.00A－1.56B+1.26C－1.81AB－0.46AC+1.70BC－7.12A2－5.35B2－4.11C2。式中，A为活性炭用量，g；B为温度，℃；C为时间，h。
对回归方程进行方差分析和显著性检验，见表3废水中镉的去除率回归分析结果。P值的大小表明模型及各考察因素的显著水平，P值小于0.05，表明模型或各因素有显著影响；P值小于0.001，表明模型或各因素极度显著。由表3可知：以废水中镉的去除率为响应值时，模型P＜0.0001，表明该二次方程模型极度显著，同时失拟项P=0.7907＞0.1000，表明正交实验结果和数学模型拟合良好。各因素中一次项A、B、C及交互项AB、BC为显著，AC交互项不显著，方程二次项A2、B2、C2为极度显著。在所选因素水平范围内，对废水中镉去除率的影响顺序为A＞B＞C。
2．2．2 响应面曲面分析
根据响应面回归分析结果，绘制相应的三维图和等高线图(见图4～图6)，以确定最佳参数及各个参数间的交互作用。图4显示了活性炭用量和温度对镉去除率的交互作用，由图4三维图可知，当温度为30℃时，废水中镉的去除率随着活性炭用量的增大不断上升后又趋于平缓。由图4等高线图可知，等高线椭圆形则表示活性炭用量和温度交互作用显著；图5显示了活性炭用量和时间对镉去除率的交互作用，图5三维图显示当温度为30℃时，废水中镉的去除率随着活性炭用量的增大不断上升后又趋于平缓。由图5等高线图可知，等高线呈圆形则表示活性炭用量和时间交互作用不显著。图6显示了温度和时间对镉去除率的交互作用，图6三维图显示当时间确定时，废水中镉的去除率随着温度的升高呈下降趋势。由图5等高线图可知，等高线呈椭圆形则表示活性炭用量和时间交互作用显著。这与表3中的方差分析结果相符合。
2．2．3 最佳条件的预测及验证
通过回归模型的预测，得到废水中镉的最佳去除工艺条件为：当废水中镉的初始浓度为25.1mg/L时，活性炭用量为1.58g/100mL，温度为28.09℃，时间为1.53h，在此条件下镉的预测去除率为98.10%。在此最佳条件下进行3次平行验证实验，三次测得镉的去除率平均值为97.55%，与预测值98.10%的相对误差为0.28%。实验测定值和理论值的相对误差小于5%，证明此实验设计是可靠的。
3、结论
单因素实验结果表明：镉的去除率会随着活性炭用量的增加、时间的延长有所增加，随着温度的升高镉的去除率有所下降；在单因素实验的基础上，采用响应面法对有效态砷去除工艺进行优化研究，确定最佳工艺条件是：当废水中镉的初始浓度为25.1mg/L时，活性炭用量为1.58g/100mL，温度为28.09℃，时间为1.53h，在此条件下废水中镉的去除率可达到97.55%。（来源：广西壮族自治区环境监测中心站）