槐木活性炭吸附Pb2+工藝的響應面法優化

張洪菲，高麗娟，楊廣，陳保江，王榮

槐木活性炭吸附Pb2+工藝的響應面法優化

張洪菲，高麗娟，楊廣，陳保江，王榮

（遼寧科技大學 化工學院，遼寧 鞍山 114051）

低成本高效活性炭吸附劑在廢水處理中起著至關重要的作用?？稍偕臉渲κ侵苽涓咝絼┑摹傲恪背杀驹?。以刺槐樹枝為原料，采用水蒸氣活化法制備槐樹活性炭。為最大化提高活性炭的利用率，以吸附量為指標，采用響應面法優化槐木活性炭吸附Pb2+工藝。結果表明：3 cm×8 cm左右槐樹枝段，在110 ℃下干燥3天后在600 ℃恒溫炭化60 min的槐木炭，再在650 ℃下恒溫活化80 min，水蒸氣流量為30 g·h-1，制得槐木活性炭。其對Pb(NO3)2吸附的最佳工藝：吸附溫度29.8 ℃、吸附時間64.1 min和料液比1.1 mL·g-1。該條件下吸附量預測值為137.9 mg·g-1，3個因素的顯著性由大到小依次為：料液比、吸附溫度、吸附時間。驗證性實驗表明：吸附量平均值為135.0 mg·g-1，與預測值的相對誤差為2.10%，實驗值與模型預測值擬合性良好。

槐木活性炭； 水蒸氣活化； Pb2+吸附； 響應面法優化

優質的水源對人類的健康和環境安全有非常重要的作用，現階段許多的淡水資源都受到了污染[1]。有研究表明，造成水污染的其中一個原因就是含重金屬離子廢水的產生量日趨增多[2]。礦山、電鍍、電子、醫院、垃圾焚燒發電等行業是重金屬離子廢水的主要來源[3]。大量含重金屬離子廢水排放，既造成水體和土壤的生態污染，又能通過食物鏈的富集影響動植物的健康[4]。因此，國家對含重金屬廢水的排放要求也越來越嚴格。目前，廢水中重金屬離子的去除方法主要有電化學法、氧化還原法、吸附法[3,5]和超濾處理法[2]。其中吸附法是最直接有效的方法之一，因其具有工藝簡單、吸附劑可再生等優點受到青睞，開發廉價高效可再生的吸附劑是研究重點[5]。在吸附材料中，生物炭以其比表面積大、孔徑分布多、吸附效率高、吸附量大、回收方便、經濟可行等優點成為近年來研究熱點[6]。木質活性炭一般是木材在限氧或無氧條件下熱解、活化得到的活性炭[7]，其生產原料品種較多，主要以木材、竹子、果殼等為原材料[8]，木質活性炭在印刷廠、污水處理廠等地方運用，對污水進行精處理，以低于總鉛排放標準1 mg·L-1[8-9]。魯秀國等采用改性核桃殼生物炭對模擬水樣中 Pb2+的吸附性能進行研究，吸附量14.23 mg·g-1，吸附率99.58%[10]。本文利用東北地區的優勢樹種槐木來制作活性炭，它具有生長快速、耐干旱、耐貧瘠的特點[11]，采用槐木活性炭良好的吸附性來處理廢水中的Pb2+，具有經濟價值也有社會意義。為了提高活性炭的吸附性能，本實驗采用響應面法[12]設計優化槐木活性炭對Pb2+的吸附工藝。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

刺槐樹枝干，采自遼科大；干燥箱，101-1，廈門宇電；，管式爐/活化爐，Gsl-1400x，合肥科晶；硝酸鉛；超級恒溫水浴鍋，CS501，上海錦屏儀表有限公司；紫外分光光度計，752，上海菁華有限公司；電子天平，FA20048，上海佑科儀器有限公司。

1.2 活性炭制備

將直徑3 cm左右槐木樹枝，截取8 cm長小段在110 ℃烘干箱干燥3天。干燥的樹枝段置于炭化爐中，N2保護，以5 ℃·min-1的升溫速由室溫升到500 ℃，在500 ℃下恒溫炭化60 min，得槐木炭。將槐木炭研磨過100目（0.15 mm）篩，稱取2.00 g放于磁舟中，置于活化爐中，N2保護，以5 ℃·min-1的升溫速由室溫升到650 ℃，在650 ℃下通入水蒸氣，流量為30 g·h-1，恒溫活化80 min，自然降溫至室溫得槐木活性炭。

1.3 活性炭吸附Pb2+

稱取0.100 g的活性炭置于錐形瓶中，向錐形瓶中加入一定體積（0）的10.0 mg·mL-1的Pb(NO3)2溶液，用去離子水補齊到20 mL，攪拌均勻，在一定溫度下靜置吸附一定時間，過濾，記錄濾液體積（1）。取濾液0.5 mL于10 mL容量瓶中，加入去離子水定容搖勻，在230 nm波長下測吸光度。參照工作曲線計算濾液濃度，用方程式（1）計算吸附量[11]。

1.4 鉛離子工作曲線的繪制

1）配制10 mg·mL-1的 Pb(NO3)2標準溶液。分析天平秤取2.500 0 g Pb(NO3)2（AR）固體，加入適量去離子水使硝酸鉛固體完全溶解，將完全溶解的Pb2+溶液轉移至250 mL容量瓶中，用去離子水沖洗燒杯內壁2～3次，再加入離子水將硝酸鉛溶液定容至容量瓶標準刻度線處。

2）移取適量體積的10 mg·mL-1的 Pb(NO3)2標準溶液，放入10 mL容量瓶中，配制成0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mg·mL-1的 Pb(NO3)2標準溶液，在230 nm波長下測定標準溶液的吸光度。擬合吸光度和標準液質量濃度，得Pb(NO3)2為標準溶液的工作曲線方程，見圖1。

圖1 Pb(NO3)2標準工作曲線

由圖1可見，在Pb(NO3)2質量濃度范圍為0.05～0.25 mg·mL-1內，與線性關系良好，擬合方程為=4.13+0.135，2=0.999 7。

2 結果與討論

2.1 影響吸附量的因素及水平的確定

稱取0.100 g的活性炭置于錐形瓶中，向錐形瓶中加入20 mL一定質量濃度（0）的Pb(NO3)2溶液，攪拌均勻，在設置的溫度下靜置吸附設置的時間，考察吸附質與吸附劑的比、溫度和時間對吸附量的影響，結果見圖2。由圖2（a）可見，隨著Pb(NO3)2質量濃度的增加，吸附量增加，當質量濃度達到 0.5 mg·mL-1時吸附量達到最大值，之后基本不變。由圖2（b）可以看出，隨著溫度的升高，吸附量降低，在溫度為20 ℃時，活性炭吸附量最大；由圖2（c）可以看出，在0～60 min內吸附量隨著時間的增加而增大，在60 min時吸附量達到頂峰，隨后隨著時間的增長，吸附量逐漸下降。因此，最佳因素水平為吸附質與吸附劑的比0.5(mg·mL-1)/0.100 g、溫度20 ℃和時間60 min。

圖2 各因素對吸附量的影響

2.2 響應面法優化吸附工藝

2.2.1 Box-Behnken實驗設計和結果

以吸附量為響應值，采用Box-Behnken實驗設計吸附溫度、時間和料液比3個因素的三水平共 17個實驗點，如見表1所示。

表1 響應面試驗結果

2.2.2 各因素間的交互影響

利用Design-Expert8.0.6軟件得到了各因素交互影響的響應面及等高線，圖3直觀地看出了活性炭制備中各因素對所得活性炭對Pb2+吸附量的影響。由圖3（a）可知，與B方向比較，A效應面曲線較陡。由圖3（b）能夠看出，沿C因素向峰值移動的等高線密度明顯高于沿A移動的密度，說明此時C對吸附量的影響較A為顯著，即料液比比吸附時間對Pb2+吸附量的貢獻更大。類似由圖3（c）至圖3（f）可知，對吸附量的影響較因素C比B顯著，A與B間的交互作用較弱。3因素對比吸附量的影響的顯著性由大到小的順序為：C、A、B。

2.2.3 數值模型的擬合與模型回歸分析

利用Design Expert 8.0.6軟件，對比吸附量模型進行方差分析（ (ANOVA），結果見表2。

表2 數值模型的擬合與模型回歸分析

注：表中**表示極顯著，* 表示顯著。

由表2可見，模型值（39.98）和值（< 0.0001）表明模型是極顯著的。失擬項的值（27）和值（0.004 1）說明失擬項不顯著，失擬只有0.41%的機會來源于噪聲。該回歸模型決定系數2=0.980 9，說明該模型能解釋98.09%數值，擬合程度好，實驗誤差小，因此該回歸模型成立?？梢杂迷摶貧w模型對活性炭吸附Pb2+工藝進行分析及預測。查看異常值“Adeq Precision”測量信號與噪聲比，大于4的比例是期望的，該模型的比例15.354，表明信號是足夠的，用該模型進行吸附量的預測是可行的。由表2的方差分析還可以看出，單因素C和互頂A2、B2、C2（＜0.1）是顯著的。在所選的各因素水平范圍內比較值，按照對吸附量影響都極顯著性的大小排列為：A2=B2=C2，這與各因素交互影響的結果是一致的。

利用Design-Expert 8.0.6分析數據吸附量（）構建多項式多元線性回歸方程：

=135.00+5.70-0.70+19.63+0.37

+7.43-1.55-46.622-42.042-36.652。

2.2.4 模型最優實驗方案

Expert 8.0.6對回歸方程進行求解，得到模型最佳解為吸附時間64.1 min、吸附溫度29.8 ℃，料液比1.1 mL·g-1，模型預測值吸附量137.9 mg·g-1。各個影響因素偏離參考點的攝動圖如圖4所示，殘差的正態概率分布曲線如圖5所示。由圖4可以看出，從最低水平到最佳水平過程顯著性C>A>B，在超過最佳水平過程是B>A>C，驗證了對三者顯著性強弱的認識。

圖4 各個影響因素偏離參考點的攝動圖

圖5 殘差的正態概率分布曲線

2.2.5 模型驗證

在2.2.4節優化條件下做5組平行實驗，吸附量平均值為135.0 mg·g-1，與預測值的相對誤差為2.10%，實驗值與模型預測值擬合性良好。

3 結 論

實驗研究優化了槐木活性炭吸附Pb2+工藝，對Pb2+吸附量最大值為138 mg·g-1。單因素考察了影響吸附量的因素和水平；響應面法優化得到最佳活化工藝參數，模型預測的吸附量大小為137.9 mg·g-1，吸附量的各因素顯著性由大到小順序為：料液比、吸附時間、吸附溫度。最佳制備工藝為：吸附溫度29.8 ℃、吸附時間64.1 min和料液比1.1 mL·g-1。驗證性實驗表明，吸附量平均值為135.0 mg·g-1，與預測值的相對誤差為2.10%，實驗值與模型預測值擬合性良好。

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Optimization of Pb2+Adsorption Process With Pseudoacacia Activated Carbon Using Response Surface Methodology

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（College of Chemical Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan Liaoning 114051, China）

Low-cost and efficient activated carbon materials play an important role in the wastewater treatment. Renewable branches are "zero" cost raw materials for preparing high-efficiency adsorbents. In this paper, the activated carbon from pseudoacacia was prepared by water vapor activation. In order to maximize the utilization rate of activated carbon, response surface methodology was used to optimize the adsorption process of Pb2+on pseudoacacia activated carbon. The results showed that pseudoacacia activated carbon was obtained from 3 cm×8 cm locust tree branch which was dried at 110 ℃ for 3 d and then carbonized at 600 ℃ for 60 min, and then activated at 650 ℃ for 80 min with a water vapor flow rate of 30 g·h-1.The optimum adsorption process of Pb(NO3)2was determined as follows: adsorption temperature 29.8 ℃, adsorption time 64.1 min and liquid-solid ratio 1.1 mL·g-1. Under above conditions, the predicted value of adsorption was 137.9 mg·g-1, in descending order of the significance of the three factors was follows: the ratio of solid to liquid, adsorption time and adsorption temperature. Confirmatory experiments showed that the average adsorption capacity was 135.0 mg·g-1, and the relative error was 2.10%. The experimental value fit well with the predicted value.

Pseudoacacia activated carbon; Water vapor activation method; Pb2+adsorption; Response surface methodology

2021年遼寧科技大學大學生創新創業訓練計劃項目（X202110146101）。

2021-04-11

張洪菲（2001-），男，山西省忻州市人，研究方向：應用化學。

高麗娟（1962-），女，遼寧省葫蘆島市人，教授。

TQ424.1+4

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1004-0935（2023）01-0009-05