甲萘酚也稱(chēng)為1-萘酚或α-萘酚，它是一種重要的合成原料和中間體，廣泛應用于染料和醫藥行業(yè)，世界每年的產(chǎn)量為15 000 t。甲萘酚廢水色度深、成分復雜，對人體健康和環(huán)境危害大，有效處理甲萘酚廢水是當前研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。
硅藻土是一種沉積巖，沉積巖是由被稱(chēng)為單細胞淡水植物的硅藻骨骼經(jīng)過(guò)長(cháng)久的演變得到的。硅藻土的顆粒較細，是一種輕質(zhì)物質(zhì)。硅藻土具有很多獨特的物理和化學(xué)特性，如強抗酸性，高度發(fā)達的介孔結構，高機械強度，具有惰性，較好的絕熱性，高孔隙率和低的熱傳導性。這些特性使得硅藻土廣泛應用于吸附重金屬、垃圾滲濾液、染料廢水和焦化廢水等領(lǐng)域。
RSM 以統計學(xué)為基礎，用于設計實(shí)驗，評估單個(gè)變量以及單個(gè)變量之間的相互作用，可在有限的實(shí)驗次數下，通過(guò)分析回歸方程優(yōu)化實(shí)驗操作的參數。
RSM 已在制漿廢水處理、物質(zhì)提取、飲用水凈化、新材料合成[17]和等領(lǐng)域得到廣泛的應用。該試驗采用RSM 方法優(yōu)化工藝條件，因為RSM 可以在較少的試驗次數和較短的時(shí)間對試驗參數進(jìn)行研究，同時(shí)可以從圖形方面分析尋求最優(yōu)值，得到最佳的工藝操作條件。以期為硅藻土處理甲萘酚廢水提供有效的技術(shù)參考和支持。
1 材料和方法
1.1 試驗試劑、儀器和水質(zhì)
硅藻土選自宜興市君聯(lián)公司，其主要性能參數：密度2.0 g/cm3，堆密度0.65 g/cm3，比表面積55 m2/g，熔點(diǎn)1 650 ℃。K2Cr2O7（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）、（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）、NaOH（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）和H2SO4（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。所用試劑均為分析純。
6B-2000 型水質(zhì)多參數速測儀（江蘇盛奧華環(huán)�？萍加邢薰荆�、PHB-9901 型pH 酸度計（上海光電器件總廠(chǎng)）。廢水取自常州市某化工廠(chǎng)，該水樣的水質(zhì)指標為：COD 1 052 mg/L，pH 4.05，TN 120.2 mg/L。
1.2 試驗方法
采用1.00 mol/L NaOH 和1.00 mol/L H2SO4 調節pH，投加硅藻土吸附甲萘酚廢水，恒溫振蕩4 h 后，靜置取其上清液，采用重鉻酸鉀法檢測COD，計算COD的去除率。TN 采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，pH 采用PHB-9901 型pH 酸度計測定。利用RSM進(jìn)行試驗的設計、參數優(yōu)化和結果預測。
1.3 試驗設計
試驗選取硅藻土用量、pH 和溫度為試驗因素，以COD 去除率為響應值，按照CCD 法設計了一個(gè)三因素五水平的試驗方案。各因素水平和編碼見(jiàn)表1。
硅藻土用量、pH 和溫度作為自變量，以甲萘酚廢水的COD 去除率（y）為響應值，用多項式回歸分析對實(shí)驗數據進(jìn)行擬合，可以得到二次多項式模型，其模型如下所示[18]：
式（1）中：y 為響應值；xi、xj 為實(shí)驗因素；β0 為常系數；βi 為線(xiàn)性系數；βii 為二次項系數；βij 為交互項系數；ε為隨機誤差。
二項式模型擬合質(zhì)量的優(yōu)劣是由決定系數（R2）所決定的，使用二項式模型和方差分析（ANOVA）對數據進(jìn)行擬合和分析，以獲得自變量和響應變量之間的關(guān)系式。
2 結果和討論
2.1 回歸方程和數據分析
一共進(jìn)行20 次試驗，每次試驗按照設計方案進(jìn)行，然后測定COD，最后計算得到COD 去除率，試驗設計方案和結果見(jiàn)表2。
實(shí)驗序號6、7、8、11、13 和19 的實(shí)驗因素的條件都是相同的，主要是為驗證實(shí)驗的Pure error（純誤差）[19]，利用Design Expert 軟件對表2 的實(shí)驗數據進(jìn)行多元回歸擬合，最后得到吸附劑用量、pH 和溫度與甲萘酚廢水COD 的去除率之間的二次多項式回歸方程，其表達式如下所示：
式（2）中：y 為硅藻土吸附降解甲萘酚廢水4 h 后COD 的去除率；x1、x2、x3 分別為硅藻土用量、pH、溫度。RSM 的方差分析結果見(jiàn)表3。
表3 給出了對上述回歸方程進(jìn)行的方差分析結果。模型的統計顯著(zhù)性是由F-value 確定，F-value 越大，則表明模型是顯著(zhù)的。（Prob>F）小于0.050 0，表明模型因素項具有顯著(zhù)性[20]，（Prob>F）大于0.100 0，認為模型因素項是非顯著(zhù)性的。由表3 可知，二次多項式模型的F-value 為11.19 遠大于1，（Prob>F）小于0.050 0，說(shuō)明回歸是顯著(zhù)的。R2 為0.909 7，說(shuō)明該回歸方程能較好地模擬真實(shí)的曲面。
圖1 為甲萘酚廢水COD 去除率的實(shí)際值與預測值的關(guān)系圖，由圖1 可知，這20 個(gè)點(diǎn)，基本分布在直線(xiàn)上，甲萘酚廢水COD 去除率的實(shí)際值和預測值的皮爾遜相關(guān)系數（pearson correlation coefficient）為0.954，進(jìn)一步證明了預測值與實(shí)際值能較好的符合。
由以上的分析結果可知，模擬的二次模型具有顯著(zhù)性。
2.2 響應面分析
為了更好地考察硅藻土用量、pH 及溫度三因素及其相互作用對處理甲萘酚廢水的影響，繪制了三維曲面圖。結果見(jiàn)圖2、圖3 和圖4 所示。
由圖2 可知，隨著(zhù)硅藻土用量的增加，COD 去除率先增加后降低。當硅藻土用量為1.5 g時(shí)，去除效果最好，再繼續增加硅藻土用量時(shí)，去除率略有下降。這是因為隨著(zhù)硅藻土用量的增加，吸附劑會(huì )提供更多的吸附點(diǎn)，因而COD 去除率升高，但是隨著(zhù)硅藻土用量的繼續增加，硅藻土吸附負荷減少，解吸附力變大，造成單位質(zhì)量的硅藻土吸附有機物減少，COD 去除率反而降低。
由圖3 可知，隨著(zhù)溫度的升高，COD 的去除率在降低；而當溫度繼續增加時(shí)，趨勢出現了逆轉，COD 反而開(kāi)始上升。其中，去除率在35 ℃時(shí)達到最低。這是由于在溫度較低時(shí)，吸附反應以放熱反應為主，因而隨著(zhù)溫度升高，去除效果在降低；而在溫度較高時(shí)，吸附反應以吸熱反應為主，因而隨著(zhù)溫度升高，去除效果變好；其中35 ℃即為一個(gè)轉折點(diǎn)。
由4 圖可知，隨著(zhù)pH 的增加，COD 去除率先是降低；然而當pH 繼續增加時(shí)，情況發(fā)生了轉折，COD去除率反而開(kāi)始增加，且斜率逐漸增大，去除效果越來(lái)越好。其中，當pH 為6 時(shí)，去除率達到最低。這是由于在pH 較低時(shí)，硅藻土表面質(zhì)子化嚴重，呈正電性，易于吸附廢水中的負離子，而隨著(zhù)pH 升高，質(zhì)子化程度變低，吸附效果降低。
2.3 模型優(yōu)化
利用Design Expert 軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳條件：硅藻土量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩時(shí)間為4 h 時(shí)，COD 去除率最大，實(shí)測值為78.2%，預測值為79.5%。由此可知預測值和實(shí)際值較為接近，這說(shuō)明回歸得到的二次多項式模型能夠有效預測COD去除率。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
（1）利用Design Expert 軟件建立的響應面數學(xué)模型，其（Prob>F）<0.000 1，R2=0.909 7，表明模型是顯著(zhù)的，回歸方程能較好地模擬真實(shí)的曲面。（2）采用響應面方法（RSM）優(yōu)化硅藻土吸附處理甲萘酚廢水的實(shí)驗，最佳工藝條件為：硅藻土用量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩4 h，廢水的COD 濃度由原始1 052 mg/L 降低至229 mg/L，硅藻土對COD 飽和吸附量最大達到了91.6 mg/g。去除率達到78.2%，與預測值79.5%接近，表明回歸得到的二次多項式模型能夠有效預測COD 去除率。
