銅是人體所必須的微量元素之一，它主要通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體｡但人體內銅的含量超標會(huì )導致中毒，出現嘔吐､抽筋､驚厥等不良反應，甚至死亡｡銅在工業(yè)中應用較廣，工業(yè)生產(chǎn)會(huì )產(chǎn)生大量的含銅廢水｡目前，含銅廢水的處理方法包括化學(xué)沉淀法､鐵氧體法､離子交換法､吸附法､電解法､膜分離法､晶析法､電滲析法等｡吸附法作為一種重要的重金屬廢水處理方法已經(jīng)得到了廣泛應用｡
本實(shí)驗自配含Cu2+的模擬溶液，以D401螯合樹(shù)脂為吸附材料，在單因素試驗的基礎上，采用響應曲面法(response surface methodology，RSM)對影響樹(shù)脂吸附的各因素的交互作用進(jìn)行研究，確定最佳的測定條件｡
1､實(shí)驗
1.1 原料與試劑
五水合硫酸銅；硝酸；氫氧化鈉；D401樹(shù)脂。實(shí)驗所用試劑均為分析純，用水均為超純水(電阻率為18.25MΩ•cm)｡
1.2 儀器與設備
AEY-220型電子分析天平；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES，ThermoFisher Scientific)；PHS-3C型pH測量?jì)x；旋轉振蕩器；超純水系統｡
1.3 樹(shù)脂預處理
(1)稱(chēng)取一定量的樹(shù)脂；
(2)用蒸餾水浸泡24h并過(guò)濾；
(3)用1mol/L的鹽酸浸泡2h并過(guò)濾；
(4)用蒸餾水反復洗滌至流出液的pH值為7；
(5)用1mol/L的氫氧化鈉浸泡2h并過(guò)濾；
(6)用蒸餾水反復洗滌至流出液的pH值為7；
(7)反復操作幾次后，用去離子水浸泡，待用｡
1.4 響應曲面法實(shí)驗設計
選取pH值､溫度､Cu2+的初始質(zhì)量濃度為自變量，振蕩時(shí)間為3h，樹(shù)脂質(zhì)量為0.4g｡采用Design-Expert軟件的Box-Behnken設計進(jìn)行響應曲面分析，以吸附量為響應值，通過(guò)響應曲面分析優(yōu)化反應條件｡實(shí)驗設計如表1所示｡
2､結果與討論
2.1 pH值對吸附量的影響
分別稱(chēng)取10份質(zhì)量為0.4g的經(jīng)過(guò)預處理的樹(shù)脂于250mL錐形瓶中，加入150mL初始質(zhì)量濃度為600mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為1~5；在30℃下置于恒溫振蕩器中，以130r/min的轉速振蕩3h，使吸附達到平衡｡用ICP-AES測定平衡時(shí)溶液中Cu2+的質(zhì)量濃度｡每組設兩個(gè)平行實(shí)驗｡
pH值通過(guò)影響樹(shù)脂表面的金屬離子吸附位點(diǎn)和溶液中金屬離子的狀態(tài)，從而影響金屬離子在樹(shù)脂上的吸附量｡pH值對銅吸附效果的影響如圖1所示｡由圖1可知：當pH值為1~3時(shí)，D401樹(shù)脂對銅的吸附量隨pH值的增大而增大；當pH值超過(guò)3時(shí)，吸附量有所減小｡這是因為當pH值過(guò)低時(shí)，強酸性環(huán)境抑制了D401樹(shù)脂上的活性吸附基團，導致吸附量較低｡而當pH值過(guò)高時(shí)，溶液未能提供吸附所需的酸性環(huán)境，并且當pH值超過(guò)5.5時(shí)Cu2+開(kāi)始沉淀｡因此，本實(shí)驗適宜的pH值為3~5｡
2.2 溫度對吸附量的影響
分別稱(chēng)取10份質(zhì)量為0.4g的經(jīng)過(guò)預處理的樹(shù)脂于250mL錐形瓶中，加入150mL初始質(zhì)量濃度為600mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為3；分別在5℃､15℃､25℃､35℃､45℃下置于恒溫振蕩器中，以130r/min的轉速振蕩3h，使吸附達到平衡｡用ICP-AES測定平衡時(shí)溶液中Cu2+的質(zhì)量濃度｡每組設兩個(gè)平行實(shí)驗｡
溫度對銅吸附效果的影響如圖2所示｡由圖2可知：隨著(zhù)溫度的升高，樹(shù)脂對銅的吸附量不斷增大｡這可能是因為隨著(zhù)溫度的升高，Cu2+擴散到樹(shù)脂微孔內的速率加快｡當溫度升高到一定程度以后，吸附量增加緩慢｡因此，本實(shí)驗適宜的溫度為25~45℃｡
2.3 Cu2+的初始質(zhì)量濃度對吸附量的影響
分別稱(chēng)取10份質(zhì)量為0.4g的經(jīng)過(guò)預處理的樹(shù)脂于250mL錐形瓶中，加入150mL初始質(zhì)量濃度為300mg/L､400mg/L､500mg/L､600mg/L､700mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氫氧化鈉調節pH值為3；在35℃下置于恒溫振蕩器中，以130r/min的轉速振蕩3h，使吸附達到平衡｡用ICP-AES測定平衡時(shí)溶液中Cu2+的質(zhì)量濃度｡每組設兩個(gè)平行實(shí)驗｡
Cu2+的初始質(zhì)量濃度對銅吸附效果的影響如圖3所示｡由圖3可知：隨著(zhù)Cu2+的初始質(zhì)量濃度的增加，Cu2+的吸附量逐漸增大｡這是因為當溶液的質(zhì)量濃度增加時(shí)，會(huì )有更多Cu2+與樹(shù)脂吸附｡當溶液的質(zhì)量濃度增至一定程度時(shí)，樹(shù)脂逐漸達到飽和吸附量｡因此，本實(shí)驗適宜的Cu2+的初始質(zhì)量濃度為400~800mg/L｡
2.4 響應曲面結果
2.4.1 模型的建立及其顯著(zhù)性檢驗
D401樹(shù)脂對Cu2+的吸附響應曲面結果如表2所示｡
用DesignExpert軟件對表2中的數據進(jìn)行多元回歸擬合，得到二次多項回歸方程：Y=-543.50+116.65×A+11.27×B+0.44×C-0.47×AB-9.57×10-3×AC-2.57×10-3×BC-10.69×A2-0.09×B2-2.18×10-4×C2｡其中：A､B､C分別是上述三個(gè)因素的編碼｡
對回歸模型進(jìn)行方差分析，結果見(jiàn)表3｡由表3可知：模型顯著(zhù)(p<0.0001)，模型確定系數R2=0.9814；A､B項對吸附量的影響較大，而B2的影響很小｡
2.4.2 響應曲面分析與優(yōu)化
根據Design-Expert軟件擬合的多元回歸方程作響應曲面圖，研究pH值､溫度和Cu2+的初始質(zhì)量濃度對吸附量的影響｡響應曲面及其等高線(xiàn)如圖4､圖5､圖6所示｡
圖4､圖5､圖6中所示的等高圖，表示兩因素的交互組合得到相同的吸附量｡從圖4中可以看出，pH值越接近4.5，溫度越高，吸附量越大｡從圖5中可以看出，pH值越接近4.5，隨著(zhù)Cu2+的初始質(zhì)量濃度的增加，吸附量增大｡從圖6中可以看出，Cu2+的初始質(zhì)量濃度和溫度對Cu2+的吸附存在交互作用，Cu2+的初始質(zhì)量濃度和溫度越高，吸附量越大｡通過(guò)軟件分析，得到吸附過(guò)程的最佳條件為：pH值4.35，溫度40.56℃，Cu2+的初始質(zhì)量濃度616.46mg/L，最大吸附量82.64mg/g｡
2.4.3 模型的驗證
為了方便實(shí)際操作，將實(shí)驗條件修正為：pH值4.35，溫度40.00℃，Cu2+的初始質(zhì)量濃度620mg/L｡在此條件下進(jìn)行三次實(shí)驗，得到三次吸附量的平均值為83.34mg/g，與模型預測值基本一致｡
3､結論
本實(shí)驗在單因素試驗的基礎之上，通過(guò)Design-Expert軟件擬合得到多元回歸模型，并驗證了模型的可靠性｡根據響應曲面圖優(yōu)化結果和實(shí)際操作性，確定吸附的最佳條件為：pH值4.35，溫度40.00℃，Cu2+的初始質(zhì)量濃度620mg/L，最大吸附量83.34mg/g｡實(shí)際響應值和預測的最大吸附量擬合較好，說(shuō)明采用Box-Behnken設計的實(shí)驗和響應曲面法在樹(shù)脂吸附重金屬方面具有較大的指導意義｡(來(lái)源：湖南永清環(huán)保研究院有限責任公司，衡陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與環(huán)境學(xué)院，湖南永清水務(wù)有限公司)
