纳米TiO2光催化处理模拟苯胺废水的响应面优化试验

吕雷 朱米家 李辉 司小明 魏彦林

摘要[目的]探讨纳米TiO2光催化处理模拟苯胺废水的最佳反应条件。[方法]采用纳米TiO2光催化降解模拟苯胺废水，以TiO2投加量、废水初始pH、光催化反应时间作为影响因素，采用BoxBehnken设计3因素3水平试验，通过响应面预测回归方程模型。[结果]回归模型线性度高，R2达到0.990 5，理论值与实际值差异小，证明了预测模型的可靠性。模拟苯胺废水降解的最优条件为：纳米TiO2投加量为100 mg/L，初始pH为8.0，光催化反应时间为60 min，此时苯胺去除率高达97.8%。[结论]该研究为苯胺废水的处理提供了理论依据。

关键词纳米TiO2；光催化降解；苯胺废水； 响应面

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00209-03

作者简介吕雷（1986- ），男，湖北随州人，助理工程师，硕士，从事水处理研究，Email：lvguolei925@163.com。

收稿日期20131126苯胺是一种简单的芳香胺，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，是橡胶、医药、石油加工、塑料制造等化工行业中被广泛采用的一种重要原料和精细化工中间体。苯胺类化合物在环境中可生物降解性差，毒性大，对环境的危害较大[1-4]。对于苯胺废水，目前的处理方法主要有化学法、生物法、膜分离法、超声波降解法、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、快捷的优点得到研究人员的广泛关注，并应用于苯胺废水的处理中。 二氧化钛是一种电子导电型半导体氧化物，兼有催化活性强、稳定性好、价格低廉、使用安全等特点，利用纳米二氧化钛进行光催化氧化处理，可将有机物彻底氧化为二氧化碳和水等无毒产物[14-15]。响应面分析法是一种优化试验条件、分析试验数据的统计学分析方法，已在应用化学、环境科学、食品科学和生物技术等领域得到广泛地应用[16]。笔者通过对纳米二氧化钛的投加量、初始pH、反应时间这3个因素进行响应面优化分析，确定最优的纳米TiO2光催化降解模拟苯胺废水的反应条件。

1材料与方法

1.1主要试剂与仪器试剂包括苯胺、P25型纳米二氧化钛、氢氧化钠、硫酸、N（1萘基）乙二胺盐酸盐等。仪器包括UV1800紫外可见分光光度计、752型分光光度计、265 nm 紫外灯、CA3型静音无油空气泵、PHS3C型精密pH计等。

1.2试验对象采用蒸馏水稀释配置的10 mg/L模拟苯胺废水，根据试验要求，通过滴加氢氧化钠和硫酸溶液调节模拟废水的初始pH。

1.3光催化反应机理纳米二氧化钛催化包括激发和氧化还原两步，即在光照条件下发生光催化反应产生氢氧自由基和释放负离子[14]，氢氧自由基的强氧化性能有效地分解有机物，达到净化水质的目的。光催化反应机理如下所示：

1.4苯胺去除率的检测参照《水质苯胺类化合物的测定：N（1萘基）乙二胺偶氮分光光度法》（GB1188989），进行苯胺浓度的检测。苯胺去除率=（C0-C）/C0×100%，式中，C0为处理前水中的苯胺浓度，C为处理后水中的苯胺浓度。

1.5响应面优化试验设计BoxBehnken Design （BBD）箱线设计是响应面法中较常用的优化工艺条件的方法，可用于优化试验参数以及因素之间的交互作用对响应值的影响，在此基础上建立回归模型所需要的数据。单因素试验反映了纳米二氧化钛投加量为60～100 mg/L，初始pH为6～8，反应时间为40～60 min时，苯胺去除率较高。在此基础上，设计3因素3水平的试验（表1）。

2结果与分析

2.1响应面优化试验结果分析根据3因素3水平的BoxBehnken设计，中心点（0，0，0）重复3次所得响应值差别不大（表2）。不同水平条件下，苯胺去除率的实际值与理论值差别也不大，说明该模型能够很好地反映光催化反应处理苯胺废水的优化试验。

2.2ANOVA分析及二次回归拟合对模型的各项进行显著性检测，响应值与各因素之间的线性关系显著（图1），该模型的回归显著（P<0.000 1）（表3）。模型R2=0.990 5，RAdj2=0.985 2，RPred2=0.964 3，说明该模型与试验拟合良好，该模型的准确度高，用该模型进行分析和预测是合理的。由F检验得到的影响因素的贡献率表现为：X1>X3>X2，即纳米TiO2投加量>反应时间>初始pH。对表2数据进行多元回归拟合，得到苯胺去除率（Y）对自变量X1（纳米TiO2投加量）、X2（初始pH）、X3（光催化反应时间）的二次多项式回归方程模型：Y=90.87+4.25X1+0.25X2+3.18X3-1.57X2X3-3.40X22。

3结论

（1）根据单因素试验确定响应面优化的试验条件为：纳米二氧化钛投加量为60～100 mg/L，初始 pH为6～8，反应时间为40～60 min。

（2）响应面模型分析表明，3种影响因素的贡献率表现为：纳米TiO2投加量>反应时间>初始pH。

（3）根据苯胺废水去除的模型二次方程所得的苯胺去除率预测值与试验值接近，线性度较高，R2高达0.990 5。通过响应面优化试验得到苯胺废水降解的最佳试验条件：TiO2投加量为100 mg/L，废水初始pH为8.0，反应时间为60 min，验证得到的苯胺去除率为97.8%，与预测值98.3%十分接近，进一步证明了该模型预测的可靠性。由此说明回归模型能够较真实地反映各个因素的影响，与实际情况较吻合。

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