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采用响应曲面法优化纸张回收废水处理的混凝絮凝过程 Jian-Ping Wang, Yong-Zhen Chen, Xue-Wu Ge, Han-Qing Yu Department of Chemistry, University of Science Technology of China, Hefei 230026, China Received 19 May 2006; received in revised form 2 February 2007; accepted 6 February 2007 Available online 13 February 2007 摘　　要 混凝-絮凝工艺是以人工合成的高分子聚合物氯化铝作为混凝剂，以壳聚糖嫁接PDMC（聚（2 -甲基丙烯）三甲基氯化铵）作为絮凝剂来处理纸张回收产生的废水。为了尽量减少浊度和污泥容积指数（SVI），本实验进行了罐子测试并用响应面法（RSM）优化了这一过程。一个中心的复合设计即RSM的标准设计是用来评估影响处理效率的因素，如混凝，絮凝剂量和pH这三个因素的作用以及它们之间的相互作用。从浊度和污泥容积指数这两个方面进行考虑，对两个比较理想的反应进行折衷得到的最佳条件是：混凝、絮凝剂量和pH分别为759 mgl-1、22.3 mgl-1、5.4。通过准确的实验，RSM被证明了是一种合理的优化混凝-絮凝工艺的方法。 关键词：混凝-絮凝；因子的设计；壳聚糖；响应面法；废水处理 1　引言 混凝-絮凝法作为一种高效简单的操作方法被广泛应用于废水处理。在这一过程中，会有许多因素影响它的效率，例如：混凝剂或絮凝剂的种类或剂量，pH值，搅拌速度和时间，温度和停留时间等。这些影响因素的优化或许会很大程度上提高这一工艺的效率。 在传统的综合实验中，优化通常是在一套特定的条件下即其他因素保持不变而进行单因素变化。它不仅是耗时的,而且由于忽视了优化变量间的相互作用常常也不能达到真正的优化。另一方面，响应面法（RSM）被认为能够确定单个因素的影响和它们之间的相互影响。RSM是一种为了实现设计实验、建筑模型、评估几个因素的影响, 为理想的反应寻找最佳工艺条件的统计技术。借助于RSM可以通过数量有限的实验评估出影响处理效率的影响参数之间的相互关系，RSM被广泛应用于各种领域，例如，从甜菜糖蜜中制备壳聚糖，N-carboxybutylchitosan的合成，通过吸收清除染料，以及radiolytic和聚乙烯醇的降解。 在这一研究中，RSM被用来确定出混凝、絮凝过程的最优实验设计。本实验采用了罐子测试法，这一测试方法通常用来有效的评估处理过程。在罐子测试中，混凝剂的量，絮凝剂的量和pH值是需要优化的因素。在混凝-絮凝的过程中选择并使用一种高效的絮凝剂是至关重要的。然而，像聚丙烯酰胺(PAM)和聚(酸)(聚丙烯酸)这些传统的有机絮凝剂是不能生物降解的而且价格昂贵。尽管天然高分子聚合物或人工合成高分子聚合物用途广泛,但如何提高它们的絮凝效率是关键所在，因为它们既经济又非常的环保。在目前的研究中,采用一种通过嫁接DMC到壳聚糖而改进的天然高分子化合物作为絮凝剂。DMC到壳聚糖的嫁接能够大大增加絮凝剂的容量从而提高其絮凝能力。 这个工作的主要目的是为了优化混凝-絮凝过程和探讨实验因子的相互影响，包括投药、絮凝剂的用量、pH值。为达到这一目的，借助于RSM优化的混凝－絮凝过程选定纸张回收产生的废水为处理目标。被处理水的浊度和污泥容积指数（SVI)被选为独立的输出变量。这两个反应的折衷的优化条件也是通过期望函数的方法获得的。 2　实验部分 2.1　材料和方法 　 壳聚糖（从中国浙江玉环海洋生物有限公司购买的）含有95N-deacrylation和分子量为520kDa。三氯化铝、丙酮、乙醇、醋酸、硫酸、盐酸、氢氧化钠都是从中国的上海化学试剂公司购买的。它们都是一定程度的分析试剂并没有经过进一步的净化。 在这项研究中,三氯化铝作为混凝剂。Chitosan-g-PDMC（一种γ辐射相关性嫁接的聚合物）作为絮凝剂。它的制备过程如下: 在各玻璃器皿中壳聚糖和DMC在1.0%的醋酸溶液中分解,然后将样品在丙酮中沉淀并通过过滤分离开来。反应中形成的聚合物在乙醇中静置24小时采用索氏提取法去除。所有的移植样品在50?C的真空干燥炉中干燥,直到达到恒定的重量。实验中使用的嫁接聚合物的百分比是47.6%。 本实验所用的纸张回收废水是从中国晋中纸制造有限公司取得的。废水最初的pH值和浊度分别是7.97、687NTU。 这个混凝-絮凝试验是在500ml烧杯中用罐子测试法进行研究的。混凝剂的量从零增加到2000mgl-1时，通过增加0.1M盐酸或0.1M氢氧化钠溶液调节pH值2.0