高爐水淬渣對電鍍廢水中重金屬和COD吸附的響應(yīng)面優(yōu)化

王哲，張思思，黃國和，安春江，李衛(wèi)平，陳莉榮

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2華北電力大學(xué)環(huán)境研究院，區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3里賈納大學(xué)能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展研究所，加拿大 薩斯喀徹溫省里賈納 S4S 0A2）

高爐水淬渣對電鍍廢水中重金屬和COD吸附的響應(yīng)面優(yōu)化

王哲1，2，張思思1，黃國和2，安春江3，李衛(wèi)平1，陳莉榮1

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2華北電力大學(xué)環(huán)境研究院，區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3里賈納大學(xué)能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展研究所，加拿大 薩斯喀徹溫省里賈納 S4S 0A2）

為了考察高爐水淬渣處理實(shí)際電鍍廢水中重金屬離子和COD的可行性，分別研究了吸附劑投加量、pH、吸附時間以及溫度等單因素對Cu2+、Zn2+或COD去除率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 Box-Behnken中心組合方法進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，建立二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證該模型的有效性。采用響應(yīng)曲面法探討吸附劑投加量、pH、吸附時間3個因子的交互作用及其最佳水平。結(jié)果表明：在吸附劑投加量為1.4g、pH為8、吸附時間為120min的最優(yōu)化條件下，電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率達(dá)到最大，分別為99.35%、98.46%和53.63%。經(jīng)對最優(yōu)條件進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)測值與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平均值接近。吸附后廢水中的Cu2+和Zn2+低于GB 21900—2008電鍍廢水新建企業(yè)污染物排放限值要求，而COD沒有滿足排放要求，所以僅應(yīng)用高爐水淬渣吸附技術(shù)還不足以去除電鍍廢水中所有有害物質(zhì)，因此可利用此技術(shù)作為輔助工藝，聯(lián)合其他技術(shù)共同去除電鍍廢水中的重金屬離子和有機(jī)物，使出水水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

高爐水淬渣；吸附；廢水；重金屬；化學(xué)需氧量；優(yōu)化設(shè)計

電鍍屬于涉及面廣、通用性強(qiáng)的行業(yè)，是當(dāng)今世界主要的三大污染工業(yè)之一［1］。電鍍廢水主要來源于電鍍生產(chǎn)過程中的鍍件清洗、鍍液過濾工序以及其他操作或管理過程產(chǎn)生的廢水，其成分復(fù)雜，主要的污染物為銅、鋅、鎘、鉻等重金屬［2］，此外還含有氰化物和酸堿污染物，而鍍前除油、清洗等處理中含有大量的有害有機(jī)物，導(dǎo)致COD偏高。因此，2008年實(shí)施的GB 21900—2008《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》首次將COD也納入考量指標(biāo)［3］。電鍍廢水如不加以治理，將對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的危害。傳統(tǒng)的處理方法有化學(xué)沉淀法、離子交換法、電解法、膜萃取法、活性炭吸附以及生物吸附［4］等，但存在處理成本較高、能耗大、易產(chǎn)生二次污染等問題。如何高效廉價地同時降低電鍍廢水中重金屬離子和COD的濃度，使其達(dá)標(biāo)排放，仍是一個沒有完全解決的問題。

近年來，利用一些數(shù)量較大、容易獲得、成本較低的工農(nóng)業(yè)廢棄物作為吸附劑處理電鍍廢水已引起了人們的廣泛關(guān)注。常見的用于電鍍廢水處理的農(nóng)業(yè)廢棄物有堅果殼［5］、秸稈［6］、蔗渣［7］、樹皮［8］等。還有一些工業(yè)廢棄物也引起人們很大的興趣，例如粉煤灰［9］、爐渣［10］等。高爐渣是煉鐵過程中在高爐中與鐵一起熔煉時產(chǎn)生的一種工業(yè)固體廢棄物，一般在1400～1600℃以熔融狀從高爐中排出，然后經(jīng)水淬快速冷卻成主要含硅酸鈣（鎂）與硅鋁酸鈣的顆粒狀玻璃態(tài)液渣［11］。這種渣屬于細(xì)小多孔質(zhì)硅酸鹽材料，疏松多孔，比表面積大，對水中的雜質(zhì)有較好的吸附性能。近年來，用高爐水淬渣作為廉價吸附材料吸附處理廢水中無機(jī)磷［12］、重金屬離子［13］以及氨氮［14］等已有很多研究成果，但是基本集中在對模擬廢水中單一組分污染物的處理上面，然而，實(shí)際水環(huán)境中的污染物很少單獨(dú)存在，所以研究實(shí)際工業(yè)廢水中多組分共存下污染物的環(huán)境行為更有實(shí)際價值。

本研究以包頭市某電鍍廠廢水為研究對象，以高爐水淬渣為吸附劑，探討不同吸附條件對重金屬和COD去除率的影響，并利用響應(yīng)曲面法（RSM）優(yōu)化其吸附條件，以期為進(jìn)一步將高爐水淬渣應(yīng)用于實(shí)際電鍍廢水處理提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

高爐水淬渣取自內(nèi)蒙古包頭鋼鐵集團(tuán)煉鐵廠4號高爐。首先將高爐水淬渣用去離子水沖洗，去除渣體表面的雜質(zhì)，在100～105℃下干燥24h，然后將其粉碎，過100目分樣篩，裝入聚乙烯塑料袋自封袋中備用。高爐水淬渣的比表面積3.83m2/g，密度2.71 g/cm3，松散容重為1200～1400kg/m3。化學(xué)組成成分為Fe2O3含量0.86 %，MgO含量10.45%，Al2O3含量12.46%，SiO2含量32.99%，CaO含量33.60%。

實(shí)驗(yàn)用廢水取自包頭市某電鍍廠，其污染物性狀特點(diǎn)為：Cu2+的初始濃度為20.83 mg/L，Zn2+的初始濃度為19.18 mg/L，COD的初始濃度為510mg/L，pH為5.0。

實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

電感耦合等離子體質(zhì)譜分析儀（ICP-MS，P-5000，日本 Hitachi公司），比表面積測定儀（ASAP 2000，美國Micromeritics公司），COD分析儀（DR1010，上海茸研儀器有限公司），原子吸收分光光度計（AA-6300C，日本 SHIMADZU 公司），數(shù)字式酸度計（pHS-3C，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司），數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（GZX-9140 MBE，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司），密封式制樣粉碎機(jī)（GJ-3，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司），回旋振蕩器（HY-B2，金壇市醫(yī)療儀器廠），水浴恒溫振蕩器（SHA-BA，金壇市順華儀器有限公司）。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1單因素實(shí)驗(yàn)

取100mL電鍍廢水于250mL錐形瓶內(nèi)，加入一定量預(yù)處理好的高爐水淬渣吸附劑，用HCl或NaOH調(diào)節(jié)pH，放置于恒溫振蕩器上，控制不同溫度，在120r/min條件下振蕩處理一定時間。吸附結(jié)束后，抽濾，取濾液，用原子分光光度計測定過濾液中Cu2+和Zn2+的濃度，用COD分析儀測定濾液中COD的濃度值，考察吸附劑投加量、pH、吸附溫度以及吸附時間對吸附效果的影響。去除率w（%）計算公式為式（1）。

式中，w為平衡時Cu2+、Zn2+或COD的去除率，%；c0、ce分別為Cu2+、Zn2+或COD的初始濃度和平衡濃度，mg/L。

1.3.2響應(yīng)曲面法優(yōu)化工藝參數(shù)

采用Box-Behnken三因素三水平的響應(yīng)曲面（RSM）設(shè)計方法，以吸附劑投加量（A）、pH（B）和吸附時間（C）為試驗(yàn)因素，并用1、0、-1分別代表自變量的高、中、低三實(shí)驗(yàn)水平，共17個試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)設(shè)計因素編碼及水平見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)中吸附影響因素水平和編碼值

2　結(jié)果與分析

2.1單因素條件對電鍍廢水吸附效果的影響

2.1.1吸附劑投加量對吸附效果的影響

在反應(yīng)溫度為25℃、原水pH、振蕩速度為120r/min、反應(yīng)時間為120min的條件下，考察高爐水淬渣吸附劑不同投加量對電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1　投加量對Cu2+、Zn2+和 COD吸附效果的影響

由圖1可以看出，電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD的去除率均隨著高爐水淬渣投加量的增加而增加。其中Cu2+的去除率在0.2～0.8g的投加量范圍內(nèi)由74.86%快速增加到93.86%，此后去除率隨著吸附劑投加量的繼續(xù)增加而趨于平緩。Zn2+的去除率曲線隨著投加量的增加不斷上升，曲線沒有特別明顯的臨界劑量值，但仍可以看出當(dāng)投加量大于0.8g以后，去除率提高幅度變緩。當(dāng)投加量超過1.2g時，COD的去除率逐漸趨于平穩(wěn)，因此，為了保證良好的處理效果，本次試驗(yàn)采用高爐水淬渣的投加量為1.2g，此時Cu2+的去除率達(dá)到95.54%，Zn2+的去除率為55.83%，對COD的去除率為52.33%。去除率呈現(xiàn)先增加后趨于平緩現(xiàn)象的原因是因?yàn)殡S著吸附劑投加量的增加，高爐水淬渣表面可利用的活性吸附位點(diǎn)數(shù)量隨之增加，此外也使吸附表面積增大、吸附的官能團(tuán)增多，因而去除效率大幅提高。此后再增加投加量，去除效率變化不大，這是因?yàn)榇藭r體系已經(jīng)基本達(dá)到吸附平衡，即使再增加投加量也只會增加無效的吸附位點(diǎn)，而過多的吸附劑會重疊或者聚合在一起［15］，使得高爐水淬渣表面可以利用的表面積和有效的吸附活性位點(diǎn)相應(yīng)地減少，這樣也會使得單位吸附劑中吸附質(zhì)的量逐漸減少，去除率趨于平衡?？傮w來看，隨著吸附劑投加量的增加，去除率表現(xiàn)為Cu2+＞Zn2+＞COD，這是因?yàn)楦郀t水淬渣主要是由硅酸鹽組成，在水溶液中會發(fā)生電離產(chǎn)生SiO4-，使得渣體表面帶負(fù)電荷，因此對重金屬陽離子具有更強(qiáng)的吸附能力和親和性。對于相同價態(tài)的Cu2+和Zn2+，吸附能力很大程度上由水合離子半徑?jīng)Q定，離子半徑越大的金屬生成的水合離子越穩(wěn)定；相反，離子半徑越小，越容易和高爐水淬渣中的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。由于水合離子半徑順序?yàn)镃u2+（0.419）＜Zn2+（0.430）［16］，因此，對Cu2+的吸附能力和競爭能力最強(qiáng)。

2.1.2pH對吸附效果的影響

在吸附溫度為25℃、吸附劑投加量為1.2g、反應(yīng)時間為120min、振蕩頻率為120r/min的條件下，考察不同pH對Cu2+、Zn2+和COD去除率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　pH對Cu2+、Zn2+和COD吸附效果的影響

由圖2可知，高爐水淬渣對Cu2+的去除率在pH為2～4的范圍內(nèi)較低，4～6的范圍內(nèi)迅速上升，之后趨于平緩，但pH＞8以后，去除率開始下降，說明pH值是影響吸附作用的主要因素之一。引起這些變化的主要原因是由于在pH＜4時，二價銅主要以Cu2+的形式存在，此時酸性溶液中的H+會與Cu2+形成競爭吸附而導(dǎo)致金屬離子的去除率較低。當(dāng)pH為4～5時，二價銅主要為Cu2+和CuOH+，pH為5～6時，主要以CuOH+和Cu（OH）2的形式存在［17］，此時由于Cu（OH）2的沉淀的形成以及H+競爭吸附能力的削弱，從而使得去除率迅速增加。但是當(dāng)pH過高時，大量形成的Cu（OH）2的沉淀沉積或覆蓋于高爐水淬渣吸附位點(diǎn)上反而不利于其吸附［18］。pH對Zn2+去除率影響的變化趨勢與Cu2+的類似，過低或過高的pH均不利于高爐水淬渣對Zn2+的吸附，其吸附Zn2+的最適pH為7左右。

COD的去除率在實(shí)驗(yàn)考察的整個pH范圍內(nèi)先急劇上升，在pH為8時去除效果最佳，pH＞8后呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于高爐水淬渣的零凈電荷點(diǎn)pHzpc（point of zero net charge）為8.35。當(dāng)溶液的pH在8.35附近時，高爐水淬渣表面位以中性為主，當(dāng)pH高于零凈電荷點(diǎn)pHzpc時，高爐水淬渣表面帶負(fù)電荷，而在此pH下水中有機(jī)物的主要官能團(tuán)如羧基、酚羥基等主要帶負(fù)電［19］，由于靜電排斥作用，從而使得去除率相應(yīng)降低。綜合考慮，本研究吸附實(shí)驗(yàn)pH選為8，符合污染物最高允許排放標(biāo)準(zhǔn)（pH為6～9）。

2.1.3接觸時間對吸附效果的影響

吸附時間過短，反應(yīng)不完全，不利于吸附達(dá)到平衡；吸附時間過長，則會降低增加能耗，因此有必要合理選擇吸附時間。在室溫25℃下，準(zhǔn)確量取100mL電鍍廢水于錐形瓶中，pH為8時，加入1.2g高爐水淬渣吸附劑，置于恒溫振蕩器上，在120r/min的條件下振蕩一定時間后，取樣分析，結(jié)果見圖3。

圖3　吸附時間對Cu2+、Zn2+和COD吸附效果的影響

由圖3可以看出，高爐水淬渣吸附COD的過程較快，在吸附反應(yīng)開始的40min內(nèi)，就完成了51.45%的去除率，達(dá)到飽和去除率的97.67%，而后速率逐漸降低并在60min左右時趨于平衡，這也符合物理吸附過程極快、參與吸附的物質(zhì)常瞬間即達(dá)平衡的特點(diǎn)［20］。與COD的吸附相比，重金屬離子吸附速率相對較慢，達(dá)到吸附平衡需要時間更長，這也體現(xiàn)了化學(xué)鍵效應(yīng)的重要貢獻(xiàn)［21］。隨著吸附時間的延長，Cu2+、Zn2+的去除率也隨之快速增大，此階段主要是一種表面作用，與高爐水淬渣表面吸附位點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。初始階段，高爐水淬渣表面有大量的活性吸附位點(diǎn)（帶負(fù)電部位），通過靜電引力，很容易將帶正電的Cu2+和Zn2+吸附捕捉，明顯帶有化學(xué)吸附的本質(zhì)。隨著時間的推移，大約100min后，高爐水淬渣表面的活性吸附位點(diǎn)被大量吸附的Cu2+和Zn2+所占據(jù)，剩余吸附位點(diǎn)大量減少，吸附能力減弱，Cu2+和Zn2+擴(kuò)散到剩余活性位點(diǎn)的概率降低，而且還會受到渣體表面已有的吸附質(zhì)對內(nèi)擴(kuò)散層離子產(chǎn)生同質(zhì)排斥作用［22］，導(dǎo)致飽和后吸附容量變化較小，從而達(dá)到平衡。出于能耗與經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，最終確定吸附時間為100min。

2.1.4吸附溫度對吸附效果的影響

調(diào)節(jié)電鍍廢水pH至8，高爐水淬渣投加量為1.2g，吸附時間為100min的條件下，考察溫度對吸附效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，高爐水淬渣對COD的去除率隨溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢，表明高爐水淬渣對COD的吸附反應(yīng)是放熱反應(yīng)。這可能是由于溫度升高使得水體中有機(jī)物分子運(yùn)動激烈，使得其和高爐水淬渣之間的吸附力減弱，從而造成去除率隨溫度升高而降低。

圖4　吸附溫度對Cu2+、Zn2+和 COD吸附效果的影響

隨著溶液體系溫度的升高，高爐水淬渣對Cu2+和Zn2+的去除率逐漸增大，這說明升高溫度有利于吸附的進(jìn)行。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，吸附溶液的粘度下降，吸附速率增大，去除率也隨之增加。

此外，根據(jù)液相吸附中的“溶劑置換”理論［23］，升溫加快了Cu2+和Zn2+的遷移速度，同時也加快了高爐水淬渣外表面吸附水分子的解吸，解吸過程是吸熱過程，而吸附是放熱過程，此時水分子解吸需要吸收的熱量大于吸附所釋放的熱量，最終導(dǎo)致整體呈現(xiàn)吸熱過程。雖然升高溫度有利于Cu2+和Zn2+吸附的進(jìn)行，但溫度對其影響并不是很大，從實(shí)際應(yīng)用方面綜合考慮，高爐水淬渣對電鍍廢水的處理可在常溫下進(jìn)行。

2.2響應(yīng)曲面法優(yōu)選電鍍廢水吸附條件

2.2.1模型建立及顯著性檢驗(yàn)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多重比較，結(jié)果表明高爐水淬渣吸附電鍍廢水工藝參數(shù)對Cu2+、Zn2+和COD的去除率有顯著影響，確定對去除率影響較大的吸附劑用量、pH和接觸時間為影響因子，以Cu2+、Zn2+和COD的去除率為響應(yīng)值，按照Box-Behnken中心組合設(shè)計法得到的試驗(yàn)結(jié)果，通過Design Expert 7.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到響應(yīng)面回歸模型，并進(jìn)一步尋找最優(yōu)響應(yīng)因子的水平，結(jié)果見表2。

表2　試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值

對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到Cu2+、Zn2+和COD去除率對自變量A（吸附劑投加量）、B（pH）和C（吸附時間）的二次多項(xiàng)回歸模型方程如式（2）、式（3）、式（4）所示。

從表2可以看出，由高爐渣吸附電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率的實(shí)驗(yàn)值和二次多項(xiàng)回歸方程的預(yù)測值對比可知模型吻合效果較好，回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，F(xiàn)值和P值均顯示模型極顯著，不同處理方式會引起不同響應(yīng)。因此，可以判斷此二次多項(xiàng)回歸模型合適地近擬于真實(shí)的曲面。擬合的一元二次方程的相關(guān)系數(shù)分別為模型決定系數(shù)R2=0.9921～0.9985，調(diào)整決定系數(shù)adj R2=0.9819～0.9966，表明模型的擬合程度均很高，實(shí)驗(yàn)誤差較小，說明設(shè)計模型是合適的，可以應(yīng)用模型分析預(yù)測采用高爐水淬渣去除Cu2+、Zn2+和COD的變化。

回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，Cu2+吸附模型中A、C、A2和B2影響效應(yīng)顯著（P＜0.05），其中吸附劑投加量的影響因素最大。Zn2+吸附模型中A、B、C、A2和B2影響效應(yīng)顯著（P＜0.05），其中吸附劑投加量和吸附時間的影響因素較大。A、B和B2對吸附去除COD的影響效應(yīng)顯著（P＜0.05），其余均不顯著，其中pH值的影響因素最大。總的來說，交互項(xiàng)影響相對較小，而一次項(xiàng)和平方項(xiàng)的影響較大，說明不同的影響因子與去除率之間不是簡單的線性關(guān)系。

表3　回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

2.2.2響應(yīng)曲面分析

根據(jù)回歸方程繪出響應(yīng)曲面圖，以確定吸附劑投加量、pH、吸附時間3個因素對Cu2+、Zn2+和COD吸附效果的影響，響應(yīng)曲面圖見圖5～圖7。

由圖可以看出，當(dāng)振蕩時間為100min時，吸附劑投加量和pH的交互作用對Cu2+去除率較Zn2+去除率有顯著的影響，因?yàn)镃u2+的響應(yīng)曲面坡度較陡峭，說明其響應(yīng)值對吸附劑投加量和pH的改變較敏感［24］。pH對COD去除率的影響較為顯著，當(dāng)投加量不變時，隨著pH的增加，COD去除率不斷增加，當(dāng)pH達(dá)到一定值后，COD去除率又逐漸減小。

當(dāng)pH為8時，吸附劑投加量和吸附時間的交互作用對Cu2+去除率有顯著的影響，其中吸附時間對Cu2+去除率的影響不及吸附劑投加量明顯。當(dāng)吸附時間為定值時，投加量在1.0～1.4g的范圍內(nèi)，Cu2+的去除率急劇增加，達(dá)到極大值。在投加量為1.0～1.4g、吸附時間為80～120min的范圍內(nèi)，Zn2+去除率表現(xiàn)為緩慢增加。吸附劑投加量和吸附時間的交互作用對COD去除率沒有顯著的影響。

當(dāng)投加量為1.2g時，pH和吸附時間的交互作用對Cu2+去除率的影響不是很顯著。當(dāng)pH處于較低水平時，Zn2+的去除率隨著吸附時間的增加而增加，當(dāng)pH處于較高水平時，Zn2+的去除率先增加后減小。pH對CODcr去除率的影響大于吸附時間的影響，當(dāng)pH處于8.5左右時，COD去除率出現(xiàn)極值。

圖5　影響因子交互作用影響Cu2+去除率的響應(yīng)曲面圖

2.2.3模型驗(yàn)證

通過對響應(yīng)曲面回歸模型的最優(yōu)化求解得到吸附劑投加量為1.4g、pH為8、吸附時間為120min時，電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率達(dá)到最大，分別為99.35%、98.46%和53.63%。為了檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取平均值，測得實(shí)際電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率的平均值分別為99.18%、96.25%和53.11%，與模型的理論預(yù)測值基本相吻合。吸附后廢水中的Cu2+濃度為0.17mg/L，Zn2+濃度為0.72mg/L，COD濃度為239.14mg/L，其中Cu2+和Zn2+低于GB 21900—2008電鍍廢水新建企業(yè)污染物排放限值要求（Cu2+＜0.5mg/L，Zn2+＜1.5mg/L），而COD沒有滿足低于80mg/L的要求，所以僅應(yīng)用高爐水淬渣吸附技術(shù)還不足以去除電鍍廢水中所有有害物質(zhì)，因此可利用此技術(shù)作為輔助工藝，聯(lián)合其他技術(shù)共同去除電鍍廢水中的重金屬離子和有機(jī)物，使出水水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖6　影響因子交互作用影響Zn2+去除率的響應(yīng)曲面圖

圖7　影響因子交互作用影響COD去除率的響應(yīng)曲面圖

3　結(jié) 論

（1）根據(jù)單因素試驗(yàn)分析，得出在常溫下，吸附劑投加量為1.2g、pH為8、接觸時間為100min時為高爐水淬渣吸附電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD的最佳條件。

（2）Box-Behnken中心組合設(shè)計法優(yōu)化設(shè)計表明，在高爐水淬渣吸附電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD的系統(tǒng)中，一次項(xiàng)和平方項(xiàng)的影響較大，而交互項(xiàng)影響相對較小，說明不同的因素與吸附量不是簡單的線性關(guān)系。

（3）響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表明，在吸附劑投加量為1.4g、pH為8、吸附時間為120min的最優(yōu)化條件下，電鍍廢水中Cu2+、Zn2+和COD去除率達(dá)到最大，分別為99.35%、98.46%和53.63%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，在此條件下Cu2+、Zn2+和COD實(shí)際去除率的平均值分別為99.18%、96.25%和53.11%，與預(yù)測值相近。

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Application of response surface methodology to optimize adsorption conditions for heavy metals and COD in electroplating waste water by water-quenched blast furnace slag

WANG Zhe1，2，ZHANG Sisi1，HUANG Guohe2，AN Chunjiang3，LI Weiping1，CHEN Lirong1
（1School of Energy and Environment，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China；2MOE Key Laboratory of Regional Energy and Environmental Systems Optimization，Environmental Research Academy，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；3Institute for Energy，Environment and Sustainable Communities，University of Regina，Regina，Saskatchewan S4S 0A2，Canada）

In order to study the feasibility of the treatment of heavy metal ions and COD in electroplating wastewater by water-quenched blast furnace slag（WBFS），the effect of factors，such as adsorbent dosage，pH，contact time and temperature on the adsorption of Cu2+、Zn2+and COD were investigated. On the basis of single factor experiments，a three-factor，three-level Box-Behnken central composite design（CCD） was utilized. Two multinomial mathematical models were established by response surface methodology，and the effectiveness of the model was verified. Response surface analysis was used to discuss the interaction of the three factors and determine the optimum level of the main effects. The results showed that the optimal adsorption conditions were adsorbent dosage 1.4g，pH 8，contact time 120 min，and under these conditions，the removal of Cu2+、Zn2+and COD was 99.35%、98.46% and 53.63%，respectively. The experimental data and model predictions agreed well. The concentrations of Cu2+and Zn2+in the effluent were lower than the standard limitation of newly-built enterprises in electroplating wastewater（GB 21900—2008），and COD could not satisfied with the emission requirement. So the application of blast furnace slag adsorption technology was not enough to remove all harmful substances in electroplating wastewater. Therefore，it could be used as an assistant process，combined with other technologies to remove heavy metal ions and organic compounds in electroplating wastewater，so that the water quality of the effluent achieved national level of discharging standard.

water-quenched blast furnace slag；adsorption；waste water；heavy metals；COD；optimal design

X 705

A

1000-6613（2016）11-3669-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.043

2016-04-08；修改稿日期：2016-05-16。

教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（311013）。

及聯(lián)系人：王哲（1979－），女，副教授，博士生研究生，研究方向?yàn)楣腆w廢物資源化。E-mail wz0478@163.com。