实验2 正交设计优化改性活性炭对铜离子的吸附性能

本科生课程实验 （生物工程专业2010一班） 实验名称 正交设计优化改性活性炭对铜离子的吸附性能 姓名 李晓萌 同组人姓名 刘学伟 王晓婷 程瑶 李艳娟 李丹玉 马雪 于宝 张越唐 二○一三年五月 实验2 正交设计优化改性活性炭对铜离子的吸附性能 实验目的：在考虑交互作用A×B的情况下，利用正交设计法考察不同因素对活性炭对铜离子吸附体系的影响；筛选出3因素3水平，选用L9(34)正交表优化活性炭对铜离子吸附体系工艺；采用DPS软件对于试验结果进行直观分析和方差分析，确定因素主次和最适水平并判断不同因素对体系影响的显著性，从而确定最佳体系工艺（其中A、B、C三个因素排列在第1、2和4列上，空列排列在第3列上，正交表中）。 实验原理：活性炭常常作为吸附剂用在水处理中，活性炭是一种多孔性的含碳物质, 它具有高度发达的孔隙构造, 活性炭的多孔结构为其提供了大量的表面积，能与气体（杂质）充分接触，从而赋予了活性炭所特有的吸附性能，使其非常容易达到吸收收集杂质的目的。就像磁力一样，所有的分子之间都具有相互引力。正因为如此，活性炭孔壁上的大量的分子可以产生强大的引力，从而达到将有害的杂质吸引到孔径中的目的。 实验药品及器材：硫酸铜母液（10 g/L, 10 g五水硫酸铜粉末溶于1000 mL蒸馏水中），改性活性炭（已制备），0.1 mol/L HCl溶液（约1 mL HCl加入蒸馏水稀释至100 mL），0.1 mol/L NaOH溶液（0.4 g NaOH粉末溶于100 mL蒸馏水中），可见分光光度计，水浴锅，温度计、恒温干燥箱等。 试验方法： 分别考察活性炭浓度（A因素0.15g、0.2g、0.3g）、吸附温度（B因素50℃、60℃、70℃）、吸附时间（C因素10 min、20 min、30min）以及A×B对整个实验体系的影响，每种因素设计3个水平（根据单因素试验优化得出），选用L9(34)正交表优化试验。三种因素对整个实验体系的影响，以吸附量作为衡量指标： Ce＝(ρ0-ρe)V/m 式中：Ce为平衡吸附量（mg/g）；ρ0和ρe分别为原溶液和吸附后溶液铜离子浓度（mg/L）；V为溶液体积（L）；m为改性活性炭的质量。根据正交设计表，分别制备不同的处理，将一定量的活性炭（单因素优化后结果）加入到5 mL 浓度为5g/L的CuSO4 中，再将反应体系放置于一定温度的水浴锅中（单因素优化后结果），水浴一段时间后（单因素优化后结果），常温竖直静置10分钟后，取上清液3 mL加入到比色皿中测定铜离子的吸光度。每个样品重复测三次，数据，根据单因素优化过程中所绘制的曲线，计算每一个处理的吸附量。 实验步骤： 1.取一支试管，量0.1克活性炭并取5 mL (5 g/L) CuSO4于试管中，数值精致三分钟立即测定其吸光度，记录数据。 2.取九支试管，每支试管中均加入5 mL (5 g/L) CuSO4，再分别称取三个0.15g,三个0.2g，三个0.3g分别按正交表所写顺序放入不同的温度中进行不同时间的水浴，时间达到时取出在试管架上竖直静止10min，在分别取出3ml与比色皿上测其吸光度，每组测三个数值，记录数据。 数据处理与结果： L9(34)正交表如下： Ce＝(ρ0-ρe)V/m ρ0=0.388mg/ml V=3ml 编号 因素A 因素B 空列 因素C 吸附量 吸光度 吸光度平均值 NO. 活性炭质量g 温度0C 时间min mg/ml 1 1 1 1 1 -4.52 0.614 0.614 0.614 0.614 2 1 2 2 2 -0.92 0.428 0.439 0.436 0.434 3 1 3 3 3 -0.04 0.390 0.390 0.390 0.390 4 2 1 2 3 -3.3 0.608 0.608 0.608 0.608 5 2 2 3 1 -0.98 0.448 0.461 0.450 0.453 6 2 3 1 2 0.615 0.342 0.355 0.343 0.347 7 3 1 3 2 -6.32 0.999 1.034 1.02 1.02 8 3 2 1 3 -0.91 0.478 0.483 0.476 0.479 9 3 3 2 1 0.18 0.365 0.373 0.371 0.37 　 正交设计方差分析表(完全随机模型) 　 　 　 　 变异来源 平方和 自由度 均方 F值 p-值 第1列 1.913 2 0.9565 0.9637 0.5092 第2列 40.3266 2 20.1633 20.3142 0.0469 第3列 * 1.9851 2 0.9926 　 　 第4列 0.9432 2 0.4716 0.4751 0.6779 误差 1.9851 2 0.9926 　 　 总和 45.1679 　 　 　 　 根据p值可以看出活性炭浓度(A因素)和吸附时间(C因素)没有显著性影响，但吸附温度（B因素）有显著性影响。根据直观分析可以看出因素的主次为吸附温度（B因素）、活性炭浓度(A因素)、吸附时间(C因素)。通过一定的计算可以看出最优方案为活性炭为0.2g,吸附温度为70℃,吸附时间为30min（B3 A2 C3）。 结果讨论分析 此实验是正交设计优化改性活性炭对铜离子的吸附性能。基于上一个实验单因素对整个吸附体系的显著性影响研究，可以更好地利用正交设计确定因素的主次和最适水平，最终选择最佳的铜离子的吸附体系的方案。 可以从图表中看出可以看出活性炭浓度(A因素)和吸附时间(C因素)没有显著性影响，但吸附温度（B因素）有显著性影响。可以直观看出因素的主次为吸附温度、活性炭的浓度、吸附时间。根据实验结果可以很好地选择最优水平，最优方案为活性炭为0.2g,吸附温度为70℃,吸附时间为30min（B3 A2 C3）。但实验中的吸附量只有两组的吸附量是正值，可能在操作中有一定的误差。 在正交设计优化活性炭对铜离子吸附体系工艺的实验中，虽然有一些误差，但总体还是比较成功的，不仅学会了采用DPS软件对试验结果进行直观分析和方差分析，积累了实验经验，还为以后繁琐的数据处理提供了好的铺垫，让我受益匪浅。 PAGE IV