張一平

(浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310012)

1 引言

本課題組前期利用TiO2-K2Cr2O7的協(xié)同光催化氧化效應(yīng)，建立了一種基于Cr2被還原為Cr3+，然后分光光度法測(cè)定剩余Cr2O72－的快速測(cè)定染料濃度的簡(jiǎn)便、靈敏方法.在該體系中共存的Cr2作為光生電子的受體，提高了協(xié)同體系的光催化氧化能力，它能在有機(jī)物徹底氧化的同時(shí)被定量還原，利用分光光度法快速準(zhǔn)確測(cè)定光催化體系中Cr2濃度的變化值，即可間接得出該水樣中染料的濃度［1］.

消解染料的主要影響因素有5個(gè):pH值、TiO2用量、K2Cr2O7初始濃度、反應(yīng)溫度、紫外光照時(shí)間.因素較多，若進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，則實(shí)驗(yàn)的規(guī)模將很大.假如每個(gè)因素取5個(gè)不同的狀態(tài)進(jìn)行比較，那么就要在55=3125個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難度較大.前期的研究中，我們采用的是單因素輪換法.單因素實(shí)驗(yàn)以一個(gè)因素為變量，其他因素固定.單因素輪換的缺點(diǎn)是在對(duì)實(shí)驗(yàn)各因素都不了解，尤其是對(duì)其之間的相互作用一無(wú)所知的情況下，固定其它因素的水平，這勢(shì)必會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.而正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以用部分實(shí)驗(yàn)來(lái)代替全面實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面實(shí)驗(yàn)的情況，減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù).而且，它能夠通過(guò)極差分析明確各影響因素的主次順序.因此，本文擬采用正交實(shí)驗(yàn)法以降低選擇染料最佳消解條件的盲目性.

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)儀器與試劑、實(shí)驗(yàn)方法均參見文獻(xiàn)［1］.其中，吸光度的變化值ΔA=A0－A，A0為光催化前Cr2的吸光度值，A為光催化后溶液中剩余Cr2O72－的吸光度值.

2.1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表的確定

根據(jù)光催化氧化測(cè)定COD的相關(guān)文獻(xiàn)［2-8］，pH值、TiO2用量、K2Cr2O7初始濃度、反應(yīng)溫度、紫外光照時(shí)間等對(duì)有機(jī)物的光催化消解結(jié)果有顯著影響.在正交實(shí)驗(yàn)中，把實(shí)驗(yàn)需要考察的結(jié)果稱為指標(biāo)，本文中實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)是吸光度的變化值ΔA.在實(shí)驗(yàn)中要考察的對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)可能有影響的因素簡(jiǎn)稱為因素，本文中需要考察pH值(A)、TiO2用量(B)、K2Cr2O7初始濃度(C)、反應(yīng)溫度(D)、紫外光照時(shí)間(E)5個(gè)因素.每個(gè)因素在實(shí)驗(yàn)中要比較的具體條件稱為水平，每個(gè)因素比較5種不同的條件，如0.5、1.0、1.5、2.0、3.0就是pH值這個(gè)因素的5個(gè)水平(見表1).

表1 因素水平表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)方案，按各號(hào)實(shí)驗(yàn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了TiO2-K2Cr2O7協(xié)同光催化氧化體系消解染料甲基橙的實(shí)驗(yàn)，用分光光度法測(cè)定了光催化前后Cr2O72－吸光度變化值(ΔA)，將這25個(gè)數(shù)據(jù)填入表2，極差分析結(jié)果見表3.表3中，Ki為某列因素i水平所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和，即每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為i的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的和.如A因素(pH值)所在列的K1，即為其所有1水平(pH=0.5)所得到的吸光度變化值ΔA的和，K1=0.08+0.153+0.121+0.139+0.168=0.661.在計(jì)算完各因素列的Ki值之后，再計(jì)算每一列的Ki中最大值和最小值之差，即每個(gè)因素下K的最大值減最小值，這個(gè)差值稱為極差，記作R.例如，第一列(A因素)R=0.831－0.505=0.326.每一列算出的極差大小，反映了該列因素選取的水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)影響的大小.R越大，說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，根據(jù)R大小，可以判斷因素的主次順序.

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

續(xù)表2

表3 極差分析表

比較 A 列 K1、K2、K3、K4、K5的大小時(shí)，可以認(rèn)為 B、C、D、E 對(duì) A 列 K1、K2、K3、K4、K5的影響大體相同.因此，可以把A列K1、K2、K3、K4、K5之間的差異看作是由于A取了5個(gè)不同的水平而引起的.選取因素的水平是與要求的指標(biāo)有關(guān)的，要求的指標(biāo)越大越好，應(yīng)該取使指標(biāo)增大的水平，即各因素列K1、K2、K3、K4、K5中最大的那個(gè)水平.所以，我們可以由Ki值大小判斷各因素的水平的最優(yōu)組合，從表3得到的結(jié)論是 pH 值為 1.0，TiO2量為 1.0g·L－1，K2Cr2O7的初始濃度為 10mmol·L－1，反應(yīng)溫度為90℃，紫外光照時(shí)間為12min為該實(shí)驗(yàn)的最佳條件.

A列R值最大，說(shuō)明因素A水平變動(dòng)時(shí)，指標(biāo)波動(dòng)最大，對(duì)指標(biāo)的影響最大，為最主要影響因素.由表3可知，pH值對(duì)染料消解的影響是最大的，其次是K2Cr2O7濃度，再次是催化劑用量，反應(yīng)溫度和紫外光照時(shí)間的影響較小.pH值和K2Cr2O7濃度反映的是氧化劑因素，催化劑用量反映的是光催化劑因素，反應(yīng)溫度和紫外光照時(shí)間反映的是反應(yīng)條件因素，可見TiO2-K2Cr2O7協(xié)同體系的兩個(gè)組分對(duì)染料消解的影響都較大.

3 結(jié)論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，本文確定了5個(gè)因素對(duì)染料消解的影響程度從大到小依次為pH值＞K2Cr2O7濃度＞TiO2用量＞反應(yīng)溫度＞紫外光照時(shí)間;得出當(dāng)pH值為1.0，TiO2量為1.0g·L－1，K2Cr2O7的初始濃度為10mmol·L－1，反應(yīng)溫度為90℃，紫外光照時(shí)間為12min時(shí)，TiO2-K2Cr2O7協(xié)同體系對(duì)甲基橙模擬廢水具有最明顯的光催化消解效果.

［1］張一平.TiO2-K2Cr2O7協(xié)同光催化氧化體系快速測(cè)定染料濃度［J］.浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3):103-108.

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