基于大孔硅胶电渗再生的正交回归实验

段东新，刘晓宇，何 静，韩天一

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

大孔硅胶目前在民用、化工、煤矿领域的空气除湿上应用越来越广。为了使硅胶能够循环使用，必须对其进行再生。而传统的热能再生法[1]能耗大，为满足环保、节能、安全的要求，电渗再生的方法越来越受到关注[2-3]。

正交试验设计简称正交设计，它是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法，是一种将正交设计与回归分析的优点相结合的实验设计和实验数据处理方法。通过合理的实验设计以及较少的实验次数，建立有效的数学模型，它可以在因素的实验范围内选择适当的实验点，采用较少的实验建立一个高精度、统计性质好的回归方程，从而解决实验优化问题。本文作为进一步研究将正交回归实验应用到分析大孔硅胶电渗再生效果中，在研究固体除湿剂电渗再生应用领域提供有益的参考。

1 正交回归实验

1.1 实验指标的选取

硅胶在电渗作用下的出水量越大表明电渗再生效果越好，而在某些情况下，受除湿剂厚度、电压大小、除湿剂含水率等因素影响并没有出现再生水，但并不能说明除湿剂不存在电渗再生效应。而该过程中产生的电流i主要有两部分组成，分别是离子流动而产生的电流i1和水分的传导电流i2。因此，本文中以电流的变化为实验指标，这是因为在整个过程中，传导电流i2基本不发生变化，可以根据试验过程中的电流i变化即离子流动而产生的电流i1来判定除湿剂的电渗效应以及水分的迁移，电流i越大，电渗效应越强。

1.2 实验方法

正交回归实验装置如图1，实验指标为电流y，影响实验指标的因素主x 要有两个：电压(V)、含水量(g/g)[4]。结合本文的实验研究以及参考前人研究知，电压对电渗效应影响较大，电压越大，电渗效应越好，由于焦耳热效应和电极腐蚀，因此，电压的范围是30～60 V。由张桂英等对大孔硅胶吸湿和电渗再生性能研究可知，大孔硅胶在95%相对湿度时的饱和含水量为1.13 g/g，同时在含水量为0.9 g/g时电流变化很小，电渗效应不明显，因此，含水量的范围为0.9 g/g～1.13 g/g。在此基础上通过该装置可测得各因素的数值，具体实验方法如下：

1-直流电源;2-烧杯;3-高精度电子天平;4-漏斗；5-负极板;6-电导仪;7-硅胶;8-正极板;9-数据采集仪;10-电脑

图1 电渗再生实验台

(1)电压的测定：硅胶两端分别与直流电源的正负极相连，实验过程中改变电压值，观察电流的示数变化和烧杯中出水量，同时记录下数据采集仪采集到的数据。

(2)硅胶含水量的测定：采用称重法测出硅胶的含水量。电渗再生过程中，硅胶与极性水发生电化学反应，利用电导仪可测试溶液的导电率，可进一步了解硅胶的电渗再生效果。

1.3 模型求解

在实际生产和科学试验中，试验指标与试验因素之间的关系往往不宜用一次回归方程来描述，所以需用二次或者更高次的方程来拟合，故假设电压x1、含水量x2与试验指标y的二元二次回归方程为：

通过对各个实验因素进行编码，得到每个因素的规范变量zj。查表计算各个回归系数值，从而可以得到含规范变量zj的回归方程：

最后，通过显著性检验确定回归方程：

2 结果分析

由回归方程各项系数的大小可以初步判断各个因素对电流大小的影响程度，把回归方程用立体图来表达。从图2可以看出电压一定的情况下，电流随着含水量的增大而增大，含水量中离子浓度增大，从而电流值增大。越大，电流值越大，且变化的速率较快。在含水量一定的情况下，电流随着电压的增大而增大，电压越大电流值越大，变化速率较小。

图2 电压和含水量与电流之间的关系曲线图

从图3可以看出，随着电压值增加，电流值先增大后减小，这是由于电压不能无限增大过高的电压值会产生严重的焦耳热效应[5]，反而会破坏除湿剂的功能，影响除湿剂除湿再生效果。因此，超过电压的允许范围后会产生逆向效应，电流值会减小，不利于电渗效应的产生。此外，电流随着含水量的增加，电流值增大，且最优电压值逐渐变大。

图3 电压与电流的关系曲线图

从图4可看出，在实验范围内，随着电压的增大，电流值增大，最低含水量逐渐减小，这是由于电压增大，电流值增大，溶液中的离子浓度增大，所需含水量较小，电渗效果明显。

图4 含水量与电流的关系曲线图

3 结论

大孔硅胶在含水率较高和合适的电压下具有较为明显的电渗效应，电渗再生固体除湿剂有一定的可行性。正交多项式设计回归实验为探讨电渗再生的影响因素提供了新的思路。

[1] 方玉堂,郭敬化,李大艳,等.稀土改性分子筛的表征与性能[J].化工学报，2011，62(6):1581-1586.

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[4] 张桂英,邵双全,楼向明,等.常用固体除湿剂吸附机理与电渗再生效果研究[J].制冷学报,2014,35(1):8-13.

[5] 綦戎辉,田长青,邵双全.固体除湿剂电渗再生[J].化工学报,2013,61(3):642-647.