正交实验去除地表水中铊

陈 鑫

(株洲市水务投资集团有限公司， 湖南 株洲 412000)

正交实验设计是使用正交表来安排多因素、多水平实验，并采用统计学方法分析实验结果的一种实验设计方法[1]。它是从全面实验中挑出具有代表性的水平进行组合实验，对结果进行分析找出最优的水平组合。用正交表合理地安排实验，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

铊(Thallium，Tl)是目前毒性及危害性最大的稀有元素之一[2]，铊具有高毒性、蓄积性、神经毒性，因此带来的潜在的、长期的环境影响很大，其生产、使用和处理都需要严格地管理和控制[3]。近年来涉铊环境污染事件多发，2010 年广东韶关北江、2013 年广西贺江、2017 年四川嘉陵江、2018年湘赣两省交界区域渌江河相继发生涉铊突发水污染事件或铊浓度异常事件，对饮水安全等造成了一定影响[4]。

因此，要去除水中的低价态铊，需要首先将其氧化为高价态的铊，再通过混凝沉淀、过滤去除[5]。对被铊污染的地表水，利用铊被氧化被吸附的性质, 向水体中加入氧化剂、吸附剂,降低铊的活动速率并使之沉淀，而从水中去除。

首先进行单因素实验,在混凝实验模拟常规工艺的基础上，确定铊去除的主要影响因素。单因素主要包括聚合氯化铝(PAC)浓度、原水pH、活性炭浓度、高锰酸钾浓度。在确定影响铊去除因素的前提下，设计多因素实验、多水平实验，采用L9(34)正交实验表，以铊去除率为主要指标，结果经方差分析得出优化铊去除的实验条件。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

1.1.1 主要仪器

Agilent7800 ICP-MS，美国安捷伦公司；ZR4-6六联混凝实验搅拌器，深圳市中润水工业技术发展有限公司；pH计和电子天平。

1.1.2 主要试剂

高锰酸钾(分析纯)；粉末活性炭；聚合氯化铝PAC，水厂提供；氢氧化钠(分析纯)；盐酸(优级纯)；硝酸(优级纯)；铊标准储备液，国家标物中心；铊标准使用液(对铊标准储备液用体积分数为1%的HNO3稀释)。

1.1.3 实验水样制备

实验水样是由株洲市某水厂的原水加铊的标准储备液制成，制备的地表水样中铊的浓度为0.36～0.41 μg/L，原水的相关指标见表1，水质长期满足GB 3838-2002中Ⅲ类水的要求。原水的pH 的调节使用氢氧化钠和盐酸，根据需要在混凝搅拌前先调节好实验水样的 pH 值。

表1 原水水质指标Table 1 Raw water quality index

1.2 方 法

1.2.1 混凝实验

(1)混凝实验程序

混凝-沉淀-过滤，模拟水厂常规处理工艺。

表1 常规处理工艺Table 1 Conventional treatment process

(2)原水中加入混凝剂聚合氯化铝PAC，浓度为20 mg/L,另行说明除外。放入相同的实验杯中，至1000 mL刻度处，启动混凝实验搅拌器，程序参照(1)，沉淀时间到，取水样过滤，测定。采用ICP-MS法测定滤后水中铊浓度。

1.2.2 单因素实验

在实验1.2.1基础上, 分别加入一个单因素变量，进行混凝实验强化铊的去除。单因素变量分别为：PAC浓度、调节原水pH、粉末活性炭浓度、高锰酸钾浓度。如图1所示，实验结果以铊去除率为主要指标。

图1 混凝实验程序Fig.1 Coagulation test procedure

1.2.3 正交实验

通过单因素实验找到铊去除工艺的影响因素，将影响因素结合起来设计多因素实验、多水平实验，采用L9(34)正交实验表，以铊去除率为主要指标，结果经方差分析，优选这些因素的最佳水平。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果与讨论

单因素实验条件和结果如图2所示，实验结果以铊的去除率为主要指标。从图2a可以看出：在1.2.1混凝沉淀实验基础上，仅仅改变PAC浓度对铊的去除效果不明显。参照常规工艺，根据原水的浊度，确定PAC 的投加量为20 mg/L。在此基础上，改变原水pH 8.0～9.0(图2b)，投加活性炭10～50 mg/L(图2c)，投加高锰酸钾0.50～3.00 mg/L(图2d)，利于铊的去除，分别提高了10%～13%。

图2 单因素实验结果Fig.2 Single factor laboratory finding

2.2 正交实验设计优化工艺

通过单因素考察确定影响原水中铊去除的主要因素为原水pH、活性炭浓度、高锰酸钾浓度，采用 L9(34)正交实验表，以铊去除率为主要指标，结果经方差分析，优选这些因素的最佳水平。正交实验各因素水平安排见表2。

表2 因素水平表Table 2 Factors and levels

2.3 正交实验结果

正交实验安排及结果见表3，方差分析见表4。

表3 正交实验结果Table 3 Orthogonal experiment results

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

由表3可知，以A1B3C3组合为铊去除最佳条件，即活性炭浓度20 mg/L，高锰酸钾浓度8 mg/L，pH 为9.0。此外，由表3中极差R值大小可知，B因素对极差的贡献最大，C因素次之，A因素对极差的贡献最小，影响铊去除率的因素依次为B>C>A。

从表4方差分析的结果可以得出，A、B、C 3个因素中，B因素的P值PB<0.05，说明该因素显著，是重要因素，C因素P值0.050.20，说明该因素不显著。

2.4 最优条件验证

根据优化的实验条件，按照此工艺条件进行验证实验，分3批次进行，测定铊的去除率。达到预期的效果，工艺稳定可行，且重复性良好。

表5 实验验证结果Table 5 Test verification results

3 结 论

本实验主要研究了高锰酸钾浓度、活性炭浓度、调节pH 对原水中铊的去除的影响，实验结果表明铊去除最佳实验条件为活性炭浓度20 mg/L，高锰酸钾浓度8 mg/L，pH 为9.0。此条件下铊的去除率达到73%。

方差分析得出，在铊去除实验中，高锰酸钾浓度最关键，最显著，其次是调节原水pH，然后是活性炭浓度。

高锰酸钾是强氧化剂，氧化原水中的铊，使之形成沉淀而从水中除去。

pH值增高有利于高锰酸钾氧化速度加快和反应物的沉淀，考虑到国家《生活饮用水卫生标准》对pH 的规定，建议调节原水pH不高于9.0，才能保证工艺滤后水不高于8.5。

活性炭虽然对铊的去除效果不显著，但可以与过量高锰酸钾反应，去除水中锰的含量。可以适量增加活性炭的投加量，保证滤后水中的锰含量小于0.2 mg/L,滤后水不会出现泛红现象，降低出厂水的色度。