甲萘酚也稱為1-萘酚或α-萘酚，它是一種重要的合成原料和中間體，廣泛應用于染料和醫藥行業，世界每年的產量為15 000 t。甲萘酚廢水色度深、成分復雜，對人體健康和環境危害大，有效處理甲萘酚廢水是當前研究者關注的熱點。
硅藻土是一種沉積巖，沉積巖是由被稱為單細胞淡水植物的硅藻骨骼經過長久的演變得到的。硅藻土的顆粒較細，是一種輕質物質。硅藻土具有很多獨特的物理和化學特性，如強抗酸性，高度發達的介孔結構，高機械強度，具有惰性，較好的絕熱性，高孔隙率和低的熱傳導性。這些特性使得硅藻土廣泛應用于吸附重金屬、垃圾滲濾液、染料廢水和焦化廢水等領域。
RSM 以統計學為基礎，用于設計實驗，評估單個變量以及單個變量之間的相互作用，可在有限的實驗次數下，通過分析回歸方程優化實驗操作的參數。
RSM 已在制漿廢水處理、物質提取、飲用水凈化、新材料合成[17]和等領域得到廣泛的應用。該試驗采用RSM 方法優化工藝條件，因為RSM 可以在較少的試驗次數和較短的時間對試驗參數進行研究，同時可以從圖形方面分析尋求最優值，得到最佳的工藝操作條件。以期為硅藻土處理甲萘酚廢水提供有效的技術參考和支持。
1 材料和方法
1.1 試驗試劑、儀器和水質
硅藻土選自宜興市君聯公司，其主要性能參數：密度2.0 g/cm3，堆密度0.65 g/cm3，比表面積55 m2/g，熔點1 650 ℃。K2Cr2O7（國藥集團化學試劑有限公司）、（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O（國藥集團化學試劑有限公司）、NaOH（國藥集團化學試劑有限公司）和H2SO4（國藥集團化學試劑有限公司）。所用試劑均為分析純。
6B-2000 型水質多參數速測儀（江蘇盛奧華環保科技有限公司）、PHB-9901 型pH 酸度計（上海光電器件總廠）。廢水取自常州市某化工廠，該水樣的水質指標為：COD 1 052 mg/L，pH 4.05，TN 120.2 mg/L。
1.2 試驗方法
采用1.00 mol/L NaOH 和1.00 mol/L H2SO4 調節pH，投加硅藻土吸附甲萘酚廢水，恒溫振蕩4 h 后，靜置取其上清液，采用重鉻酸鉀法檢測COD，計算COD的去除率。TN 采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，pH 采用PHB-9901 型pH 酸度計測定。利用RSM進行試驗的設計、參數優化和結果預測。
1.3 試驗設計
試驗選取硅藻土用量、pH 和溫度為試驗因素，以COD 去除率為響應值，按照CCD 法設計了一個三因素五水平的試驗方案。各因素水平和編碼見表1。
硅藻土用量、pH 和溫度作為自變量，以甲萘酚廢水的COD 去除率（y）為響應值，用多項式回歸分析對實驗數據進行擬合，可以得到二次多項式模型，其模型如下所示[18]：
式（1）中：y 為響應值；xi、xj 為實驗因素；β0 為常系數；βi 為線性系數；βii 為二次項系數；βij 為交互項系數；ε為隨機誤差。
二項式模型擬合質量的優劣是由決定系數（R2）所決定的，使用二項式模型和方差分析（ANOVA）對數據進行擬合和分析，以獲得自變量和響應變量之間的關系式。
2 結果和討論
2.1 回歸方程和數據分析
一共進行20 次試驗，每次試驗按照設計方案進行，然后測定COD，最后計算得到COD 去除率，試驗設計方案和結果見表2。
實驗序號6、7、8、11、13 和19 的實驗因素的條件都是相同的，主要是為驗證實驗的Pure error（純誤差）[19]，利用Design Expert 軟件對表2 的實驗數據進行多元回歸擬合，最后得到吸附劑用量、pH 和溫度與甲萘酚廢水COD 的去除率之間的二次多項式回歸方程，其表達式如下所示：
式（2）中：y 為硅藻土吸附降解甲萘酚廢水4 h 后COD 的去除率；x1、x2、x3 分別為硅藻土用量、pH、溫度。RSM 的方差分析結果見表3。
表3 給出了對上述回歸方程進行的方差分析結果。模型的統計顯著性是由F-value 確定，F-value 越大，則表明模型是顯著的。（Prob>F）小于0.050 0，表明模型因素項具有顯著性[20]，（Prob>F）大于0.100 0，認為模型因素項是非顯著性的。由表3 可知，二次多項式模型的F-value 為11.19 遠大于1，（Prob>F）小于0.050 0，說明回歸是顯著的。R2 為0.909 7，說明該回歸方程能較好地模擬真實的曲面。
圖1 為甲萘酚廢水COD 去除率的實際值與預測值的關系圖，由圖1 可知，這20 個點，基本分布在直線上，甲萘酚廢水COD 去除率的實際值和預測值的皮爾遜相關系數（pearson correlation coefficient）為0.954，進一步證明了預測值與實際值能較好的符合。
由以上的分析結果可知，模擬的二次模型具有顯著性。
2.2 響應面分析
為了更好地考察硅藻土用量、pH 及溫度三因素及其相互作用對處理甲萘酚廢水的影響，繪制了三維曲面圖。結果見圖2、圖3 和圖4 所示。
由圖2 可知，隨著硅藻土用量的增加，COD 去除率先增加后降低。當硅藻土用量為1.5 g時，去除效果最好，再繼續增加硅藻土用量時，去除率略有下降。這是因為隨著硅藻土用量的增加，吸附劑會提供更多的吸附點，因而COD 去除率升高，但是隨著硅藻土用量的繼續增加，硅藻土吸附負荷減少，解吸附力變大，造成單位質量的硅藻土吸附有機物減少，COD 去除率反而降低。
由圖3 可知，隨著溫度的升高，COD 的去除率在降低；而當溫度繼續增加時，趨勢出現了逆轉，COD 反而開始上升。其中，去除率在35 ℃時達到最低。這是由于在溫度較低時，吸附反應以放熱反應為主，因而隨著溫度升高，去除效果在降低；而在溫度較高時，吸附反應以吸熱反應為主，因而隨著溫度升高，去除效果變好；其中35 ℃即為一個轉折點。
由4 圖可知，隨著pH 的增加，COD 去除率先是降低；然而當pH 繼續增加時，情況發生了轉折，COD去除率反而開始增加，且斜率逐漸增大，去除效果越來越好。其中，當pH 為6 時，去除率達到最低。這是由于在pH 較低時，硅藻土表面質子化嚴重，呈正電性，易于吸附廢水中的負離子，而隨著pH 升高，質子化程度變低，吸附效果降低。
2.3 模型優化
利用Design Expert 軟件進行優化，得到最佳條件：硅藻土量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩時間為4 h 時，COD 去除率最大，實測值為78.2%，預測值為79.5%。由此可知預測值和實際值較為接近，這說明回歸得到的二次多項式模型能夠有效預測COD去除率。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
（1）利用Design Expert 軟件建立的響應面數學模型，其（Prob>F）<0.000 1，R2=0.909 7，表明模型是顯著的，回歸方程能較好地模擬真實的曲面。（2）采用響應面方法（RSM）優化硅藻土吸附處理甲萘酚廢水的實驗，最佳工藝條件為：硅藻土用量為0.5 g，pH 為1，溫度為45 ℃。恒溫振蕩4 h，廢水的COD 濃度由原始1 052 mg/L 降低至229 mg/L，硅藻土對COD 飽和吸附量最大達到了91.6 mg/g。去除率達到78.2%，與預測值79.5%接近，表明回歸得到的二次多項式模型能夠有效預測COD 去除率。
