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user: 3. 结果分析与讨论 3.1. 响应面设计结果 实验严格保持活性炭制备过程中的其他实验条件参数相同，对微波时间、木屑细度、固液比以及活化剂浓度进行四因素三水平的响应面分析实验。实验因素水平设计和结果如表2所示。产率及脱色率方差分析表如表3、表4所示。 由表3、表4可知，产率及脱色率所建立的回归模型显著，(P < 0.01)，活化剂浓度与时间对产率有显著影响，固液比与时间及目数与时间有明显的交互作用。活化剂浓度与固液比则对成品活性炭的脱色率(即吸附能力)有显著的影响，其中固液比与时间的交互作用最明显。 3.2. 回归分析 回归表明，产率与脱色率的决定系数分别为0.9866和0.9978，信噪比分别为38.216和92.848。这表明方程的拟合度和可信度均很高，可用于预测制备活性炭产品的产率和脱色率，C.V (变异系数)表示实验本身的精确度，C.V值越小，实验的可靠性越高，本实验中C.V较低，分别为1.59和1.80，说明实验操作可信度高，具有一定的实践指导意义 [ 13 ] 。 3.3. 产率模型分析 由图2(a)可知，在微波辐照时间较短时，产率较低，固液比对产率影响不大，当固液比为0.67时，活性炭的产率随时间出现先增大后减小的趋势，在9.82 min左右产率最大。而在时间相同的情况下，随固液比升高产率也会出现先下降后上升的趋势。在活化剂浓度与目数取中间水平，产率为51.63%时，随着微波辐照时间的增大，固液比相应的减小，且其减小的速率比时间要快，故在产率不变的情况下，适当增加辐照时间可以减少活化剂的用量。由图2(b)，时间一定，产率随目数增大即废木屑颗粒细度增出现先增大后减小的趋势，在目数为2.00 (即40~60)时，产率随时间增大而同样出现先增后减的趋势，并出现峰值，故适当提高废木屑细度可以减少微波辐照时间。而由图2(c)、图2(d)、图2(f)可知，在目数、固液比、时间一定的情况下，产率随活化剂浓度增大而出现先增后减的趋势，对产率影响显著，而在活化剂浓度水平较低时，目数、固液比、时间对产率均无显著影响。图2(e)中，产率都有随固液比和目数增加而先增后减的趋势，但响应面较平缓，故影响不显著。 对于活性炭产率而言，活化剂决定了制备过程中木屑的碳化程度，活化剂不足，碳化程度不够， Table 2 Experimental design and result of response surface analysi 试验号 A B C D 产率 脱色率 预测值 实际值 预测值 实际值 1 −1.000 −1.000 −1.000 −1.000 30.81 32.24 60.97 59.68 2 1.000 −1.000 −1.000 −1.000 31.38 31.03 58.89 55.04 3 −1.000 1.000 −1.000 −1.000 33.84 32.53 54.86 50.44 4 1.000 1.000 −1.000 −1.000 32.24 31.28 50.85 48.69 5 −1.000 −1.000 1.000 −1.000 31.83 32.06 65.94 65.04 6 1.000 −1.000 1.000 −1.000 31.59 31.59 62.78 61.58 7 −1.000 1.000 1.000 −1.000 36.10 32.99 62.56 60.68 8 1.000 1.000 1.000 −1.000 33.68 31.98 57.47 51.05 9 −1.000 −1.000 −1.000 1.000 36.06 35.01 72.13 72.14 10 1.000 −1.000 −1.000 1.000 34.20 33.97 73.01 73.30 11 −1.000 1.000 −1.000 1.000 41.93 38.59 70.72 70.33 12 1.000 1.000 −1.000 1.000 37.90 34.92 69.66 64.15 13 −1.000 −1.000 1.000 1.000 37.06 34.68 72.64 73.20 14 1.000 −1.000 1.000 1.000 34.39 32.95 72.44 70.45 15 −1.000 1.000 1.000 1.000 44.16 41.76 73.96 71.40 16 1.000 1.000 1.000 1.000 39.32 34.55 71.83 71.53 17 −2.000 0.000 0.000 0.000 33.10 36.02 71.82 73.26 18 2.000 0.000 0.000 0.000 28.83 32.01 67.61 74.18 19 0.000 −2.000 0.000 0.000 33.58 32.43 82.98 83.16 20 0.000 2.000 0.000 0.000 41.54 48.78 76.26 84.08 21 0.000 0.000 −2.000 0.000 37.98 39.33 58.21 62.87 22 0.000 0.000 2.000 0.000 40.43 45.18 65.34 68.68 23 0.000 0.000 0.000 −2.000 28.44 28.28 38.82 45.89 24 0.000 0.000 0.000 2.000 39.33 45.59 64.34 65.28 25 0.000 0.000 0.000 0.000 55.16 55.16 89.68 89.68 26 0.000 0.000 0.000 0.000 55.16 55.16 89.68 89.68 27 0.000 0.000 0.000 0.000 55.16 55.16 89.68 89.68 28 0.000 0.000 0.000 0.000 55.16 55.16 89.68 89.68 29 0.000 0.000 0.000 0.000 55.16 55.16 89.68 89.68 表2. 响应面分析实验设计及结果 Table 3 ANOVA of productivity regression mode 方差来源 方差平方和 自由度 均方值 F值 P值 模型 2079.19 14 148.51 491.78 <0.0001 A 47.60 1 47.60 157.62 <0.0001 B 208.51 1 208.51 690.43 <0.0001 C 200.57 1 200.57 664.14 <0.0001 D 1212.11 1 1212.11 4013.71 <0.0001 AB 0.14 1 0.14 0.48 0.4998 AC 1.95 1 1.95 6.44 0.0227 AD 0.41 1 0.41 1.36 0.2624 表3. 产率回归模型方差分析 Continued Table 4 ANOVA of decolorization regression mode 方差来源 方差平方和 自由度 均方值 F值 P值 模型 33.78 14 2.41 79.04 <0.0001 A 5.14 1 5.14 168.45 <0.0001 B 1.72 1 1.72 56.43 <0.0001 C 0.022 1 0.022 0.73 0.4072 D 19.89 1 19.89 651.56 <0.0001 AB 0.089 1 0.089 2.90 0.1093 AC 3.906E−003 1 3.906E−003 0.13 0.7256 AD 0.039 1 0.039 1.28 0.2761 BC 0.13 1 0.13 4.19 0.0587 BD 0.045 1 0.045 1.48 0.2427 CD 0.42 1 0.42 13.73 0.0021 A 2 0.084 1 0.084 2.75 0.1181 B 2 0.20 1 0.20 6.54 0.0219 C 2 2.28 1 2.28 74.74 <0.0001 D 2 2.90 1 2.90 95.08 <0.0001 残差 0.46 15 0.031 0.46 15 失拟 0.46 10 0.046 0.46 10 纯误差 0.000 5 0.000 0.000 5 总和 34.24 29 34.24 29 决定系数R 2 0.9866 0.9741 信噪比 38.216 C.V (%) 1.59 表4. 脱色率回归模型方差分 图2. 产率模型分析。(a) Y 1 = f(A， C)响应面立体图；(b) Y 1 = f(A， B)响应面立体图；(c) Y 1 = f(A， D)响应面立体图；(d) Y 1 = f(C， D)响应面立体图；(e) Y 1 = f(B， C)响应面立体图；(f) Y 1 = f(A， C)响应面立体图 产率降低，活化剂过量，活化剂在微波辐照过程中，会有剩余，导致部分木屑未碳化而致使产率降低；微波辐照时间不足，碳化程度不够，时间过长会使部分灰化，失去活性 [ 14 ] 。 3.4. 脱色率模型分析 由图3(a)可知，当微波辐照时间一定时，活性炭成品对甲基橙的脱色率随着固液比增大而先升高后降低，当固液比水平较低时，时间对脱色率的影响不显著，当固液比为0.67时，脱色率在时间为9.82时 图3. 脱色率模型分析。(a) Y 2 = f(A， C)响应面立体图；(b) Y 2 = f(A， B)响应面立体图；(c) Y 2 = f(A， D)响应面立体图；(d) Y 2 = f(B， D)响应面立体图；(e) Y 2 = f(B， C)响应面立体图；(f) Y 2 = f(C， D)响应面立体图 出现峰值。图3(b)中，时间为8 min时，目数变化对活性炭成品脱色率影响不大，目数一定时，脱色率随着时间增大而先增后减。由图3(c)、图3(d)可知，固液比不论在高水平还是低水平，目数和时间对脱色率影响都不显著，而目数和时间一定时，脱色率都会随活化剂浓度升高而增大。由图3(e)，响应面较平缓，目数一定，脱色率随固液比增大先增后减，而在固液比一定时，目数变化对脱色率几乎无影响。有3(f)可知，脱色率都会随固液比和活化剂浓度增大而增大并趋于平缓，且固液比增大趋势小于浓度，故活化剂对活性炭的脱色能力有决定性影响。 活性炭制备时的活化程度决定了活性炭的脱色能力，活性炭的脱色能力主要取决于本身的孔隙率，而活化剂的主要作用就是促使内部孔隙的生成，但活化剂过量(浓度过高、固液比过小)会导致碳化不完全，反而降低孔隙率 [ 15 ] 。 3.5. 样品表征 图4分别是木屑制备的活性炭实物样品图4(a)和扫描电镜(SEM)图4(b)。由实物照片可以看出，样品为细粒黑色。扫描电镜可以看出，其外表面粗糙，分布着许多镂空的微孔，微孔覆盖面积比较大，但是分布不均匀，其内部呈蜂窝状，孔隙横竖交错，以三维交错的网状孔道贯穿其中，具有发达的孔隙结构，较高的比表面积，然而孔径大小不一致，大小在0.2~3 μm之间孔隙的内表面凹凸不平。由于粗糙的内外表面，以及发达的孔隙，存在大量的毛细通道，使得其可以很好地克服固液之间的阻力，通过毛细作用将吸附到孔隙表面，并利用表面力将其束缚，这构成了活性炭对甲基橙具有物理吸附的主要条件。 图4. 样品的实物照片(a)和SEM (b)