響應(yīng)面分析法優(yōu)化碳酸鍶廢渣酸浸取工藝的研究*

金建華，楊占?jí)郏瑬|軍山，周成財(cái)

（1.青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007；2.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所）

響應(yīng)面分析法優(yōu)化碳酸鍶廢渣酸浸取工藝的研究*

金建華1，楊占?jí)?，東軍山1，周成財(cái)1

（1.青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007；2.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所）

以碳還原法生產(chǎn)碳酸鍶產(chǎn)生的鍶廢渣為原料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硝酸酸浸廢渣中的鍶鹽，研究了該浸取工藝中浸取時(shí)間、溶液pH、浸取溫度對(duì)鍶浸取率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以鍶浸取率為響應(yīng)指標(biāo)，采用響應(yīng)面分析法確定了最優(yōu)鍶浸取率的工藝條件：浸取時(shí)間為90.89min、溶液pH為1.08、浸取溫度為22.76℃。在此條件下得到實(shí)際測量值為82.07%，與理論預(yù)測值82.14%基本吻合。該研究可為提高鍶資源的利用率提供參考。

響應(yīng)面法；鍶廢渣；碳還原法；碳酸鍶

鍶鹽是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品［1］，目前中國以天青石為原料生產(chǎn)碳酸鍶通常采用碳還原法［2-3］。該生產(chǎn)工藝設(shè)備簡單、生產(chǎn)成本低，但是對(duì)鍶的利用率較低，通常在75%以下。用水浸取熟料后，濾渣中含有較多的鍶，如果不能妥善處理，不僅會(huì)造成鍶資源的大量浪費(fèi)，而且廢渣長期堆放對(duì)環(huán)境也有嚴(yán)重的危害［4］。目前，對(duì)鍶廢渣的處理和應(yīng)用主要集中于鋪路、建筑水泥材料等方面，雖然從一定程度上減少或緩解了鍶廢渣的污染，但廢渣中的鍶仍未得到妥善的回收利用，無法根本上解決鍶資源的浪費(fèi)問題。響應(yīng)面分析法（RSM）是一種通過對(duì)回歸方程模型的分析來尋求最優(yōu)工藝條件，并解決多個(gè)自變量問題的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法［5-9］。筆者以影響鍶浸取率的因素為對(duì)象，鍶浸取率作目標(biāo)響應(yīng)值，利用響應(yīng)面分析法進(jìn)行3水平3因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)考察了各個(gè)因素的相互作用關(guān)系，確定最佳浸取工藝條件，擬合出響應(yīng)值與影響因子間的方程模型，以期為碳酸鍶廢渣綜合利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原料與儀器

原料與試劑：青海海西天青石碳還原法生產(chǎn)碳酸鍶鍶渣（鍶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%左右），硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%），0.020mol/L乙二胺四乙酸（EDTA）標(biāo)準(zhǔn)溶液。

儀器：HH-6型恒溫水浴箱、電動(dòng)攪拌器、SHB-3型真空泵、PHS-3CB型酸度計(jì)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

少量未水解的SrS、SrSiO3、SrCO3與未被煤還原的SrSO4等為濾渣中鍶存在的形式，濾渣加入浸取劑硝酸的化學(xué)反應(yīng)式：

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

將粉碎至粒徑約為85.6μm的鍶廢渣，用水調(diào)漿后置于恒溫水浴箱中，在一定溫度下，緩慢加入不同量的硝酸溶液，攪拌調(diào)節(jié)料漿至不同pH，反應(yīng)一段時(shí)間后，料漿真空抽濾，用水洗滌濾餅，收集濾液和洗液，再用EDTA容量法準(zhǔn)確測定出溶液中Sr2+的含量，從而計(jì)算出鍶廢渣硝酸浸取鍶的浸取率。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

1）浸取時(shí)間。取50 g鍶渣，加100mL水調(diào)漿后置于恒溫水浴箱中，在20℃下，緩慢加入硝酸溶液，攪拌調(diào)控溶液的pH為1.0，浸取一段時(shí)間，抽濾，收集濾液，得到含鍶溶液。實(shí)驗(yàn)考察了不同浸取時(shí)間對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖1a。由圖1a可以看出，鍶浸取率隨著浸取時(shí)間的延長而增大，當(dāng)酸浸時(shí)間超過90min后，浸取時(shí)間對(duì)鍶含量變化的影響不明顯，說明反應(yīng)已趨于完全。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選取浸取時(shí)間60、90、120min作為響應(yīng)面分析法優(yōu)化酸浸取工藝的考察水平。

2）浸取溶液pH。取50 g鍶渣，加100mL水調(diào)漿后置于恒溫水浴箱中，在20℃下，緩慢加入硝酸溶液，攪拌浸取90min，抽濾，收集濾液，得到含鍶溶液。實(shí)驗(yàn)考察了不同pH對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖1b。由圖1b可以看出，在溶液的pH＞1時(shí)，隨著溶液酸度的增加，溶液鍶含量也不斷增大，當(dāng)溶液的pH＜1后，增加溶液的酸度對(duì)鍶含量影響不顯著，說明在此階段溶酸的鍶鹽基本已反應(yīng)完全?？紤]原料成本和副反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)選取pH為0.5、1.0、1.5作為響應(yīng)面分析法優(yōu)化酸浸取工藝考察水平。

3）浸取溫度。取50 g鍶渣，加100mL水調(diào)漿后置于恒溫水浴箱中，緩慢加入硝酸溶液，攪拌調(diào)控溶液的pH為1.0，保溫浸取90min，抽濾，收集濾液，得到含鍶溶液。實(shí)驗(yàn)考察了不同浸取溫度對(duì)鍶浸取率的影響，結(jié)果見圖1c。由圖1c可以看出，鍶浸取率隨著溫度的升高呈減小趨勢，且20℃時(shí)鍶浸取率達(dá)到最大。硝酸在較高溫度下易發(fā)生分解反應(yīng)，綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選取浸取溫度為20、30、40℃作為響應(yīng)面分析法優(yōu)化酸浸取工藝考察水平。

圖1 浸取時(shí)間（a）、浸取溶液pH（b）、浸取溫度（c）對(duì)鍶浸取率的影響

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝

利用單因素實(shí)驗(yàn)提供的信息，以鍶浸取率為響應(yīng)指標(biāo)，選取溶液pH、浸取溫度、浸取時(shí)間等3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面分析法中Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表1、表2所示。2.2.1 響應(yīng)面分析法優(yōu)化模型建立及方差分析

表1 Box-Behnken的中心組合因素水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

通過design expert8.0.6軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，擬合得到鍶浸取率與溶液pH、浸取溫度、浸取時(shí)間的二次多項(xiàng)式回歸模型：

Y=61.73+0.32A-0.71B+0.49C-1.46AB+0.93AC+1.42BC-

2.63 A2-1.29B2-2.32C2

該回歸方程的決定系數(shù)R2=0.944 5，表明該方程的擬合度較高，可較好地預(yù)測和分析鍶浸取率。

表3為二階多項(xiàng)式模型方差分析。由表3可以看出，失擬項(xiàng)F=5.64，P(Pr＞F)=0.574＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，模型P(Pr＞F)＜0.000 1，表明該二次多項(xiàng)式回歸方程可信度高，方程能較好地預(yù)測和分析鍶浸取率。由圖4也可以看出，鍶浸取率實(shí)際值與方程預(yù)測值在一條直線上分布，表明方程預(yù)測值與鍶浸取率實(shí)際值擬合效果好。

表3 二階多項(xiàng)式模型方差分析

由各因素的F值可知，一次項(xiàng)B、A、C對(duì)Y值的影響極為顯著（P＜0.01），交互項(xiàng)AB、AC、BC對(duì)Y值的影響極為顯著（P＜0.01），二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)Y值的影響也極為顯著（P＜0.01），一次項(xiàng)對(duì)Y值影響大小依次為B＞C＞A，即浸取溫度＞浸取時(shí)間＞pH。

圖2 鍶浸取率實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值比較

圖2為鍶浸取率實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的比較。由圖2可以看出，鍶浸取率實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值分布幾乎在一條直線上，說明實(shí)際值與預(yù)測值擬合效果非常好。

圖3～5為各因素之間交互作用對(duì)鍶浸取率的影響。從圖3～5可知，浸取液pH、浸取溫度、浸取時(shí)間這3個(gè)因素兩兩之間交互作用的響應(yīng)曲面坡度較陡峭，表明3因素之間存在明顯的交互作用，這與方差分析結(jié)果相符。

圖3 溶液pH和浸取溫度對(duì)鍶浸取率的交互影響

圖4 溶液pH和浸取時(shí)間對(duì)鍶浸取率的交互影響

圖5 浸取時(shí)間和浸取溫度對(duì)鍶浸取率的交互影響

2.2.2 鍶浸取率優(yōu)化工藝條件及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化工藝結(jié)果得到優(yōu)化工藝條件：溶液pH為1.08、浸取溫度為22.76℃、浸取時(shí)間為90.89min，在該優(yōu)化條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，得到鍶浸取率的平均值為82.07%，其與預(yù)測的優(yōu)化值82.14%基本吻合，也進(jìn)一步闡明了回歸方程的有效性。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)是在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以鍶浸取率為響應(yīng)，利用響應(yīng)面分析法對(duì)鍶廢渣酸浸取的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到浸取工藝的優(yōu)化條件。在此條件下，鍶浸取率可達(dá)82.07%，與預(yù)測值82.14%基本一致，說明響應(yīng)面法得到鍶浸取工藝的優(yōu)化條件真實(shí)可靠，得到的工藝簡單、快速，鍶浸取率高，可為提高鍶資源的利用率提供參考。

［1］ 劉牡丹，李光輝，董海剛，等.中國碳酸鍶工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2006，38（1）：9-12.

［2］ 金建華，楊占?jí)郏难嗫?天青石精礦粉制備碳酸鍶實(shí)驗(yàn)研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2016，48（2）：30-32.

［3］ 金建華，楊占?jí)?，李傲，?鍶廢渣制備鍶鹽酸浸取工藝關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2016，48（8）：60-62.

［4］ 田文玉，唐伯明，趙美玲，等.碳酸鍶生產(chǎn)中“三廢”綜合利用研究［J］.裝備環(huán)境工程，2007，4（4）：85-89.

［5］ 殷娣娣，高乃云，高夢鴻，等.響應(yīng)面分析法優(yōu)化太湖原水作為水廠水源的預(yù)處理工藝［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2015，47（1）：192-199.

［6］ 程亮，侯翠紅，戴啟軍，等.多功能納米腐植酸的制備及抗菌性能研究［J］.化工新型材料，2014，42（11）：30-34.

［7］ Liu B J，Lv X，Meng X H，etal.Removal of Pb（Ⅱ）from aqueous solutionusingdithiocarbamatemodified chitosanbeadswith Pb（Ⅱ）asimprinted ion［J］.ChemicalEngineering Journal，2013，220：412-419.

［8］ XuM，Wang H J，Di L，etal.Removalof Pb（Ⅱ）form aqueoussolution by hydrousmanganese dioxide：Adsorption behaviorandmechanism［J］.Journal of Environmental Sciences，2013，25（3）：479-486.

［9］ BoxGEP，HunterWG．Statistics from experiments：An introduction to design，data analysis andmodel building［M］．New York：Wiley，1990.

Optim ization ofacid leaching processof strontium residueby response surfaceanalysis

Jin Jianhua1，Yang Zhanshou2，Dong Junshan1，Zhou Chengcai1
（1.SchoolofChemistry and ChemicalEngineering，QinghaiUniversity for Nationalities，Xining 810007，China；2.QinghaiSalt Lake Research Institute，Chinese Academy ofSciences）

Strontium saltwas extracted with 30%（mass fraction）nitric acid from strontium slag produced in the strontium carbonate production by carbon reductionmethod.The influences of leaching time，pH of the solution，and leaching temperature on the strontium leaching rate were investigated.On the basis of single factor experiment，taking the strontium leaching extraction rate as response indicator，the optimal Sr leaching process conditionswere confirmed by response surface analysis method:leaching timewas90.89min，pH of the solutionwas1.08，and extraction temperaturewas22.76℃.Under those conditions，the actualmeasurement value was 82.07%which basicallymet the theory predict value of 82.14%.This study can provide the reference for the improvementofstrontium resourcesutilization.

response surfacemethodology；strontium waste residue；carbon reductionmethod；strontium carbonate

TQ132.33

A

1006-4990（2017）05-0052-04

2016-11-11

金建華（1965— ），女，教授，主要從事化學(xué)與應(yīng)用方面的研究。

青海省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013-G-204-1）。

聯(lián)系方式：jinjianhua_94@163.com