铜是人体所必须的微量元素之一，它主要通过食物链进入人体｡但人体内铜的含量超标会导致中毒，出现呕吐､抽筋､惊厥等不良反应，甚至死亡｡铜在工业中应用较广，工业生产会产生大量的含铜废水｡目前，含铜废水的处理方法包括化学沉淀法､铁氧体法､离子交换法､吸附法､电解法､膜分离法､晶析法､电渗析法等｡吸附法作为一种重要的重金属废水处理方法已经得到了广泛应用｡
本实验自配含Cu2+的模拟溶液，以D401螯合树脂为吸附材料，在单因素试验的基础上，采用响应曲面法(response surface methodology，RSM)对影响树脂吸附的各因素的交互作用进行研究，确定最佳的测定条件｡
1､实验
1.1 原料与试剂
五水合硫酸铜；硝酸；氢氧化钠；D401树脂。实验所用试剂均为分析纯，用水均为超纯水(电阻率为18.25MΩ•cm)｡
1.2 仪器与设备
AEY-220型电子分析天平；电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES，ThermoFisher Scientific)；PHS-3C型pH测量仪；旋转振荡器；超纯水系统｡
1.3 树脂预处理
(1)称取一定量的树脂；
(2)用蒸馏水浸泡24h并过滤；
(3)用1mol/L的盐酸浸泡2h并过滤；
(4)用蒸馏水反复洗涤至流出液的pH值为7；
(5)用1mol/L的氢氧化钠浸泡2h并过滤；
(6)用蒸馏水反复洗涤至流出液的pH值为7；
(7)反复操作几次后，用去离子水浸泡，待用｡
1.4 响应曲面法实验设计
选取pH值､温度､Cu2+的初始质量浓度为自变量，振荡时间为3h，树脂质量为0.4g｡采用Design-Expert软件的Box-Behnken设计进行响应曲面分析，以吸附量为响应值，通过响应曲面分析优化反应条件｡实验设计如表1所示｡
2､结果与讨论
2.1 pH值对吸附量的影响
分别称取10份质量为0.4g的经过预处理的树脂于250mL锥形瓶中，加入150mL初始质量浓度为600mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氢氧化钠调节pH值为1~5；在30℃下置于恒温振荡器中，以130r/min的转速振荡3h，使吸附达到平衡｡用ICP-AES测定平衡时溶液中Cu2+的质量浓度｡每组设两个平行实验｡
pH值通过影响树脂表面的金属离子吸附位点和溶液中金属离子的状态，从而影响金属离子在树脂上的吸附量｡pH值对铜吸附效果的影响如图1所示｡由图1可知：当pH值为1~3时，D401树脂对铜的吸附量随pH值的增大而增大；当pH值超过3时，吸附量有所减小｡这是因为当pH值过低时，强酸性环境抑制了D401树脂上的活性吸附基团，导致吸附量较低｡而当pH值过高时，溶液未能提供吸附所需的酸性环境，并且当pH值超过5.5时Cu2+开始沉淀｡因此，本实验适宜的pH值为3~5｡
2.2 温度对吸附量的影响
分别称取10份质量为0.4g的经过预处理的树脂于250mL锥形瓶中，加入150mL初始质量浓度为600mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氢氧化钠调节pH值为3；分别在5℃､15℃､25℃､35℃､45℃下置于恒温振荡器中，以130r/min的转速振荡3h，使吸附达到平衡｡用ICP-AES测定平衡时溶液中Cu2+的质量浓度｡每组设两个平行实验｡
温度对铜吸附效果的影响如图2所示｡由图2可知：随着温度的升高，树脂对铜的吸附量不断增大｡这可能是因为随着温度的升高，Cu2+扩散到树脂微孔内的速率加快｡当温度升高到一定程度以后，吸附量增加缓慢｡因此，本实验适宜的温度为25~45℃｡
2.3 Cu2+的初始质量浓度对吸附量的影响
分别称取10份质量为0.4g的经过预处理的树脂于250mL锥形瓶中，加入150mL初始质量浓度为300mg/L､400mg/L､500mg/L､600mg/L､700mg/L的Cu2+，用稀硝酸或氢氧化钠调节pH值为3；在35℃下置于恒温振荡器中，以130r/min的转速振荡3h，使吸附达到平衡｡用ICP-AES测定平衡时溶液中Cu2+的质量浓度｡每组设两个平行实验｡
Cu2+的初始质量浓度对铜吸附效果的影响如图3所示｡由图3可知：随着Cu2+的初始质量浓度的增加，Cu2+的吸附量逐渐增大｡这是因为当溶液的质量浓度增加时，会有更多Cu2+与树脂吸附｡当溶液的质量浓度增至一定程度时，树脂逐渐达到饱和吸附量｡因此，本实验适宜的Cu2+的初始质量浓度为400~800mg/L｡
2.4 响应曲面结果
2.4.1 模型的建立及其显著性检验
D401树脂对Cu2+的吸附响应曲面结果如表2所示｡
用DesignExpert软件对表2中的数据进行多元回归拟合，得到二次多项回归方程：Y=-543.50+116.65×A+11.27×B+0.44×C-0.47×AB-9.57×10-3×AC-2.57×10-3×BC-10.69×A2-0.09×B2-2.18×10-4×C2｡其中：A､B､C分别是上述三个因素的编码｡
对回归模型进行方差分析，结果见表3｡由表3可知：模型显著(p<0.0001)，模型确定系数R2=0.9814；A､B项对吸附量的影响较大，而B2的影响很小｡
2.4.2 响应曲面分析与优化
根据Design-Expert软件拟合的多元回归方程作响应曲面图，研究pH值､温度和Cu2+的初始质量浓度对吸附量的影响｡响应曲面及其等高线如图4､图5､图6所示｡
图4､图5､图6中所示的等高图，表示两因素的交互组合得到相同的吸附量｡从图4中可以看出，pH值越接近4.5，温度越高，吸附量越大｡从图5中可以看出，pH值越接近4.5，随着Cu2+的初始质量浓度的增加，吸附量增大｡从图6中可以看出，Cu2+的初始质量浓度和温度对Cu2+的吸附存在交互作用，Cu2+的初始质量浓度和温度越高，吸附量越大｡通过软件分析，得到吸附过程的最佳条件为：pH值4.35，温度40.56℃，Cu2+的初始质量浓度616.46mg/L，最大吸附量82.64mg/g｡
2.4.3 模型的验证
为了方便实际操作，将实验条件修正为：pH值4.35，温度40.00℃，Cu2+的初始质量浓度620mg/L｡在此条件下进行三次实验，得到三次吸附量的平均值为83.34mg/g，与模型预测值基本一致｡
3､结论
本实验在单因素试验的基础之上，通过Design-Expert软件拟合得到多元回归模型，并验证了模型的可靠性｡根据响应曲面图优化结果和实际操作性，确定吸附的最佳条件为：pH值4.35，温度40.00℃，Cu2+的初始质量浓度620mg/L，最大吸附量83.34mg/g｡实际响应值和预测的最大吸附量拟合较好，说明采用Box-Behnken设计的实验和响应曲面法在树脂吸附重金属方面具有较大的指导意义｡(来源：湖南永清环保研究院有限责任公司，衡阳师范学院生命科学与环境学院，湖南永清水务有限公司)
