響應(yīng)面分析法優(yōu)化微波輻射合成長(zhǎng)鏈咪唑型離子液體

呂崇福，孫 穎，丁 偉

(1.同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西大同 037001;2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318)

長(zhǎng)鏈溴代咪唑型離子液體實(shí)際應(yīng)用較少，可作為相應(yīng)的四氟硼酸或六氟磷酸類(lèi)離子液體的前驅(qū);其獨(dú)特的離子液體特性和表面活性特性越來(lái)越受到人們的關(guān)注［1］。響應(yīng)面分析法是將體系的響應(yīng)(如萃取化學(xué)中的萃取率)作為一個(gè)或多個(gè)因素(如萃取劑濃度、酸度等)的函數(shù)，運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來(lái)，以供憑借直覺(jué)的觀察來(lái)選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化條件［2－3］。筆者利用響應(yīng)面分析法設(shè)計(jì)試驗(yàn)考察結(jié)果與參數(shù)變量間的關(guān)系，并求得微波輻射合成長(zhǎng)鏈咪唑型離子液體［4－6］參數(shù)變量的系數(shù)，從而建立響應(yīng)面與參數(shù)變量間的函數(shù)關(guān)系，得出了微波輻射合成溴代十四烷基咪唑型離子液體最適宜的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

N－甲基咪唑，溴代十四烷，均為工業(yè)級(jí)，氮?dú)獗Ｗo(hù)下蒸餾后使用;甲苯，分析純。

DZG－6020型真空干燥箱;KD20G－CF(B)型微波爐;R－201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海申勝實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

溴化1－十四烷基－3－甲基咪唑的合成見(jiàn)圖1。

圖1 微波輻射合成溴化1－十四烷基－3－甲基咪唑

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面3因素5水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3.1 回歸方程的方差分析

對(duì)表1中產(chǎn)品收率Y及3個(gè)因素X1、X2、X3的數(shù)值，利用Design Expert7.0軟件進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程:

回歸分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 回歸方程的方差分析

由F檢驗(yàn)，當(dāng)Prob大于F的值小于0.05即可認(rèn)為該指標(biāo)顯著，小于0.01時(shí)即為高度顯著(Prob大于F的值為F檢驗(yàn)的P值)。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，回歸方程的顯著性相當(dāng)明顯，R2=0.908 6，進(jìn)一步對(duì)回歸方程各項(xiàng)作顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸方程顯著性檢驗(yàn)

由表3可以看出，各因素對(duì)產(chǎn)品收率都具有顯著性影響。因此回歸方程能夠模擬真實(shí)的曲面。為了更直觀的反應(yīng)各因素間的相互作用對(duì)收率的影響，采用Minitab軟件，作兩兩自變量為坐標(biāo)的3D圖。

3.2 響應(yīng)面3D圖分析

響應(yīng)面3D圖是特定的響應(yīng)面Y對(duì)應(yīng)于因素X1、X2、X3值(X1為微波反應(yīng)功率，X2為反應(yīng)物物質(zhì)的量比，X3為反應(yīng)時(shí)間)構(gòu)成的一個(gè)三維空間在二維平面上的等高圖，可以直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，從所得圖2～圖4可以分析出響應(yīng)值與影響因素之間的相互作用及關(guān)系。

圖2 微波功率與反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)收率的響應(yīng)面

圖2可以看出，保持反應(yīng)時(shí)間不變，當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)的量比較小時(shí)，總收率隨著微波功率的增加而增大，當(dāng)微波功率約為385 W時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大微波功率，收率隨著功率的增大而降低;在功率不變情況下，隨著反應(yīng)物物質(zhì)的量比增大，收率也逐漸增大，在1∶1.13時(shí)達(dá)到最大，但繼續(xù)增大時(shí)收率不會(huì)繼續(xù)增加。

圖3 微波功率與微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的響應(yīng)面

圖3可以看出，保持反應(yīng)物質(zhì)的量不變，當(dāng)微波反應(yīng)時(shí)間時(shí)較短時(shí)，總收率隨著微波功率的增加而增大，當(dāng)微波功率約為385 W時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大微波功率，收率隨著功率的增大而降低;在功率不變情況下，隨著微波反應(yīng)時(shí)間增加，收率也逐漸增大，在反應(yīng)時(shí)間約為420 s時(shí)達(dá)到最大，但繼續(xù)增大時(shí)收率不會(huì)繼續(xù)增加。

圖4 反應(yīng)物物質(zhì)的量與微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的響應(yīng)面

圖4可以看出，在微波反應(yīng)功率保持不變，當(dāng)微波反應(yīng)時(shí)間時(shí)較短時(shí)，總收率隨著反應(yīng)功率的增加而增大，當(dāng)反應(yīng)物物質(zhì)的量為1∶1.13時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大微波反應(yīng)時(shí)間，收率隨著功率的增大而降低;在反應(yīng)物物質(zhì)的量保持不變的情況下，隨著微波反應(yīng)時(shí)間增加，收率也逐漸增大，在反應(yīng)時(shí)間約為420 s時(shí)達(dá)到最大，但繼續(xù)增大時(shí)收率不會(huì)繼續(xù)增加。

由表2、表3中的數(shù)據(jù)分析表明，反應(yīng)功率和微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響是最顯著的?？梢岳蒙鲜龅姆治鲞M(jìn)行最優(yōu)工藝的推導(dǎo)，對(duì)回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)為零得到。

根據(jù)上式求解得到 X1=380.33，X2=1.04，X3=427.74，即工藝條件:反應(yīng)功率為 380.33 W，反應(yīng)物物質(zhì)的量比為1.04，反應(yīng)時(shí)間為427.74 s。以此條件下收率的預(yù)測(cè)值為93.72%，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到收率為94.14%。說(shuō)明響應(yīng)面分析法得出的最優(yōu)條件結(jié)果可靠。

4 結(jié)論

1)利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件 Design Expert，采用Central Composite Design建立了微波反應(yīng)功率X1、反應(yīng)物配比X2、微波反應(yīng)時(shí)間X3與收率的二次多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)模型。

2)回歸分析表明，相關(guān)系數(shù)R2=0.908 6，P＜0.000 1，表明回歸模型顯著，擬合程度好，通過(guò)模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，得到因素的主效應(yīng)關(guān)系為:反應(yīng)物物質(zhì)的量比＞微波反應(yīng)時(shí)間＞微波功率。

3)利用模型的響應(yīng)面對(duì)收率的影響因素及其相互作用進(jìn)行探討，優(yōu)化出微波輻射合成長(zhǎng)鏈咪唑型離子液體的工藝條件:反應(yīng)功率為380.33 W，反應(yīng)物物質(zhì)的量比為 1.04，反應(yīng)時(shí)間為427.74 s。收率的預(yù)測(cè)值為 93.72%，驗(yàn)證值為94.14%。理論值與驗(yàn)證值的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.995 9，證明此模型是合理可靠的，可用于預(yù)測(cè)。

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