響應(yīng)面優(yōu)化廢棄ABS鍍件退鍍工藝研究*

邱俊霖，容 新，梅銳明，鄭燕妮，麥雪瑩，穆筱梅

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510408)

ABS塑料表面覆蓋的一層金屬之后，不但具有金屬質(zhì)感和光澤，而且使用壽命會大幅度延長，因此近幾十年來，塑料電鍍行業(yè)發(fā)展迅速，塑料電鍍制品的種類呈直線上升[1]。但是廢舊ABS如果不加以有效地回收，會影響生態(tài)環(huán)境，污染了土壤和水資源，危害人類身體健康。另一方面還浪費資源，損失了大量的塑料和重金屬。因此合理地回收廢舊ABS電鍍件，可以很大程度上緩解了生態(tài)環(huán)境被破壞的危機(jī)，又能夠充分地利用這些廢舊ABS電鍍件，節(jié)省工業(yè)生產(chǎn)的成本。

本文探討采用硫酸和過氧化氫混合液對廢舊ABS電鍍件進(jìn)行退鍍處理。為進(jìn)一步的回收ABS和金屬進(jìn)一步提供工藝基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

ABS塑料鍍件(外徑10 mm，長80 mm的小段)；硫酸，天津市大茂化學(xué)試劑廠；過氧化氫，天津市大茂化學(xué)試劑廠；GZX-9140MBE數(shù)顯攪拌水浴鍋，深圳市瑞鑫達(dá)儀器有限公司；HH-W600數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，邦西儀器科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗

配制不同濃度的硫酸和過氧化氫溶液混合，與ABS電鍍件以不同的液固比在不同時間下混合退鍍。退鍍結(jié)束后，取出電鍍件洗干凈，干燥稱重。按照下式計算退鍍率。

上式中r為退鍍率，M1為廢ABS電鍍件的初始質(zhì)量，M2為廢ABS電鍍件浸泡某段時間后的質(zhì)量，M3為完全退鍍后的質(zhì)量。

1.2.2 響應(yīng)面法實驗設(shè)計

根據(jù)單因素實驗結(jié)果設(shè)計響應(yīng)面實驗，實驗安排如表1所示，并用Design-Expert (8.0.6版本)對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對退鍍率的影響

圖1 硫酸濃度對退鍍率的影響Fig.1 Effect of sulfuric acid concentration on deplating rate

在液固比為10:1，在室溫下浸泡退鍍1 h。實驗結(jié)果從圖1可以看出，當(dāng)硫酸濃度從10%增加到30%，退鍍率逐漸從12%增加到增32%，但是硫酸濃度超過20%，將釋放二氧化硫氣體，甚至?xí)gABS塑料表面，影響二次回收，所以硫酸濃度不宜過高，比較適宜的硫酸濃度為15%。當(dāng)在硫酸退鍍液中加入3%的雙氧水后，退鍍率明顯增加，10%濃度的硫酸溶液的退鍍率從12%增加到20%，30%濃度的硫酸溶液的退鍍率從32%增加到54%，雙氧水對硫酸的退鍍有很大的促進(jìn)作用。

2.2 過氧化氫濃度和時間對退鍍率的影響

圖2 過氧化氫濃度對退鍍率的影響Fig.2 Effect of hydrogen peroxide concentration on deplating rate

在液固比為10:1，10%的的硫酸和不同濃度的雙氧水混合在室溫下浸泡退鍍。結(jié)果從圖2可以看出，在相同的時間內(nèi)，過氧化氫濃度越高，退鍍率越高，在過氧化氫濃度低于4%時，退鍍率增加較多。過氧化氫濃度為2%增加到4%時，1 h退鍍率從45.6%增加到65%。但是當(dāng)過氧化氫濃度超過4%，增長幅度減緩，過氧化氫濃度為6%，退鍍率為75.1%，并且當(dāng)過氧化氫濃度過高時，比較容易揮發(fā)，所以過氧化氫濃度不宜過高，應(yīng)該低于6%。

同時，從圖2可以看到，退鍍率隨著退鍍時間的增加而增加，但是時間超過1.5 h，退鍍率增加緩慢。

2.3 液固比對退鍍率的影響

在10%的硫酸和2%的雙氧水混合液在室溫下以不同料液比浸泡1 h退鍍，結(jié)果從圖3可以看出，液固比越大，退鍍率越高。當(dāng)液固比為5～6時，溶液沒有能夠完全將ABS電鍍件完全浸沒，所以退鍍率較低，僅達(dá)50%。當(dāng)液固比從大于7時，退鍍率增長幅度減緩。所以液固比控制在7到10之間。

圖3 液固比對退鍍率的影響Fig.3 Effect of liquid-solid ratio on deplating rate

2.4 響應(yīng)面實驗設(shè)計結(jié)果

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以雙氧水和硫酸濃度，液固比和時間為主要影響因素，退鍍率為響應(yīng)值設(shè)計實驗，實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

表2 回歸方程的方差分析

注：p若小于0.05表示差異顯著，標(biāo)注為*，若p小于0.01表示差異很顯著，標(biāo)注為**。

用Design-Expert(8.0.6版本)對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到多元回歸擬合方程：

Y=33.96+0.36A+30.40B-13.43C-0.528D+0.28AB+0.16AC-0.04×10-3AD-1.45BC+0.78BD+0.26CD-0.03A2-4.94B2+4.44C2+0.08×10-3D2

在該模型中，回歸系數(shù)的顯著性檢驗表明硫酸和雙氧水濃度對退鍍率影響很大，料液比對實驗結(jié)果有一定的影響。四個因素的影響次序是：雙氧水濃度>硫酸濃度>料液比 >時間。有顯著影響因素的響應(yīng)面如圖4～圖6所示。響應(yīng)面是響應(yīng)值對對個實驗因素所構(gòu)成的三維空間曲線。因素影響越顯著，曲面弧度就越大，兩個因素交互作用顯著，等高線就是橢圓形。

由圖4可見，當(dāng)硫酸濃度(A)和雙氧水濃度(B)分別向峰值移動，隨著硫酸和雙氧水濃度的增加，退鍍率也不斷增加。雙氧水濃度(B)方向的等高線密度明顯高于硫酸濃度(A)方向的等高線密度，說明雙氧水濃度對退鍍率影響大。

圖4 Y(A,B)響應(yīng)面Fig.4 Y(A,B) response surface

由圖5可見，當(dāng)硫酸濃度(A)和料液比(D)分別向峰值移動，隨著硫酸濃度的增加，料液比的降低，退鍍率也不斷增加。硫酸濃度(A)方向的等高線密度明顯高于料液比(D)方向的等高線密度，說明硫酸濃度對退鍍率影響大。

圖5 Y(A,D)響應(yīng)面Fig.5 Y(A,D) response surface

由圖6可見，當(dāng)雙氧水濃度(B)和料液比(D)分別向峰值移動，隨著雙氧水濃度和料液比的增加，退鍍率也不斷增加。等高線近似橢圓形，說明二者的交互作用對退鍍率影響大。

圖6 Y(B,D)響應(yīng)面Fig.6 Y(B,D)response surface

2.5 最佳實驗預(yù)測與驗證

通過Design-Expert(8.0.6版本)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到最佳的退鍍條件是：硫酸濃度(A)為16%，雙氧水濃度(B)位4%，時間(C)為2 h，液固比(D)為14.75，預(yù)計退鍍率為94.4%。

按照響應(yīng)面得到的最佳工藝條件進(jìn)行退鍍實驗，得到的退鍍率為94.25%，與預(yù)測值很接近。說明模型可靠。

3 結(jié) 論

采用硫酸-雙氧水混合液對廢棄ABS進(jìn)行退鍍，在單因素

試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面實驗設(shè)計優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明，在硫酸濃度、雙氧水濃度、浸泡溫度和液固比四個因素中，對影響次序為過氧化氫濃度>硫酸濃度>液固比>時間，硫酸濃度與液固比的交互作用影響顯著，最佳的退鍍條件是：硫酸濃度(A)為16%，雙氧水濃度(B)位4%，時間(C)為2 h，液固比(D)為14.75，在此工藝條件想退鍍率為94.4%。