正交實驗在水質(zhì)硫化物分析中的應(yīng)用

周學(xué)麗

摘要：硫化物不僅會導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)黑、發(fā)臭，也會威脅水生物的生存，如果形成內(nèi)源污染，則會造成水生生態(tài)系統(tǒng)的退化[1]，對水質(zhì)進(jìn)行更高效、更準(zhǔn)確的硫化物分析檢測，對保護(hù)我國水生生態(tài)環(huán)境有著不容小覷的作用。正交實驗是一種科學(xué)的計算方法，運(yùn)用正交表處理多因素優(yōu)化問題。本文討論運(yùn)用正交實驗這一種快速優(yōu)化的科學(xué)計算方法如何進(jìn)行水質(zhì)硫化物分析。

關(guān)鍵詞：正交實驗;水質(zhì)硫化物;分析;應(yīng)用

引言：水質(zhì)中的硫化物主要包括溶解性的H2S、HS-、S2-，懸浮物中存在的可溶性硫化物，酸可溶性金屬硫化物以及未電離的無機(jī)、有機(jī)硫化物。通常所測定的硫化物指溶解性的硫化物和酸溶性的硫化物。硫化物通常以溶解性的H2S、HS-、S2等形態(tài)存在于各種工業(yè)、生活廢水以及地下水之中，對環(huán)境與生物都有很大危害。目前對于水質(zhì)硫化物的主要監(jiān)測方法有兩種，一種是化學(xué)分析法，一種是儀器分析法，其中化學(xué)分析法更為常用，而按照GB/T16489-1996[2]中的步驟得到的硫化物實際樣品會產(chǎn)生回收率不理想的問題。影響回收率的因素可能有氣壓因素、認(rèn)為因素、所選用的儀器等[3]。

正交實驗在概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，對實驗結(jié)果計算和分析，以快速找到優(yōu)化方案。正交實驗的主要特點(diǎn)是以部分實驗代替全面實驗，把具有代表性的實驗點(diǎn)挑選出來進(jìn)行實驗，并通過對實驗結(jié)果的分析來了解全面實驗的情況，以實現(xiàn)快速優(yōu)化[3]。將正交實驗引入水質(zhì)硫化物測評有助于縮短測評時間、確定硫化物的最佳測定條件。

1 正交實驗的應(yīng)用原理分析

在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，往往需要研究許多因素對產(chǎn)品指標(biāo)產(chǎn)生的效應(yīng)，常常采用多因素完全實驗方案，即將因素的數(shù)量設(shè)為m，將因素的水平數(shù)設(shè)為q，多因素完全實驗方案的次數(shù)n=qm。該方案可以從簡單效應(yīng)、主效應(yīng)和因素間的相互效應(yīng)，進(jìn)行各因素的綜合研究，但是根據(jù)公式可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著q和m的增加，需要進(jìn)行的實驗數(shù)量會變得異常龐大，如此巨大的工作量不僅對研究人員是沉重的負(fù)擔(dān)，對原料和時間也是一種極大的浪費(fèi)。

正交實驗正好可以避免這種人力和物力上的浪費(fèi)，通過選取有代表性的實驗點(diǎn)，以部分實驗來代替多因完全方案，通過對代表性實驗點(diǎn)的實驗結(jié)果進(jìn)行分析，對全面實驗的情況進(jìn)行了解，最終達(dá)到工藝的優(yōu)化。由此可知，正交實驗的關(guān)鍵之處就在于如何挑選有代表性的實驗點(diǎn)。

2 正交實驗分析水質(zhì)硫化物的實驗設(shè)計

本次實驗中的正交實驗設(shè)計以正交表為基礎(chǔ)[4]，水質(zhì)硫化物測定的預(yù)處理參考劉娟利等[5]的處理方式。

①實驗設(shè)計：本實驗采取三因素三水平設(shè)計（表1），三因素為溫度、吹氣時長、載氣速率。

②適用正交表：根據(jù)表1設(shè)定，本實驗適用的正交表為L9（34）（表2）。

③三因素實驗方案見表3。除此之外的條件一律嚴(yán)格按照GB/T16489-1996中的方法與步驟，做以去離子水為空白的空白加標(biāo)實驗，其標(biāo)準(zhǔn)加入量為2.00ml，以回收率為實驗結(jié)果。在預(yù)設(shè)的最佳實驗條件下進(jìn)行實際樣品分析，以驗證其實用性。

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳條件如何設(shè)置

根據(jù)表3數(shù)據(jù)：溫度、吹氣時長、載氣速率極差分別為14.2%、3.6%、2.0%，可以得出結(jié)論：吹氣時長和載氣速率為影響實驗結(jié)果的主要因素，溫度則為次要因素。吹氣時長的最大值（max）為84.5%（k3），載氣速率為84.7%（k2），溫度為90.7%（k3），由此可以知道：最佳條件組合應(yīng)為吹氣時長的第三個水平，即40min;載氣速率的第二個水平，即300ml/min;溫度的第三個水平，即60℃;在這三個條件組合的情況下進(jìn)行實驗，回收率可達(dá)到94.1%，這一組的回收率為9組實驗中的最高回收率。

從整個實驗來看，第7組實驗的回收率也高達(dá)92.7%，是整個實驗唯二回收率達(dá)到90%以上的一組，其中吹氣時長設(shè)定為20min，載氣速率設(shè)定為400ml/min，溫度設(shè)定為60℃。綜合其他影響因素、數(shù)據(jù)需求以及成本等條件，可以設(shè)定水質(zhì)硫化物酸化—吹氣—吸收法實驗中的最佳條件為：吹氣時長預(yù)設(shè)為40min，吹氣速率預(yù)設(shè)定為300ml/min，溫度預(yù)設(shè)定為60℃，其余條件同GB/T16489-1996所述。

3.2 以實際樣品進(jìn)行實踐并分析

將實驗得出的的水質(zhì)硫化物酸化—吹氣—吸收法樣品處理最佳預(yù)設(shè)條件，實際應(yīng)用于對工廠廢水的處理，在3-5月這三個月當(dāng)中，對9個樣品進(jìn)行了處理，如表4，可知三個月內(nèi)實際回收率在91.1%～95.2%之間略微波動，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6%。根據(jù)實際結(jié)果可得知，在本文預(yù)設(shè)的最佳條件下，水質(zhì)硫化物分析的回收率均在90%以上，屬于高回收率，且穩(wěn)定性很好，采用正交實驗得出的結(jié)論進(jìn)行水質(zhì)硫化物測試可以有效節(jié)省時間成本、提高實驗效率。

4 結(jié)果討論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T16489-1996所述，能夠改變水質(zhì)硫化物測定結(jié)果的因素有兩個，一個是吹氣速度，一個是吹氣時間，如有必要，可以對硫化物標(biāo)準(zhǔn)使用液的回收率進(jìn)行測定來檢驗。相對于全面實驗需要進(jìn)行27次實驗而言，正交實驗設(shè)計只需要進(jìn)行9次實驗，大大減少了實驗次數(shù)，且在實驗過程中采取三因三水平的實驗設(shè)計，通過對三個因素三次水平實驗的結(jié)果去平均值進(jìn)行分析，能夠基本確定哪些因素對實驗起主要影響，哪些因素為次要影響，參考本實驗得出的結(jié)論，主要影響因素為吹氣時長和載氣速率，次要因素為溫度。而多次單因素實驗不僅實驗次數(shù)多，也不能論證各個因素之間有否相互作用，更不能判斷哪些因素為主要因素，哪些因素為次要因素，其結(jié)果很可能無法達(dá)到預(yù)期。利用正交實驗設(shè)計進(jìn)行9次實驗之后，得出了最優(yōu)預(yù)設(shè)條件組合：吹氣時長40min;載氣速率300ml/min;溫度60℃;在這三個條件組合的情況下，回收率可達(dá)到9組實驗中最高的94.1%。而在以結(jié)果為此預(yù)設(shè)最佳條件的實踐檢測實驗中，樣品的回收率和平均回收率均在90%以上。加上實際樣品分析往往具有時效性，且樣品數(shù)量通常比實驗樣品數(shù)要多，與其花大量人力物力、時間成本和經(jīng)濟(jì)成本來追求完美的回收率，不如先以快捷高效的正交實驗得出一組最優(yōu)預(yù)設(shè)條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實際檢測，能夠有效節(jié)省時間與經(jīng)濟(jì)成本、減輕研究員的實驗壓力，也能夠更大程度上避免數(shù)據(jù)因時效性限制而產(chǎn)生的浪費(fèi)。

綜上，正交實驗在水質(zhì)硫化物分析中的應(yīng)用很有價值，值得進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱秋平， 張萌， 葛剛，等. 我國硫化物水生生物水質(zhì)基準(zhǔn)初探[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報：工科版， 2020（1）：16-22.

[2]國家環(huán)境保護(hù)局.GB/T16489-1996 水質(zhì)硫化物的測定，亞甲基藍(lán)光光度法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996

[3]李有海，林奕，楊麗先等.正交試驗在水質(zhì)硫化物分析中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2021，12（6）：23-25

[4]王蔚， 王吉平， 張煒煜，等. 正交試驗法優(yōu)化丹參靈芝丸的提取工藝[J]. 人參研究， 2016， 28（2）：19-22.

[5]劉娟利， 李晶， 呂青蘋，等. 水質(zhì)硫化物測定的預(yù)處理方法研究[J]. 2019-23：24-25.