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系統識別號 U0002-0507201116510400
中文論文名稱 以反應曲面法(RSM)探討移動結晶床除鉛之研究
英文論文名稱 Using response surface methodology to investigate moving-bed reactor for lead removal
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 翁上紘
研究生英文姓名 Shang-Hung Weng
學號 698480430
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-17
論文頁數 73頁
口試委員 指導教授-李奇旺
委員-陳孝行
委員-李柏青
中文關鍵字 移動結晶床  流體化床  碳酸鉛  反應曲面法 
英文關鍵字 Moving-bed reactor  Fluidized-bed reactor  lead carbonate  response surface methodology(RSM) 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 流體化床結晶軟化反應槽常用的操作方式,系統中使擔體流體化之上升流速會將因過飽和產生的懸浮固體物帶出槽體,導致出流水濁度偏高,因此需在流體化床後面增設一過濾單元來防止出流水含有大量的懸浮固體物,此一設計不僅佔地面積大且會增加建設費用成本。有鑑於此,本研究設計一新反應槽「移動結晶床」並以鉛做為汙染物來探討反應槽之可行性,此反應槽不僅佔地面積小且兼有結晶與過濾效果兩種功能,可改善流體化床操作之問題。
綜合文獻與反應槽設計歸納出可能影響去除率與回收率以及濁度的因子為鉛濃度、pH值、曝氣量、CO32-/Pb2+之比例以及砂層高度。濁度在本研究中只在篩選因子時用來探討砂層的過濾效果。藉由25-1部分因子實驗設計篩選出顯著因子為鉛濃度與pH值後,以反應曲面法建立這兩個因子對去除率與回收率的迴歸模型。依反應曲面法所配適出的去除率與回收率之迴歸模型進行最佳解分析可得一組最佳操作條件。此條件是在pH值為8.6,鉛濃度為1.45e-4M,預測之去除率為100.00%、回收率為94.90%,經實驗後實際得到之去除率為98.75%、回收率為87.28%。模型預測與實驗所得之去除率與回收率的誤差分別為1.25%和8.00%,推測造成誤差的原因是模型缺適值顯著,此意味著模型的預測能力不是相當準確。因此,模型所預測之最佳操作條件在實驗中可能無法達到相同的效果。
將最佳操作條件下培養出來的擔體進行質量平衡分析,經實驗得到的回收率87.28%中有18.59%的鉛離子結晶在擔體上,剩餘的68.69%的鉛被砂層過濾在反應槽內。此結果說明移動結晶床在設計上仍有不足,僅可回收18.59%的鉛。
英文摘要 Fluidized-bed type reactors are frequently used in crystallization process. In this type of reactor, suspend solids (SS) produced by primary nucleation under supersaturated condition would flow out with upward flow, resulting in high SS in the effluent. Installation of filter unit is needed to prevent suspend solids in the discharge. In this study, a novel reactor named “moving-bed reactor” having two functionalities, namely filtration and crystallization, was studied for lead (Pb) removal from aqueous solutions.
According to literatures and design parameters of moving-bed reactor, five potential factors which may affect the process performance, are indentified, including lead concentration, pH, air-flow rate, the ratio of CO32-/Pb2+ and the height of sand. A 25-1 fractional factorial design is utilized to discuss the effect of factors on Pb removal efficiency, recovery efficiency and turbidity. Lead concentration and pH are the most significant factors affecting process performance. Subsequently, RSM with CCD design are used to build regression models for removal efficiency and recovery efficiency, respectively. The best operating condition was determined by uniting two regression models with pH 8.6 and 1.45×〖10〗^(-4)M of lead concentration obtained. Under the best operation condition, Pb removal efficiency and recovery efficiency are predicted to be 100.00% and 94.90%, respectively, by regression models. However, they are only 98.75% and 87.28%, respectively, experimentally. The differences are 1.25% and 8.00%, respectively, for Pb removal efficiency and recovery efficiency. The experiment can not reach the target that models predict because prediction of models is not precise.
Based on quality analysis, crystallized Pb on the sand surface and precipitated Pb filtered by sand are 18.59% and 68.69%, respectively. The result indicated design of moving-bed reactor is inadequate to recover Pb.
論文目次 目錄 I
List of Figure IV
List of Table VI
第一章 研究緣起 1
1.1 研究計畫之背景 1
1.2 研究計畫之目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 鉛的來源及特性 3
2.2流體化床操作條件 3
2.2.1迴流比 3
2.2.2飽和度 5
2.2.3 pH值 6
2.2.4 [CO32-]/[Pb2+]之比例 9
2.2.5擔體 10
2.3 實驗設計 11
2.3.1 設計因子 11
2.3.2 2k-p部分因子設計 11
2.3.3 反應曲面法(Response surface method, RSM) 15
2.3.4 變異數分析(ANOVA) 16
2.3.5 最小顯著差異檢定(least-significant-difference test, LSD) 16
第三章 實驗材料與方法 18
3.1實驗材料 18
3.1.1 廢水 18
3.1.2 藥劑 18
3.1.3 擔體 18
3.2實驗設備 20
3.2.1移動結晶床 21
3.2.2 pH自動控制模組 22
3.2.3樣本採集 23
3.3分析方法 23
3.3.1 火焰式原子吸收光譜儀(AA) 23
3.3.2 鉛去除率、回收率 24
3.3.3 濁度計 25
3.3.4 掃描式電子顯微鏡(SEM) 25
3.3.5 擔體質量平衡分析 25
3.4實驗方法 26
3.4.1 實驗設計 26
3.4.2 反應曲面法(RSM) 27
3.4.3 砂水量測量 28
3.4.4 實驗流程 29
第四章 實驗結果與討論 32
4.1 空白實驗 32
4.2 曝氣量與砂水量的關係 34
4.3 二水準部分因子實驗 35
4.3.1實驗設計 35
4.3.2 去除率分析 37
4.3.3 回收率分析 41
4.3.4 濁度分析 47
4.3.5 篩選因子結果 50
4.4反應曲面法(RSM) 51
4.4.1 去除率分析 51
4.4.2 回收率分析 59
4.4.3 聯立最佳解 66
4.5 擔體分析 67
4.5.1 質量平衡分析 67
4.5.2 擔體SEM分析 67
第五章 結論與建議 70
Reference 72

List of Figure
圖 1 溶液狀態之示意圖 5
圖 2 鉛濃度為1.4×10-4M、固定[CO32-]/[Pb2+]之pH對溶液中物種組成之影響 7
圖 3 鉛濃度為2.9×10-4M、固定[CO32-]/[Pb2+]之pH對溶液中物種組成之影響 8
圖 4 鉛濃度在1.4×10-4M和2.9×10-4M且[CO32-]/[Pb2+]之比例分別為1和5的情況之下,pH值對溶解態鉛之影響 9
圖 5 23-1部分因子設計之幾何圖示 13
圖 6 23全因子設計之幾何圖示 13
圖 7 2ш3-1投影成三個22設計 15
圖 8 石英砂之孔隙率測量工具 20
圖 9 研究設備圖 21
圖 10 鉛之檢量線 24
圖 11 砂水量測量之示意圖 29
圖 12 實驗流程圖 30
圖 13 最佳操作條件之實驗流程圖 31
圖 14 去除率的主效應圖 40
圖 15 去除率分析之交互作用圖 41
圖 16 回收率分析之主效應圖 44
圖 17 回收率之交互作用圖 46
圖 18 濁度分析之主效應圖 50
圖 19 去除率分析的殘差之常態機率分佈圖 55
圖 20 去除率分析之殘差對時間順序的圖 56
圖 21 去除率分析之預測值與觀測值之對照圖 57
圖 22 去除率分析之反應曲面圖 58
圖 23 去除率分析之等高線圖 58
圖 24 回收率分析的殘差之常態機率分佈圖 62
圖 25 回收率分析的殘差對時間順序的圖 63
圖 26 回收率分析之預測值與實際值對照圖 64
圖 27 回收率分析之反應曲面圖 65
圖 28 回收率分析之等高線圖 65
圖 29 未使用之石英砂SEM圖 68
圖 30 最佳操作條件下之石英砂 68
圖 31 圖30中各點之放大圖 69

List of Table
表 1 鉛化合物之用途 3
表 2 結晶流體化程序之水力停留時間比較 4
表 3 23因子設計的正負號表 12
表 4 27-2部分因子設計的衍生器選擇之比較 14
表 5 藥品清單 18
表 6 pH控制儀之設定 23
表 7 設計因子及其水準範圍 27
表 8 反應曲面法因子之建構 28
表 9 空白實驗之樣本 32
表 10 處理水濁度與廢棄水濁度之ANOVA表 33
表 11處理水濁度各組間之比較 34
表 12 不同曝氣量的砂水流量 34
表 13 曝氣量與砂水比例之ANOVA分析 35
表 14 部分因子試驗之建構 36
表 15 25-1部分因子試驗別名關係 37
表 16 去除率之反應值 38
表 17 去除率分析之ANOVA表 39
表 18 回收率分析之反應值 42
表 19回收率分析之ANOVA表 43
表 20 濁度分析之反應值 48
表 21 濁度分析之ANOVA表 49
表 22 去除率與回收率之反應值 51
表 23 去除率之各模型之平方和 52
表 24 去除率之各模型之缺適值 53
表 25 去除率分析之各模型之簡要統計 53
表 26 去除率分析之ANOVA表 54
表 27 去除率模型之基本統計資料 54
表 28 回收率之各模型之平方和 59
表 29 回收率之各模型之缺適值 60
表 30 回收率分析之各模型簡要統計 60
表 31 回收率分析之模型之ANOVA表 61
表 32 預測值與實際值 67

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