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1、正交实验设计在化学研究中的应用摘要：正交实验设计法能使化学分析尽可能减少试验的次数，设定好分析的因素和水平并制作成正交表，正交表是合理安排实验次数和数据分析的工具，从而确定因素和水平的关系并获得最优分析方法、生产条件和工艺。关键词：正交试验，化学研究，应用正交设计法（orthogonal design）是一种研究与处理多因素试验的重要数理统计方法，按照一系列规格化的正交表来安排试验，可用尽可能少的试验次数，来获得最满意的试验结果。正交表是合理安排试验和数据分析的主要工具，具有正交性、均衡分散性、齐同可比性和可用于分析交互作用的特点。正交试验的成功与否，很大程度取决于正交表的选择，最佳正交表一般
2、应考虑因素、水平、试验次数、重复性及统计分析方法。化学研究涉及研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息，在化学化工中的应用性很广，因而正交试验设计的方法也广泛应用于这些研究中。本文就优化生产条件、工艺水平、复配技术、提取与测定等方面阐述正交试验设计法在分析化学中的应用。1 最优配方选择在制备粉体复合材料的研究中，好的配方法能抑制粉体分解、促进粉体烧结、赋予粉体导电性，使微分弥散强化，因此优良配方的选取是研究粉体复合材料的重要环节。闫军等1采用了L9（34）正交表设计实验进行化学镀铜法包覆铝及氧化铜团聚粉体工艺研究，探讨了不同硫酸铜用量、柠檬酸三钠用量、次磷酸钠用量和不同pH对粉体材料镀覆稳定
3、性的影响，优选出的最佳配方：CuSO4 1015g/L；次磷酸钠4.55.5g/L；柠檬酸三钠6575g/L；表面活性剂10mg/L；pH 45；温度5560，加载量1020g/L，时间3040min。按配方投料，镀成的材料，其镀覆效果好，在pH=45范围内对Al及CuO团聚粉体无明显破坏。张艳等2对化工生产的某助剂配方进行了优化，选三因素、三水平进行试验，选正交表L9（34）考察了不同温度、加碱量、催化剂种类对助剂的影响。最终确定温度为90；加碱量为35kg；催化剂为乙类为最优配方。按配方下料，发现该配方助剂的收率最高。2 最优工艺选择在对某些天然产物的提取中，由于目标天然产物的量往往很少，
4、而样品量又很大，如果采用一般的方法对这些天然产物进行提取，不仅耗时、耗物而且提取目标产物的收率很低，特别是产量有限、价格昂贵的样品，因而需要对工艺进行优化。喻菁等3采用了L9(34)正交试验设计对忍冬藤中绿原酸的提取工艺进行了优选，以绿原酸含量和转移率为评价指标，对水提法、乙醇回流法、乙醇渗漉法等进行考察。综合考虑，最佳提取工艺为渗漉法：乙醇浓度为40%，收集8倍量渗漉液，渗漉液流速为12mLKg-1min-1，该法提取较完全。杨佩鹏等4对桑皮纤维生物脱胶工艺研究的实验中采用L9(34)的正交表，进行了四因素、三水平的试验设计，考察了生物酶煮练、NaOH溶液浓度、煮练时间、Na2SiO4含量对
5、脱胶工艺的影响，选择了：生物酶煮练时间为60h；NaOH溶液浓度为10g/L；煮练时间为90min；Na2SiO4含量为9g/L纤维产率最高的最优桑皮脱胶工艺。王忠壮等5采用了L9(34)正交表对太白木根皮的提取工艺进行了优化，考察了提取次数、提取时间、溶剂用量、溶剂含醇量这四因素对提取工艺的影响。确定提取效果较好的条件：提取三次；提取时间1.0h；溶剂用量8倍；溶剂含醇量70%。经明等6在筛选心衰颗粒提取工艺的研究中采用L9(34)正交表安排实验，选择了加水量为（药材量的倍数）的12倍，提取次数为3次，提取时间为60min的的最佳提取工艺。吴芳等7在蛇床子总香豆素的测定及其提取条件的正交设计
6、优选中采用L9(34)正交表安排实验，以蛇床子素、欧前胡素为定量指标成分，通过蛇床子浸出、水煎、超声等提取方法的比较和筛选，确定乙醇浓度、水浴温度、超声时间、浸渍时间四因素对提取结果的影响，优选出的条件为：75%乙醇在55水浴温度下43Hz超声提取90min是适合蛇床子素总香豆素提取的最佳条件。3 实验条件的选择 在分析化学实验中, 常存在一系列不同的实验条件,要从中选出最优实验条件,这样才能在优化试验条件下得到较好的实验结果或最低检出限8。正交实验设计可以对实验进行两方面的分析：直观分析、交互作用。在众多的正交试验中，所考察的因素和位级是千变万化的。有的试验所要考察的因素较多，由于试验条件的
7、限制又不能多做实验9。所以进行条件的优化是相当必要的,实验室制取CH4的条件选择，苏同福10对其操作条件进行了讨论，选用L4(23)的正交表以无水CH3COONa、NaOH、CaO为因素，在多次试验中对其直观分析和方差分析后，实验条件的最佳组合为：CH3COONa的质量为1.5g、NaOH的质量为CH3COONa质量的60%、CaO的质量为NaOH的100%，在5分钟内CH4的产率最高。4 其他张国权等11用均匀正交试验设计优化了影响热溶性膜性能的因素，用均匀正交设计试验UL16(45)进行了试验，在设定的条件下使热溶性膜综合性能较优的因素水平：干燥温度为37，（石蜡）为3.761g/L，魔芋
8、胶与卡拉胶的比例为1.298，（乳化剂）为1.094g/L，（PEG-400）为3.375mL/L。此外，正交实试验设计还用于电厂化学中， 李建华等12设计了L9(34)正交表安排实验，通过对实验的极差分析，得到最佳再生工艺：盐酸质量分数4%，再生液流速3m/h，再生剂用量440kg，再生温度20。同时进行了锅炉化学清洗的正交试验，通过极差分析得出的最佳清洗条件为：温度120，介质的质量分数1.5%，循环流速0.1m/L，洗炉时间为6h。 在计算机高速发展的今天，正交试验设计应用的范围越来越广，孙影13对SPSS13.0在化学正交试验设计的应用做了研究，以实验室制取氢气为例用 SPSS程序处理
9、文献的数据再通过正交设计模拟试验从而得出了实验室制备氢气的最优条件：H2SO4的浓度为30%，CuSO45H2O的量为0.6g，Zn的质量为4g。 在化学组成随环境等因素变化的研究中，由于变化因素不确定，从而在对目标的成分确定中往往需要克服这些变化的影响。所以需要确定变化的规律，杨颖14选用正交试验设计方法，系统的分析了不同离地条件、不同造林方式、不同年龄、竹秆不同部位麻竹材化学成分变化规律，选了用L18(37)的正交表安排实验，确定了影响麻竹材化学成分的首要因子是年龄，对各化学成分指标影响均极端显著；其次是竹秆部位（包括垂直部位和水平部位），对部分化学成分指标影响显著；而立地条件和造林方式，
10、其对麻竹材化学成分影响不显著。各因素对各化学成分指标影响重要程度的顺序也有所不同。 在动物饲料的开发中，正交试验设计法也广泛应用于这些研究中。杨红军等15采用L9(34)正交表安排了膨化生产SPF的尝试，确定了水分含量为23%，喂料速度为24r/min、螺杆转速为150r/min和膨化温度为120或160时为灭菌的最佳工艺，通过分析饲料中的水分、粗蛋白、粗灰分、粗脂肪等饲料的概略成分，证明了上述方案为最优方案。5 小结正交试验设计广泛的应用于化学研究和生产中，对于多因素多水平的化学实验，为了让实验操作简单化、合理化，采用正交设计法进行底物和操作条件的优选具有广阔的应用前景16。选择科学的合理的
11、测试指标 、因素、水平是整个正交实验的重要步骤，对能否获得最佳的反应底物和操作条件具有重要的价值，对化学的发展与进步起了促进作用。参考文献1闫军,崔海萍,杜心康,王建江. 化学镀铜法包覆铝及氧化铜团聚粉体工艺研究J. 电镀与精饰,2005,27(2):24-272张艳,魏金枝. 正交试验用于精细工艺课程复配技术教学的体会J. 化工高等教育,2005,(2).3喻菁,王小平,徐强,. 忍冬藤叶中绿原酸的提取工艺研究J. 陕西中医,2008,29(6):7344杨佩鹏,武海良,吴长春,. 桑皮纤维生物脱胶工艺研究J. 丝绸,2006,(11)5王忠壮,高玮,全山丛,胡晋红. 太白楤木根皮的提取工艺
12、研究J. 中国中药杂志,1999,24(8):470-4726经明,王宏,曾祖平,王永红,何薇,. 正交试验筛选心衰颗粒提取工艺的研究J. 中国实验方剂学杂志,2008,14(8):29-307吴芳,刘新宇,陈连剑,郭华,范国荣. 蛇床子总香豆素的测定及其提取条件的正交设计优选J. 中药新药与临床药理,2002,13(2):113-1158康伟芳. 论实验误差在选取实验手段和方法中的作用J . 工业技术经济,1994 , (6) :59 - 60.9刘传银. 化学实验的误差分析及其优化设计J. 郧阳师范高等专科学校学报,2004,24(6):21-2310苏同福. 实验室制取CH4最佳条件的探
13、讨J. 许昌学院学报,2004,23(2:114-116.11张国权,吕小欢,杨君. 最小综合损失准则与多指标均匀正交试验设计的优化J. 华南农业大学学报,2002,25(1)85-8812李建华,潘娟琴. 正交试验设计及其在电厂化学中的应用J. 工业水处理,2002,22(6):10-1313 孙影. SPSS13.0软件在化学正交设计试验中的应用J. 化学教育,2006,(8):48-4914杨英. 麻竹材化学成分影响因子的研究J. 华东森林经理,2005,19(2):11-1315杨红军,时建忠,顾宪红,王君华,. 膨化生产SPF动物饲料的尝试J. 粮食与饲料工业,2007,(6)：333516蔡周权,代用,李明芬.正交试验设计在药物制剂研究中的应用J.中国药业,2006,15(4):62- 6 -
