鐵觀音廢茶渣吸附水中鐵離子的研究

謝丹丹， 林旭吟， 馬世堂

(1.廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361100; 2.安徽科技學(xué)院 生命與健康科學(xué)學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng) 233100)

鐵觀音是中國(guó)傳統(tǒng)名茶，發(fā)現(xiàn)于1723～1735 年，是中國(guó)十大名茶之一。原產(chǎn)于福建省泉州市安溪縣西坪鎮(zhèn)，主要分布在北緯24°～25°、東經(jīng)117°～118°的區(qū)域，現(xiàn)已經(jīng)傳播至海內(nèi)外。鐵觀音清香雅韻，沖泡后有天然的蘭花香，滋味純濃，香氣馥郁持久，除具有一般茶葉的保健功能外，還具有抗衰老、抗動(dòng)脈硬化、防治糖尿病、減肥健美、防治齲齒、清熱降火等功效，是非常受歡迎、飲用量非常廣的茶葉品種[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們沖泡后的鐵觀音廢茶渣都是作為垃圾直接拋棄，既污染了環(huán)境、又浪費(fèi)了資源。近年來(lái)，人們嘗試將廢茶渣用于提取活性成分，作為活性炭的原料，制作生物有機(jī)肥，添加進(jìn)動(dòng)物飼料，作為食用菌培養(yǎng)基的基料等，取得了一定的進(jìn)展[2]。茶葉在制作及沖泡的過(guò)程中，消除了葉片表面的蠟質(zhì)和可溶于水的小分子，改變了原有的致密結(jié)構(gòu)，暴露出網(wǎng)狀的纖維結(jié)構(gòu)和一些特定的具有螯合或吸附功能的基團(tuán)，具備較好的吸附潛能，因此，以廢茶渣等植物原料為基礎(chǔ)的生物吸附劑研究也引起國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，其吸附的范圍包括水中的重金屬、有機(jī)染料、放射性元素等污染物[3]。崔曉寧等研究用茶渣吸附Cu2+[4]，張軍科等利用廢棄茶葉渣吸附廢水中的Pb2+和Cd2+，清除率可達(dá) 72.13%和 93.75%[5]，馬宏飛等建立了廢茶渣吸附Cr6+的模型[6]，還有科學(xué)家研究了廢茶渣對(duì)As3+和As5+、Mn2+、Ni2+等的吸附，均有較好的吸附效果[7-9]。本文通過(guò)制備鐵觀音廢茶渣干樣品，在不同的用量、鐵離子起始濃度、吸附時(shí)間、反應(yīng)溫度、pH值等條件下，分析水中鐵離子被吸附的吸附率和吸附量，建立廢茶渣作為吸附劑吸附水中鐵離子的模型，以期為廢茶渣資源化再利用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

722N分光光度計(jì)(上海奧譜勒儀器有限公司)；FA1004電子分析天平(上海良平儀器儀表有限公司)；SHA-C數(shù)顯水浴恒溫振蕩器(江蘇城西曉陽(yáng)電子儀器廠)；PHS-3C pH計(jì)(上海分析儀器有限公司)；容量瓶、移液管、吸量管、比色管等玻璃儀器在使用前均按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行校正。硫酸亞鐵銨、鄰菲羅啉、鹽酸羥胺、醋酸鈉等常規(guī)試劑均為分析純(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，選用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定后使用。試驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鐵觀音廢茶渣的制備 產(chǎn)自福建省安溪縣西坪鎮(zhèn)的鐵觀音茶葉，沖泡至無(wú)味后晾曬或80 ℃ 烘干，干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 溶液中鐵離子含量測(cè)定方法 采用鄰菲羅啉分光光度法[10-11]，該方法是在pH=1.5～9.5的條件下，鐵離子與鄰菲羅啉生成穩(wěn)定的橙紅色的絡(luò)合物，采用分光光度法進(jìn)行測(cè)定，涉及到含量計(jì)算的溶液在臨用前進(jìn)行標(biāo)定。

1.2.3 鐵觀音廢茶渣用量對(duì)吸附的影響 向100 mL 1.00 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中分別加入鐵觀音廢茶渣0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、2.0、3.0、4.0、6.0 g，30 min后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算吸附率、吸附量。

1.2.4 鐵離子起始濃度對(duì)吸附的影響 將6.0 g鐵觀音廢茶渣加入至100 mL 0.4、0.8、1.0、1.2、1.6、2.0 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中，30 min后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算吸附率、吸附量。

1.2.5 吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響 向100 mL 1.00 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中加入鐵觀音廢茶渣6.0 g，作用5、10、20、30、40、50、60 min后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算吸附率、吸附量。

1.2.6 反應(yīng)溫度對(duì)吸附的影響 向100 mL 1.00 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中加入鐵觀音廢茶渣6.0 g，分別于4、15、25、50、80 ℃下反應(yīng)30 min后，置室溫后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算吸附率、吸附量。

1.2.7 反應(yīng)體系pH值對(duì)吸附的影響 向100 mL 1.00 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中加入鐵觀音廢茶渣6.0 g，分別加入硫酸或氫氧化鈉使反應(yīng)體系的pH值為2.20、3.58、5.51、6.35、7.42，反應(yīng)30 min后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算吸附率、吸附量。

1.2.8 解吸附 向100 mL 1.00 mg/L的硫酸亞鐵銨溶液中加入鐵觀音廢茶渣6.0 g，30 min后過(guò)濾，棄濾液；取3份吸附鐵離子的廢茶渣分別用蒸餾水100 mL、硫酸溶液100 mL、氫氧化鈉溶液100 mL浸泡，30 min后過(guò)濾，測(cè)定濾液中鐵離子含量，計(jì)算解吸率。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵觀音廢茶渣吸附水中亞鐵離子的特性

2.1.1 鐵觀音廢茶渣用量的影響 不同的鐵觀音廢茶渣用量(0.2 g/100 mL～6.0 g/100 mL)進(jìn)行吸附試驗(yàn)(圖1),結(jié)果表明，鐵觀音廢茶渣對(duì)鐵離子的吸附率隨著用量的增加而提高；當(dāng)鐵觀音廢茶渣用量達(dá)到6.0 g/100 mL時(shí)，對(duì)鐵離子的吸附率可高達(dá)75.6%。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)提高鐵觀音廢茶渣的用量來(lái)提高對(duì)鐵離子的吸附率。

圖1 鐵觀音廢茶渣用量對(duì)鐵離子吸附的影響Fig.1 Effect of Tieguanyin tea residue concentration on iron ion adsorption

2.1.2 鐵離子起始濃度的影響 用不同的鐵離子起始濃度進(jìn)行試驗(yàn)(圖2)，結(jié)果表明，在鐵離子起始濃度0.4～8.0 mg/L范圍內(nèi)，鐵觀音廢茶渣對(duì)鐵離子的吸附量隨著鐵離子起始濃度的提高而增大，在5.0 mg/L時(shí)，吸附量達(dá)到最大，為0.063 mg/g；繼續(xù)增加水中鐵離子的濃度，也無(wú)法增加吸附量。說(shuō)明當(dāng)鐵離子達(dá)到一定濃度時(shí)，盡管溶液中還有鐵離子存在，由于吸附已達(dá)到最大值，鐵離子吸附量就無(wú)法再增加。

圖2 鐵離子起始濃度對(duì)吸附作用的影響Fig.2 Effect of initial concentration of iron ion on adsorption

2.1.3 吸附時(shí)間的影響 鐵觀音廢茶渣與含鐵離子的溶液接觸吸附不同的時(shí)間(圖3)，結(jié)果表明，鐵觀音廢茶渣對(duì)鐵離子的吸附是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的，吸附率在30 min達(dá)到75.6%，其后吸附量增幅放緩，這一吸附速率較一些生物吸附劑快速吸附重金屬的速率略低[12-13]，但依然不失為吸附速率較高的一種吸附劑，適合從低濃度、大體積的廢水中吸收鐵離子。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響Fig.3 Effect of adsorption time on adsorption ratio

2.1.4 溫度對(duì)吸附作用的影響 生物吸附劑吸附金屬離子作用受溫度的影響差別很大，有的吸附劑吸附金屬的作用是一種非依賴溫度的過(guò)程[12-14]，而有的卻與溫度密切相關(guān)[15]。由表1可知，溫度升高，有利于提高吸附率；但在常溫(25 ℃)下已經(jīng)達(dá)到了75.6%的吸附率，考慮到升高吸附溫度的成本，在常溫范圍進(jìn)行吸附更為合適。

表1 鐵觀音廢茶渣在不同溫度下對(duì)鐵離子的吸附率Table 1 Adsorption rate of iron ion from Tieguanyin tea residue at different temperatures

2.1.5 pH值的影響 金屬離子所處體系的pH值既影響金屬離子的存在形態(tài)，也影響吸附系統(tǒng)的吸附能力。本試驗(yàn)在硫酸亞鐵銨溶液中加入酸或堿調(diào)節(jié)溶液的pH值(表2),結(jié)果表明，在強(qiáng)酸性條件下，鐵觀音廢茶渣失去了吸附鐵離子的能力；而在弱酸性條件下才表現(xiàn)出良好的吸附能力；在堿性條件下，鐵離子將會(huì)逐漸形成氫氧化物而沉淀，使得吸附過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。

表2 鐵觀音廢茶渣在不同pH條件下對(duì)鐵離子的吸附率Table 2 Adsorption ratio of iron ion from Tieguanyin tea residue under different pH conditions

2.2 鐵觀音廢茶渣吸附鐵離子后的解吸附

生物吸附一般都是可逆的過(guò)程，將吸附了鐵離子的鐵觀音廢茶渣分別在不同條件下進(jìn)行解吸附，結(jié)果表明，用水、酸都不能使廢茶渣上的鐵離子解吸附，而堿性條件則能夠達(dá)到100%的解吸率。該特性可在溶液中鐵離子的回收方面發(fā)揮作用。

3 結(jié)論與討論

在本文中，鐵觀音廢茶渣在使用量為6.0 mg/100 mL、水中鐵離子起始濃度為1 mg/L、常溫或較高溫度下、pH值為5.51條件下對(duì)鐵離子的吸附率為75.6%，吸附量為0.012 6 mg/g，這是較為經(jīng)濟(jì)可行的吸附條件，也達(dá)到了較為理想的吸附效率；已吸附的鐵離子在堿性條件下被完全解吸。廉價(jià)易得的鐵觀音廢茶渣在生物吸附方面將有廣闊的應(yīng)用前景[16]。