茶葉渣對苯酚廢水的吸附及再生研究*

趙業(yè)軍，馬 燦，王瑩瑩

（1.武漢東湖學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430212；2.湖北中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，湖北 武漢430065）

苯酚屬于芳香族化合物，也是一種重要的化工原料，用途廣泛，主要用于石油化工、塑料、皮革、油漆等行業(yè)[1]。但苯酚是原生質(zhì)毒物，對人類健康具有很強的潛在毒性，并且很難被降解，已被列為危險污染物[2]。含酚廢水也被我國水污染控制中心列為重點解決的有害廢水之一。苯酚去除的方法較多，其中吸附法操作簡便使用較多，吸附劑可以再生和循環(huán)使用[3-5]。在吸附過程中，苯酚不會被降解，因此，吸附劑再生不僅是出于經(jīng)濟上的原因，還需要考慮苯酚的收集和再利用[6,7]。

茶葉是一種組織結(jié)構(gòu)疏松又多孔隙的物質(zhì)，從表面到內(nèi)部有許多毛細管孔隙，構(gòu)成各種孔隙管道，使茶葉具有較大的比表面積，具有較強的吸附能力[8]。利用茶葉渣來處理重金屬廢水的研究較多[9,10]，對酚類物質(zhì)的研究不是很多。本研究利用茶葉渣吸附苯酚，對其吸附條件和性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

茶葉（市售綠茶）；苯酚，NaOH，HCl 等均為分析純。

SP-1901 紫外可見分光光度計（上海光譜）。

1.2 試驗方法

1.2.1 茶葉渣的處理 將茶葉渣用燒開的水浸泡并過濾兩三次以后，用90℃自來水浸泡12h 以后濾去茶湯，再用蒸餾水浸泡12h，將茶湯濾去以后放入烘干箱內(nèi)烘干后，研磨成粉末狀態(tài)。放置備用。

1.2.2 吸附實驗 分別向100mL 的一定濃度的苯酚溶液中加一定量的茶葉渣，在振蕩器中振蕩一定時間，取其上層清液，用紫外分光光度計測定苯酚濃度?？疾觳煌健⒊跏紳舛?、時間、pH 值對其吸附效果的影響。

1.2.3 吸附熱力學(xué) 目前，已建立了許多理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ捅硎靖鞣N吸附等溫線，但沒有單一模型滿足所有機制和形狀。其中Langmuir 和Freundlich[11]的模型廣泛用于描述廢水處理中的吸附等溫線應(yīng)用。

由相關(guān)理論，Langmuir 模型的基本形式如公式（1）。

式中 ce：吸附平衡時溶液的濃度，mg·L-1；qe：吸附量，mg·g-1；qmax：單分子層飽和吸附量，mg·g-1；b：吸附平衡常數(shù)，L·mg-1。

Freundlich 模型的基本形式如公式（2）：

式中 Kf：反映吸附量的吸附常數(shù)，L·g－1；n：反映吸附溫度強度的吸附常數(shù)，通常n＞1。

1.2.4 再生實驗 采用 90℃熱水、1mol·L-1HCl、1mol·L-1NaOH、無水乙醇對吸附后的茶葉渣進行再生研究。取1g 茶葉渣放在100mL 熱水和制備的溶液中搖動2h；用蒸餾水沖洗后110℃干燥。然后用其進行吸附實驗，方法同1.2.2，步驟重復(fù)3 個周期。每次循環(huán)實驗用新的廢水吸附平衡。再生率為：

式中 qe：最初茶葉渣的吸附容量，mg·g-1；qn：再生后的吸附量，mg·g-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準曲線的測定

配置濃度為：2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、20.0、30.0mg·L-1的苯酚溶液，在268nm 處測吸光度，繪制標準曲線見圖1。

由圖1 可知，一定濃度范圍內(nèi)苯酚的標準曲線方程為A=0.0206C+0.0214，相關(guān)系數(shù)R=0.999，線性相關(guān)性好，可用于樣品檢測。

圖1 標準曲線的測定Fig.1 Standard Curve

2.2 粒徑對吸附率的影響

向 5 組 100mL 的 100mg·L-1的苯酚溶液分別中加入 200、100、80、60、40 目的茶葉渣 0.5g，在 pH 值為7、室溫下振蕩60min，過濾后取上層清液測吸光度，并算出濃度以及吸附率，結(jié)果見圖2。

圖2 粒徑大小對吸附率的影響Fig.2 Effect of particle size on adsorption rate

由圖2 可以看出，隨著粒徑的減小，茶葉渣對苯酚溶液的吸附率增大，當粒徑小于100 目時，吸附率大小趨于平穩(wěn)。茶葉渣是一種孔多，比表面積較大的吸附材料，隨著粒徑的減小，接觸苯酚的表面積增大，吸附率就隨之增大，粒徑的體積越來越小，所能吸附的量變小，當二者達到平衡狀態(tài)時，吸附率的大小趨于平衡。因此，此后的實驗均用粒徑為100 目的茶葉渣作為吸附劑。

2.3 苯酚的初始濃度對吸附率的影響

分別配制 50、100、150、200、300、500mg·L-1的苯酚溶液100mL 于燒杯中，加入0.5g 的粒徑100 目的茶葉渣，pH 值為7，室溫下振蕩60min，過濾后取上清液測吸光度，計算出吸附量以及吸附率，結(jié)果見圖3。

圖3 初始濃度對吸附率的影響Fig.3 Effect of initial concentration on adsorption rate

由圖 3 可知，當初始濃度為 100mg·L-1時，吸附率達到最高值，繼續(xù)增大初始濃度，吸附率出現(xiàn)下降的趨勢。濃度增加，吸附量逐漸增大，但增加的幅度會隨著初始濃度的加大而呈現(xiàn)出越來越低的趨勢,從而影響了茶葉渣對苯酚的吸附效果, 故而宏觀呈現(xiàn)出去除率逐浙降低，但降低幅度不是很明顯。后續(xù)實驗廢水的初始濃度選為100mg·L-1。

2.4 吸附時間對吸附率的影響

配制初始濃度為100mg·L-1的苯酚溶液6 份，分別加入粒徑100 目的茶葉渣0.5g，調(diào)節(jié)pH 值為7，分別振蕩 20、40、60、80、100、120min，過濾后取上清液測吸光度，并算出濃度以及吸附率，結(jié)果見圖4。

圖4 時間對吸附率的影響Fig.4 Effect of time on adsorption rate

由圖4 可知，隨著時間的增加，吸附率逐漸增大，當反應(yīng)60min 時，吸附率的大小趨于平衡?？赡艿脑蚴牵磻?yīng)初期茶葉渣的比表面積較大，或者是當中所含的自由基團和不飽和基團較多有利于吸附，當達到飽和狀態(tài)時，吸附率趨于平穩(wěn)不在上升。綜合所消耗的時間和吸附率的大小考慮，反應(yīng)時間優(yōu)選60min。

2.5 pH 值對吸附率的影響

配制100mL 濃度為100mg·L-1的苯酚溶液 7份，調(diào)節(jié) pH 值分別為 1、2、4、6、8、10 和 12，分別加入粒徑100 目的茶葉渣0.5g，常溫下振蕩60min，過濾后取上清液測吸光度，并算出濃度以及吸附率，結(jié)果見圖5。

圖5 pH 大小對吸附率的影響Fig.5 Effect of pH on adsorption rate

由圖5 可知，隨著pH 值增大，吸附率逐漸降低，當pH 值大于8 時，平衡吸附率隨 pH 值的增大而迅速降低。一般來說，溶液pH 值影響吸附劑的表面電荷和吸附物的電離度[12]。可能因為苯酚在酸性至中性水溶液中主要以分子狀態(tài)存在，與茶葉渣表面的親和力較大，有利于吸附；而在堿性水溶液中則主要以離子狀態(tài)存在，與水的親和力大而不利于吸附。 因此，利用茶葉渣去除廢水中的苯酚應(yīng)在酸性溶液中進行，以達到最佳吸附效果。

2.6 吸附熱力學(xué)

結(jié)合2.3 中苯酚初始濃度對茶葉渣吸附苯酚實驗數(shù)據(jù)及1.2.3 中Langmuir 和Freundlich 模型的公式，對給定吸附劑濃度的實驗數(shù)據(jù)作線性趨勢分析，結(jié)果見圖 6、7。

圖6 Langmuir 模型線性擬合圖Fig.6 Langmuir model linear fitting graph

圖7 Freundlich 模型線性擬合圖Fig.7 Freundlich model linear fitting graph

由圖6 和圖7 對比可以看出，F(xiàn)reundlich 模型線性擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2更高，可達0.991，這說明茶葉渣吸附苯酚的吸附體系更加符合Freundlich方程。

2.7 茶葉渣的再生實驗結(jié)果

按照1.2.4 的再生實驗方法進行3 個周期的再生實驗，結(jié)果見圖8。

圖8 不同再生方法的再生率Fig.8 Regeneration effciency using different techniques

由圖8 可見，其中HCl 和NaOH 的再生效果較差。無水乙醇的再生效率最高，3 個周期之后的再生率還可達到88.1%。90℃熱水再生，第一次再生的效果較好，但第三次再生之后再生率只有39.1%?？赡苁怯捎谖锢碓偕沟貌枞~渣的孔徑擴張，影響吸附劑的吸附特性導(dǎo)致再生率的下降。所以茶葉渣的再生可選用無水乙醇。

3 結(jié)論

本文研究了茶葉渣對苯酚的吸附效果和再生能力，結(jié)論如下：

（1）吸附效果與吸附條件有關(guān)，當粒徑為100目，模擬含酚廢水初始濃度為100mg·L-1，反應(yīng)時間為60min，溶液的pH 值在偏酸性條件下，吸附的效果最好，吸附率可達60%以上。

（2）用 Langmuir 模型和Freundlich 模型對其吸附熱力學(xué)進行模擬分析，F(xiàn)reundlich 模型更能反映對苯酚的吸附。

（3）用無水乙醇再生3 次后，再生率可達88.1%。雖然茶葉渣是沖泡后茶葉的渣滓，但對含酚廢水的吸附能力完全沒有喪失，可以用于含酚廢水的處理。