茶樹修剪枝制備Cr（Ⅵ）吸附材料及其應(yīng)用效果

王溁鴻 謝玉湘 劉新妹旦藝豪 劉 陽(yáng)* 張 鉞

（1貴陽(yáng)學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550005；2安順職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州安順 561000）

重金屬是海洋、土壤、工業(yè)廢水中主要污染物，對(duì)環(huán)境和對(duì)人類造成嚴(yán)重危害。近年來(lái)，重金屬污染廢水違規(guī)排放，導(dǎo)致污染事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著環(huán)境健康。重金屬鉻在水中主要以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）存在，其中Cr（Ⅵ）毒性最大，人體皮膚接觸可能導(dǎo)致過(guò)敏及遺傳性基因缺陷，吸入體內(nèi)可能致癌，并且對(duì)環(huán)境有持久性危害[1-2]。因此，處理Cr（Ⅵ）水體污染是當(dāng)今很重要的一門課題。

茶樹修剪枝是在茶樹栽培過(guò)程中培養(yǎng)樹冠、更新復(fù)壯樹勢(shì)時(shí)進(jìn)行修剪而產(chǎn)生的殘物。中國(guó)是茶葉生產(chǎn)大國(guó)，管護(hù)過(guò)程產(chǎn)生的茶樹修剪枝幾乎被全部丟棄，造成巨大的資源浪費(fèi)。研究表明，茶葉渣具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、多孔、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，可作為吸附材料[3-7]。茶葉中茶多酚含有大量活性羥基[8]，能與其他金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物。茶葉中含有不溶性膳食纖維，具有較強(qiáng)的吸附性能，可以有效地吸附污染廢水中的重金屬離子，如 As（Ⅲ）、Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）等[9]。

本試驗(yàn)利用茶樹修剪枝制備茶渣吸附材料，探討茶樹修剪枝投放量、吸附溫度、吸附時(shí)間和初始pH值對(duì)Cr（Ⅵ）污染廢水吸附效果的影響，以期為進(jìn)一步推動(dòng)茶樹修剪枝在工業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)及應(yīng)用方法。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為秋季采自貴州省安順市舊州鎮(zhèn)茶園的30 cm左右的修剪枝條。茶樹修剪枝經(jīng)蒸汽殺青90 s后置于110℃鼓風(fēng)干燥箱干燥2 h，取出冷卻至室溫。用高速粉碎機(jī)粉碎、過(guò)篩，置于干燥器中備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)針對(duì)茶渣使用量、吸附時(shí)間、pH值、吸附溫度等4個(gè)因素分別設(shè)置4個(gè)水平（表1），以活性炭作對(duì)照，對(duì)Cr（Ⅵ）溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，并測(cè)定吸附率和吸附量。

表1 不同吸附試驗(yàn)因素的水平設(shè)置

1.3 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取一定量茶樹修剪枝粉末于100 mL塑料瓶中（對(duì)照加入活性炭），分別加入配好的一定濃度的Cr（Ⅵ）溶液70 mL，加蓋。除溫度試驗(yàn)外，均在室溫條件下振蕩一定時(shí)間后，抽濾分離茶渣與濾液。取25 mL濾液于50 mL比色管中，依次加入H2SO41.00 mL和磷酸0.50 mL，搖勻，再加入DPCI溶液2.00 mL，立即混勻，用水稀釋至刻度線。靜置5 min，以蒸餾水作參比，在540 nm處測(cè)定溶液的吸光度。通過(guò)濾液中Cr（Ⅵ）的濃度計(jì)算出吸附率和吸附量（qe）。 公式如下：

式中：C0為原溶液中Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度（mg/L）；Ce為吸附平衡時(shí)溶液中 Cr（Ⅵ）的初始質(zhì)量濃度（mg/L）；qe為平衡吸附量（mg/g）；V 為溶液體積（L）；m 為茶葉粉末質(zhì)量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr（Ⅵ）吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖1為Cr（Ⅵ）吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性方程為y=0.654 8x+0.009 5，R2=0.993 5。該方程有良好的相關(guān)性，可用于測(cè)定Cr（Ⅵ）的吸附效果。

2.2 茶渣使用量對(duì)吸附效果的影響

為了研究茶樹修剪枝及活性炭的使用量對(duì)吸附效果的影響，本文設(shè)置了4種不同用量處理。其中，Cr（Ⅵ）的初始濃度為40 mg/L，吸附溫度為25℃，吸附時(shí)間為90 min，pH值為4。不同茶樹修剪枝及活性炭使用量的吸附率變化趨勢(shì)如圖2所示。

當(dāng)茶樹修剪枝的使用量為2 g時(shí)，吸附率達(dá)58.75%，吸附效果較好；隨著使用量的增加，吸附體系空間減小使吸附率逐漸下降，再增加茶渣使用量將產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)?；钚蕴孔鳛槌Ｓ梦絼湮铰孰S使用量增加而升高，當(dāng)使用量為5 g時(shí)，吸附率達(dá)98.51%，幾乎吸附完全。從資源利用的角度，確定吸附材料使用量為2 g。

2.3 溫度對(duì)吸附效果的影響

本文研究了 4 種溫度（20、25、30、35 ℃）下茶葉渣對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附效果影響。Cr（Ⅵ）的初始濃度為40 mg/L，吸附時(shí)間為90 min，pH值為4，茶樹修剪枝和活性炭的使用量均為2 g。不同吸附溫度對(duì)Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖3所示。

當(dāng)吸附試驗(yàn)的溫度為25℃時(shí)，茶樹修剪枝對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附率最高；當(dāng)溫度逐漸升高后，吸附率隨溫度升高而降低。活性炭的吸附率隨溫度增加而略有降低，但均高于77%。茶樹修剪枝和活性炭對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附均受溫度影響，但茶樹修剪枝受溫度影響更大。結(jié)合能源利用及時(shí)間因素，吸附溫度試驗(yàn)確定較優(yōu)溫度條件為25℃。

2.4 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

為研究吸附時(shí)間變化對(duì)茶樹修剪枝吸附Cr（Ⅵ）效果的影響，設(shè)置Cr的初始濃度為40 mg/L，吸附溫度為25℃，pH為4，茶樹修剪枝和活性炭的用量同為2 g，設(shè)定吸附時(shí)間為90～150 min。不同吸附時(shí)間對(duì)Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖4所示。

當(dāng)吸附時(shí)間為90 min時(shí)，茶樹修剪枝對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附率最高；當(dāng)吸附時(shí)間超過(guò)90 min時(shí)，吸附率隨吸附時(shí)間增加而大致降低；當(dāng)吸附時(shí)間為120 min時(shí)，吸附率較低，僅為35.73%?；钚蕴繉?duì)Cr（Ⅵ）的吸附率隨吸附時(shí)間的增加而大致上升，當(dāng)吸附時(shí)間為150 min時(shí)，吸附率達(dá)到99.35%。2種材料吸附效果的差異可能是由不同吸附原理而產(chǎn)生的。從吸附總體進(jìn)程及試驗(yàn)效率方面綜合考慮，確定較優(yōu)吸附時(shí)間為90 min。

2.5 pH值對(duì)吸附效果的影響

為了研究茶樹修剪枝吸附Cr（Ⅵ）的效果隨溶液pH值的變化情況，本文設(shè)置了不同pH值環(huán)境處理。Cr（Ⅵ）的初始濃度為40 mg/L，吸附溫度為25℃，吸附時(shí)間為90 min，茶樹修剪枝和活性炭的用量均為2 g，pH值設(shè)定為2～5。 不同pH值對(duì)Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖5所示。

隨著吸附環(huán)境pH值的增加，茶樹修剪枝及活性炭對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)pH=2時(shí)，吸附率最高，分別為72.63%和83.98%，茶樹修剪枝的吸附率達(dá)到活性炭吸附率的86.48%。試驗(yàn)結(jié)果與劉智峰等[10]使用改性茶葉渣吸附Cr（Ⅵ）的研究相符，最佳pH值確定為2。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，利用茶樹修剪枝為原料加工制成的茶葉渣對(duì)Cr（Ⅵ）有較好的吸附效果，其最佳的吸附條件：茶葉渣的用量為2 g、吸附溫度為25℃、吸附時(shí)間為90 min、pH值為2。在這個(gè)試驗(yàn)條件下，茶葉渣的吸附率為72.63%，相同試驗(yàn)條件下的活性炭吸附率為83.98%。在本試驗(yàn)中，以常用吸附劑活性炭作為參照物，雖然茶樹修剪枝的吸附率不如活性炭，但在合適的吸附環(huán)境下，茶樹修剪枝吸附率接近活性炭的吸附率，能達(dá)到活性炭吸附率的86.48%。茶樹修剪枝作為廢物利用在吸附材料領(lǐng)域有一定的研究意義。結(jié)合茶樹修剪枝的利用現(xiàn)狀，利用其吸附重金屬鉻，可以提高茶園資源的利用率，達(dá)到變廢為寶的效果，在污水治理工程中也有一定的研究?jī)r(jià)值，可作為工業(yè)及日常生活所需的吸附劑。目前，針對(duì)茶葉渣及改性茶葉渣作吸附材料的研究主要采用茶葉成品再加工的方式[11-12]，利用茶樹修剪枝制備吸附材料簡(jiǎn)單、有效，可為拓寬茶樹資源開發(fā)利用途徑提供一定的參考。