磁性改性茶葉渣對(duì)鉛離子吸附性能的研究

　　

　　陳金融，李書啟·

　　

　?。ㄌ旖蛱飒{學(xué)院，天津 301700）

　　

　　基金項(xiàng)目∶天津市高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910859004）。

　　

　　作者簡(jiǎn)介∶ 陳金融（1998—），男，河南信陽(yáng)人，本科。研究方向∶生物工程。

　　

　　通信作者; 李書啟（1985—），女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士，講師。研究方向;化學(xué)改性材料。E-mail∶526824874@9q.com。

　　

　　摘 要∶以茶葉渣為原料，通過(guò)共沉法制備鉛離子吸附材料磁性茶葉渣（Magnetic Tea Leaf，MTL），用紅外光譜對(duì)MTL的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，利用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，考察初始濃度、pH、吸附時(shí)間和溫度對(duì)吸附效果的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)確定最優(yōu)吸附條件為鉛離子初始濃度 140 μg /mL，初始 pH值5.5，吸附時(shí)間140 min，吸附反應(yīng)溫度 40 ℃，此條件下吸附率為79. 08%,吸附容量為27. 67 mg/g。

　　

　　關(guān)鍵詞∶磁性;改性;茶葉渣;鉛離子;吸附

　　

　　近幾十年，重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重，引起了社會(huì)的廣泛 關(guān)注。鉛是一種對(duì)人體危害極大的有毒重金屬，當(dāng)其流入江 河湖泊，水體會(huì)受到污染，還會(huì)隨食物鏈富集傳遞，對(duì)神 經(jīng)、造血、消化、腎臟、心血管和內(nèi)分泌等多個(gè)系統(tǒng)造成 危害，若含量過(guò)髙則會(huì)引起鉛中毒甚至死亡因此，急 需高效快速的去除污水中的重金屬的方法，現(xiàn)如今去除污 水中鉛離子的傳統(tǒng)方法有很多，例如生物材料吸附法、化 學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、活性炭吸附法、膜技術(shù)、離子交換 法等邱。

　　

　　作為飲茶大國(guó)，2019年茶葉銷量為206萬(wàn)t,預(yù)計(jì)在 2023年時(shí)，茶葉銷量將超過(guò)251萬(wàn)t171。茶葉是一種多孔性 的含碳物質(zhì)，具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大表面積回。還 含有許多活性成分，如茶多糖、茶多酚(兒茶素類、黃酮昔 類等)、茶皂素、可可堿、維生素、微量元素(鉀、鈉、鎂、鈣、 銅、鋅等)及芳香物質(zhì)等四。茶葉渣作為吸附劑，常用于去 除污水中 Cr\ As3\ Pb2\ Cd2\ Cu\ Ni2\ Zn2\ 孔雀石綠、 亞甲藍(lán)、苯酚等ui%通過(guò)改性方法降低成本、提高效率， 例如甲醛改性網(wǎng)、茶葉渣活性炭四、氧化劑改性四、乙醇皿、 表面活性劑網(wǎng)、酸堿改性四，但對(duì)茶葉進(jìn)行磁性改性的研 究較少。

　　

　　本研究以茶葉渣為材料，通過(guò)磁性改性，得到磁性改性 茶葉渣(MTL),釆用紫外分光光度計(jì)測(cè)定鉛含量，以鉛的 吸附率和吸附容量為判斷指標(biāo)，研究MTL對(duì)污水中的鉛離 子最佳吸附條件。

　　

　　1材料與方法

　　

　　1.1材料與試劑

　　

　　本研究所用的綠茶購(gòu)自青島嶗陳茶有限公司； 鉛［Pb( II )］標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 pg/mL),國(guó)家有色金屬及 電子材料分析測(cè)試中心國(guó)標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司； FeCl3-6H2O> FeSO4-7H2O>氟化俊、氨水、亞鐵氤化鉀、 十二烷基硫代硫酸鈉、NaOH溶液、抗壞血酸、氯化鈣、鹽 酸、無(wú)水乙醇、冰乙酸、百里酚藍(lán)、二甲酚橙均為分析純， 均購(gòu)于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

　　

　　1.2儀器

　　

　　FTIR920型紅外光譜儀：天津市拓普儀器有限公司； DZF-6020型真空干燥箱：上?？茣钥茖W(xué)儀器有限公司； BS124s型分析天平：北京賽多利斯儀器有限公司；UV1000 紫外可見分光光度計(jì)：上海天美科學(xué)儀器有限公司； XMTD-204恒溫水浴鍋：天津歐諾儀器股份有限公司。

　　

　　1.3磁性茶葉渣制備方法

　　

　　1.3.1茶葉渣的前處理工藝研究

　　

　　以綠茶茶渣為原料，對(duì)綠茶進(jìn)行分揀，在90。(2的溫度 下用蒸餡水進(jìn)行色素消除，70 P條件下烘干至恒量，磨粉， 過(guò)80目篩，并得到了后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需的茶葉渣粉(Tea leaf, TL),置于密封袋中備用。

　　

　　1.3.2磁性粒子的制作

　　

　　通過(guò)共沉法朗制備磁性粒子，WFeCl36H2O(10.8 116g) 和 FeSO4-7H2O(5.5 604 g)溶于 200 mL 去離子水中，使 Fe3+ 與Fe，+摩爾濃度比為2 : 1,超聲30 min,功率400 W, 兩者充分溶解混合。用25%?28%的氨水調(diào)節(jié)體系pH值 為9.7,繼續(xù)超聲lh,利用強(qiáng)力磁鐵進(jìn)行磁性分離，最后用 去離子水沖洗至中性，在70。(3下干燥至恒量，粉碎過(guò)篩后 得到成品磁性粒子，置于密封袋內(nèi)封口保存。

　　

　　1.3.3磁性粒子與茶葉渣復(fù)合成磁性茶葉渣(MTL)

　　

　　稱取10 g磁性粒子溶于30 mL水中，加入2.22 g十二 烷基硫代硫酸鈉和1 mL 5 mol/L的NaOH溶液，將此混合 物置于92 P的條件下加熱1 h,再用鹽酸調(diào)節(jié)至中性，收 集固體，獲得磁化劑。稱取30 g處理后的茶葉渣粉浸泡在 150 mL、0.002 mol/L的氯化鈣溶液中活化2 h,加入磁化劑 溶于適當(dāng)量水中60。(3攪拌，用去離子水和無(wú)水乙醇各洗滌 3次沖掉活化劑及剩余的磁化劑，最后將其于70 P烘干， 得到磁性茶葉渣吸附劑MTL[21]。

　　

　　1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

　　

　　采用控制變量法分析鉛離子初始濃度、吸附時(shí)間、溫度、pH值對(duì)吸附性能的影響。稱取0.1g的MTL加入25mL已知濃度的鉛［Pb(II)]標(biāo)準(zhǔn)溶液中，控制初始pH值2.0~6.5,在恒溫水浴搖床中振蕩20~160min,溫度為20~60℃.吸附完成后，立即離心分離，測(cè)定鉛離子濃度，并計(jì)算吸附率（式1)和吸附容量（式2).制備1μg/mL、2 μg/mL、4 μg/mL、6 μg/mL、8 μg/mL 和10 μg/mL 濃度梯度的鉛溶液，采用分光光度計(jì)于580nm下測(cè)定吸光度值。以鉛離子濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)繪制工作曲線：y=0.024x+0.004 7,R2=0.9990.

　　

　　式中，％為吸附容量，mg/g； T為吸附體積，L； m為 吸附劑用量，g; G為起始濃度和G吸附平衡后濃度，mg/Lo 2結(jié)果與分析

　　

　　2.1 MTL吸附劑的表征

　　

　　TL和MTL的紅外光分析圖譜如圖1、2, TL在3 417 cnF 和1 375 cnf 1附近出現(xiàn)明顯的吸收峰，主要是茶葉渣中的酚 羥基和醇羥基的收縮振動(dòng)，1 639 cm1附近的吸收峰是碳氧 雙鍵C=O的伸縮振動(dòng)，1 053 cm"附近的吸收峰是來(lái)自碳氧 單鍵(C-O)的伸縮振動(dòng)。茶葉存在的這些官能團(tuán)物質(zhì)主要為 茶多酚、茶多糖和茶蛋白等，為吸附鉛離子提供了可能四。 對(duì)比TL和MTL的紅外光譜圖可以發(fā)現(xiàn)吸收峰由3 417.6 cm1 移動(dòng)至 3 435.6 cm \ 1 638.9 cm1 移至 1 635.6 cm-1, 1 375.7 cm1 移動(dòng)到 1 395.4 cm"1, 1 053.2 cm 1 移至 1 058.1 cnfi,主要是 因?yàn)楦男院驧TL羥基(-OH)的收縮振動(dòng)增強(qiáng)，稜酸類和酰 胺類化合物中C=O的收縮振動(dòng)減弱，聚天冬氨酸上C=O絡(luò) 合作用的加強(qiáng)，脂肪醜中的碳氧單鍵(C-O)的收縮振動(dòng)加強(qiáng), 在640 cm1附近增強(qiáng)的吸收峰對(duì)應(yīng)的是Fe-O,這證明了反 應(yīng)產(chǎn)物中鐵氧化物的增多。

　　

　　2.2確定最優(yōu)吸附條件

　　

　　對(duì)MTL的吸附效果進(jìn)行測(cè)定，分析不同吸附條件對(duì)吸 附率的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)確定最優(yōu)吸附條件。

　　

　　2.2.1初始濃度對(duì)MTL吸附率和吸附容量的影響

　　

　　Pd2+溶液的初始濃度與MTL吸附率和吸附容量的關(guān)系 如圖3所示。當(dāng)Pd2+溶液初始質(zhì)量濃度從20 gg/mL增加 到120 pig/mL時(shí)，MTL對(duì)Pd2+的吸附容量增大，達(dá)到了 23.41 mg/g,初始濃度為120 gg/mL到160 gg/mL范圍時(shí)， MTL的吸附容量基本不變。當(dāng)Pd2+溶液初始質(zhì)量濃度在 20?60 gg/rnL內(nèi)，吸附率變化不大，濃度大于60 pg/mL時(shí), 吸附率開始逐漸降低。這是由于當(dāng)水樣鉛離子濃度較低時(shí)， 絕大部分鉛離子可以被MTL所吸附，吸附率隨之升高，達(dá) 到91%,但是隨著鉛離子初始濃度的升高，吸附達(dá)到飽和， 吸附率下降。

　　

　　圖3溶液的初始濃度與MTL吸附率和吸附容量的關(guān)系

　　

　　2.2.2吸附時(shí)間對(duì)MTL吸附率和吸附容量的影響

　　

　　吸附時(shí)間與MTL吸附率和吸附容量的關(guān)系如圖4所示, 在20?120 min內(nèi)，MTL對(duì)鉛離子的吸附率和吸附容量隨 時(shí)間的增加而增大，120 min之后基本不變。MTL對(duì)鉛離子 的吸附是個(gè)比較快速的吸附過(guò)程，120 min以后，吸附率和 吸附容量變化不大，達(dá)到了平衡狀態(tài)，這是因?yàn)槲轿稽c(diǎn)被 占據(jù)，達(dá)到了飽和。在120 min時(shí)MTL對(duì)鉛離子的吸附率 達(dá)到77.33%,吸附容量達(dá)到23.20 mg/g。

　　

　　2.2.3吸附溫度對(duì)MTL吸附率和吸附容量的影響

　　

　　吸附溫度與MTL吸附率和吸附容量的關(guān)系如圖5所示。 吸附溫度在20?40 °C變化時(shí)，MTL的吸附率和吸附容量 上升。溫度的升高，導(dǎo)致活化分子數(shù)目增多，吸附反應(yīng)更 容易發(fā)生，同時(shí)溫度升高也引起了茶葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溶脹效 應(yīng)，從而導(dǎo)致吸附率和吸附容量上升㈣，溫度超過(guò)40 P以 后，分子熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，吸附反應(yīng)反而不容易發(fā)生，也 可能是溫度過(guò)高改變了 MTL的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致了吸附率和 吸附容量的下降。在40。(3時(shí)MTL對(duì)鉛離子的吸附率達(dá)到 77.67%,吸附容量達(dá)到23.30 mg/g.

　　

　　2.2.4初始pH值影響

　　

　　初始pH與MTL吸附率和吸附容量的關(guān)系如圖6所示。

　　

　　由圖6可知，pH在2.0?3.0時(shí)，MTL對(duì)鉛離子的吸 附率和吸附容量基本不變，在pH3.0?5.0,吸附率和吸附 容量隨著pH的增加而增加，并在pH為5時(shí)達(dá)到最大。pH 值稍高時(shí)Pb2+的吸附率和吸附容量變化不大。當(dāng)溶液的pH 較低時(shí)，高濃度的If,與鉛離子發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，使得MTL 的吸附率和吸附容量較小。隨著溶液pH值的增加，溶液中 If濃度逐漸變低，競(jìng)爭(zhēng)作用減小，同時(shí)JT與吸附劑之間的 靜電作用也會(huì)減弱，使MTL有更多的吸附位點(diǎn)與鉛離子發(fā) 生吸附，吸附率和吸附容量上升。

　　

　　2.2.5正交試驗(yàn)

　　

　　為了進(jìn)一步研究MTL對(duì)Pd，+吸附性能的影響，設(shè)計(jì)正 交試驗(yàn)L9 (34),確定MTL最佳吸附條件，因素水平見表 1。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2,由極差2?值可以看出，影響MTL 吸附效果的因素順序?yàn)镃>B>D>A,即濃度〉溫度〉 時(shí)間〉pH。得出最佳吸附條件為濃度140昭/mL、溫度40 °C, 時(shí)間140 min,酸堿度pH5.5,在最優(yōu)條件下，MTL吸附容 量達(dá)到 27.67 mg/go

　　

　　3結(jié)論

　　

　　研究以茶葉渣為原料，釆用磁性改性的方法，得到磁性 改性茶葉渣(MTL),通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定MTL 吸附鉛離子的最佳條件為：鉛離子初始濃度140 ng/mL,吸 附時(shí)間140 min,初始pH值5.5,吸附反應(yīng)溫度40 °C,吸 附率為79.08%,吸附容量為27.67 mg/g。

　　

　　參考文獻(xiàn)

　　

　　[1]文永林，劉攀，湯琪.農(nóng)林廢棄物吸附脫除廢水中重金 屬研究進(jìn)展[J],化工進(jìn)展,2016,35(4):1208-1215.

　　

　　[2]姚寶艷，張玉環(huán).環(huán)境中鉛的污染、毒性與防治對(duì)策[J], 科技信息,2007(6):215.

　　

　　[3]趙揚(yáng)，汪源浩.化學(xué)沉淀-吸附法處理電鍍廢水的研究 [J],電鍍與環(huán)保,2020,40(1):61-64.

　　

　　[4]袁紹軍，姜斌.電解法凈化含重金屬離子廢水的試驗(yàn)研 究[J].化學(xué)工業(yè)與工程2003,20(1):7-10.

　　

　　[5]謝輝玲，葉紅齊，曾堅(jiān)賢.膜分離技術(shù)在重金屬?gòu)U水處 理中的應(yīng)用[J].化學(xué)與生物工程,2005(5):4143.

　　

　　[6]雷兆武，孫穎.離子交換技術(shù)在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng) 用[J].環(huán)境科學(xué)與管理>2008,33(10):82-84.

　　

　　[7]鄒溪.茶葉行業(yè)及茶葉行業(yè)質(zhì)量現(xiàn)狀的研究[J],福建茶 葉,2020,42(9):49-50.

　　

　　[8]李志威.茶渣的綜合利用研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科 技,2020(6):219-220.

　　

　　[9]廖嬋娟，曹雅琴，趙健全，等.茶葉渣再利用技術(shù)在水 處理中的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工^016,45(11):2144-2148.

　　

　　[10]萬(wàn)順利，徐圣友，張慶瑞，等.廢棄茶葉渣凈化水體中 重金屬的研究進(jìn)展[J],水處理技術(shù),2013,39(8):8-9.

　　

　　[11]馬宏飛，劉榮強(qiáng)，李薇，等.茶葉渣對(duì)孔雀石綠吸附性 能研究[J].應(yīng)用化工 ^015,44(6):1090-1094.

　　

　　[12]UDDIN M,ISLAM MA, MAHMUD S, et al.Adsorptive removal of methylene blue by tea waste[J]. Journal of Hazardous Materials,2009,164(l):53?60.

　　

　　[13]GOKCE YAKIAS Z.Nitric acid modification of activated carbon produced from waste tea and adsorption of methylene blue and phenol[J].Applied Surface Science,2013(313):352?359.

　　

　　[14]趙秀琴，向乾坤.甲醛改性茶葉渣對(duì)廢水中銘■的吸附 研究[J],江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(11):372-374.

　　

　　[15]RAJAPAKSHA A.U,VITHANAGE M,ZHANG M,et al.Pyrolysis condition affected sulfamethazine sorption by tea waste biochars[J] .Bioresource Technology,2014(166):303-308.

　　

　　[16]萬(wàn)順利，馬釗釗，薛瑤，等,氧化猛改性的茶葉渣吸附 水體中 Pb( n )[J],環(huán)境化學(xué) 2014,33(12):2198-2205.

　　

　　[17]宋娟娟,廢棄茶葉渣處理含酚■廢水的研究[J],科技創(chuàng) 新與應(yīng)用,2014(21):48^9.

　　

　　[18]MOHAMMAD FD,HOSSEIN A,MOHAMAD E,et al.Experimental study on the adsorptive behavior of Congo red in cationic surfactant-modified tea waste [J].Process Safety and Environmental Protection,2015(95):226-236.

　　

　　[19]AZADEH EP,ELHAM S,MOSLEM B,et al.Alkali treated Foumanat tea waste as an efficient adsorbent form ethylene blue adsorption from aqueous solution]J].Water Resources and Industry2014(6):64-80.

　　

　　[20]GURUNG M,ADHIKARI B.B,Alam S,et al.Adsorptive removal of Cs (I) from aqueous solution using polyphenols enriched biomass-based adsorbents [J] .Chemical Engineering Joumal^013,231(9):113-120.

　　

　　[21]陳義倫，姚巧云，劉魯強(qiáng),改性磁性荔枝皮對(duì)水及果汁中 神的吸附效果及動(dòng)力學(xué)分析P].農(nóng)業(yè)工^學(xué)報(bào),2018,34(1)^-272.

　　

　　[22]ZHU FJMA SY LIU T,et al.Green synthesis of nano zero- valent iron/Cu by green tea to remove hexavalent chromium from groundwater[J] Journal of Cleaner Production,2018(174): 184-190.

　　

　　[23]FAN SS,WANG YjLI Yet aLFacile synthesis of tea waste/ 「63()4 nanoparticle composite for hexavalent chromium removal from aqueous solution[J].RSC Advances,2017,7(13):7576-7590.