廢棄茶葉水溶液起泡能力和泡沫穩(wěn)定性能的研究

曹行健，鄭繽雁，譚 新，秦利輝，張圣東，馬元斌

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

浮選是處理小于 0.5 mm 的細(xì)粒煤最廣泛、最有效的分選方法[1-2]。起泡劑是浮選中必須使用的浮選藥劑，直接影響浮選的效果[3-5]。生產(chǎn)高效低廉的起泡劑是降低浮選作業(yè)成本的有效途徑。

我國(guó)是茶葉大國(guó)，每年會(huì)產(chǎn)生大量廢棄茶葉，大部分廢棄茶葉直接進(jìn)行焚燒或掩埋處理[6-7]。茶葉中茶皂素分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)連接疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)，是一種天然的非離子型表面活性劑，具有較好的起泡能力[8-13]。利用廢棄茶葉中的茶皂素制備浮選用起泡劑，可以實(shí)現(xiàn)廢棄茶葉的資源化利用。

本文研究了廢棄茶葉水溶液的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性能，為后續(xù)制備浮選起泡劑提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 廢棄茶葉水溶液的制備

將茶葉用溫度為 100 ℃ 的去離子水浸泡 4 h后過(guò)濾烘干，得到廢棄茶葉，裝袋密封，試驗(yàn)備用。

稱取一定質(zhì)量的廢棄茶葉，按給定的質(zhì)量比用去離子水浸泡一段時(shí)間后，用濾紙過(guò)濾得到廢棄茶葉水溶液，測(cè)定其起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。

1.2 起泡能力和泡沫穩(wěn)定性能的測(cè)試

本文使用圖1所示的泡沫掃描儀測(cè)定起泡能力和泡沫穩(wěn)定性能。

圖1 泡沫圖像掃描測(cè)儀

起泡能力（Foam Capacity，F(xiàn)C）用單位液體轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽w積數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，F(xiàn)C值越大，其起泡能力越強(qiáng)。充氣結(jié)束后，單位液體轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽w積數(shù)為FC，用公式（1）計(jì)算。

—試驗(yàn)注入的液體體積，mL；

充氣結(jié)束時(shí)產(chǎn)生液體體積，mL。

泡沫的穩(wěn)定性（Foam Liquid Stability，F(xiàn)LS）用泡沫攜液能力表征，F(xiàn)LS值越大，說(shuō)明泡沫攜液能力越強(qiáng)，泡沫越穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)用充氣結(jié)束后20 s時(shí)的FLS值來(lái)表征廢棄茶葉水溶液泡沫穩(wěn)定性，即充氣結(jié)束后20 s，泡沫中液體體積減少百分?jǐn)?shù)，采用公式（2）計(jì)算。

—充氣結(jié)束后10s液體的體積，mL；

—充氣結(jié)束時(shí)液體的體積，mL。

1.3 表面張力的測(cè)定

本文使用TRACKER測(cè)定廢棄茶葉水溶液的表面張力。試驗(yàn)溫度 20 ℃，以 1 000 s 后表面張力變化范圍在±0.5 mN·m-1為測(cè)試終點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 茶葉質(zhì)量濃度對(duì)廢棄茶葉水溶液起泡性能和泡沫穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖2、圖3。

圖2 茶葉質(zhì)量濃度對(duì)起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響

圖3 茶葉質(zhì)量濃度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

從表1可以看出，廢棄茶葉水溶液的表面張力高于水的表面張力，隨著廢棄茶葉質(zhì)量濃度的升高，茶葉水溶液表面張力降低，當(dāng)質(zhì)量濃度大于16.67 g·L-1茶葉水溶液的表面張力變化不大，起泡能力變化不明顯。因此，質(zhì)量濃度為 100 g·L-1時(shí)，廢棄茶葉水溶液表面張力最低，為51.15 mN·m-1，水溶液起泡能力最好，達(dá)到3.62 mL·mL-1。

表1 質(zhì)量濃度對(duì)廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

從圖2可以看出，隨著廢棄茶葉質(zhì)量濃度的升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增加，質(zhì)量濃度較低時(shí)，起泡能力增加速率較快，質(zhì)量濃度較高時(shí)，起泡能力增加速率平緩。泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，純液體很難形成穩(wěn)定的泡沫。如果需要形成穩(wěn)定的泡沫，就需要降低液體的表面張力，表面張力越小，越容易生成泡沫[14]。從圖3可以看出，隨著廢棄茶葉質(zhì)量濃度的升高，泡沫攜液能力FLS值增大，表明泡沫的穩(wěn)定性越好。當(dāng)茶葉質(zhì)量濃度為100 g·L-1時(shí)，充氣結(jié)束20 s后，F(xiàn)LS值高達(dá)88%，泡沫穩(wěn)定。

2.2 浸泡溫度對(duì)廢棄茶葉水溶液起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。

從圖4和表2中數(shù)據(jù)可以看出，相同質(zhì)量濃度下，隨著浸泡溫度升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增加，40～60 ℃范圍內(nèi)變化較快，而后增速變慢。水溶液的表面張力是先降低后增加，溫度在80 ℃左右時(shí)，表面張力最小。

圖4 浸泡溫度對(duì)起泡性能的影響

表2 浸泡溫度對(duì)廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

圖5中曲線表明，相同質(zhì)量濃度下，隨著浸泡溫度升高，泡沫攜液能力FLS值增大，穩(wěn)定性變好，但溫度升高到70 ℃，F(xiàn)LS值反而下降，穩(wěn)定性變差，繼續(xù)升高溫度，F(xiàn)LS值又增大，泡沫穩(wěn)定性又變好，這可能與茶皂素溶液的表面黏度較高有關(guān)[9,15]。

圖5 浸泡溫度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

2.3 浸泡時(shí)間對(duì)廢棄茶葉水溶液起泡性能和泡沫穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖4。

表3 浸泡時(shí)間對(duì)廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

可以看出，在相同的質(zhì)量濃度下，浸泡溫度為70 ℃時(shí)，浸泡時(shí)間為6 h，水溶液的表面張力最小，但是起泡能力卻是最差，這與茶水中的亞硝酸鹽含量有關(guān)，此條件下亞硝酸鹽析出量最少，浸泡時(shí)間增加，亞硝酸鹽析出量增加，導(dǎo)致表面張力的增大。隨著浸泡時(shí)間增加，泡沫攜液能力FLS值增大，泡沫穩(wěn)定性變好。

圖6 浸泡時(shí)間對(duì)起泡性能的影響

圖7 浸泡時(shí)間對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

3 結(jié) 論

1）廢棄茶葉質(zhì)量濃度越高，水溶液的起泡能力越強(qiáng)，泡沫穩(wěn)定性越好。

2）浸泡溫度升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增強(qiáng)，溫度為80 ℃，泡沫穩(wěn)定性最好。

3）浸泡時(shí)間為6 h，水溶液的表面張力最小，起泡能力最差。浸泡時(shí)間增加，泡沫穩(wěn)定性變好。