茶樹修剪枝制備Cr（Ⅵ）吸附材料及其應用效果

王溁鴻 謝玉湘 劉新妹旦藝豪 劉 陽* 張 鉞

（1貴陽學院生物與環境工程學院，貴州貴陽 550005；2安順職業技術學院，貴州安順 561000）

重金屬是海洋、土壤、工業廢水中主要污染物，對環境和對人類造成嚴重危害。近年來，重金屬污染廢水違規排放，導致污染事故頻發，嚴重威脅著環境健康。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致過敏及遺傳性基因缺陷，吸入體內可能致癌，并且對環境有持久性危害[1-2]。因此，處理Cr（Ⅵ）水體污染是當今很重要的一門課題。

茶樹修剪枝是在茶樹栽培過程中培養樹冠、更新復壯樹勢時進行修剪而產生的殘物。中國是茶葉生產大國，管護過程產生的茶樹修剪枝幾乎被全部丟棄，造成巨大的資源浪費。研究表明，茶葉渣具有網狀結構、多孔、比表面積大等優點，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定的螯合物。茶葉中含有不溶性膳食纖維，具有較強的吸附性能，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、吸附時間和初始pH值對Cr（Ⅵ）污染廢水吸附效果的影響，以期為進一步推動茶樹修剪枝在工業中的應用提供理論依據及應用方法。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為秋季采自貴州省安順市舊州鎮茶園的30 cm左右的修剪枝條。茶樹修剪枝經蒸汽殺青90 s后置于110℃鼓風干燥箱干燥2 h，取出冷卻至室溫。用高速粉碎機粉碎、過篩，置于干燥器中備用。

1.2 試驗設計

試驗針對茶渣使用量、吸附時間、pH值、吸附溫度等4個因素分別設置4個水平（表1），以活性炭作對照，對Cr（Ⅵ）溶液進行吸附試驗，并測定吸附率和吸附量。

表1 不同吸附試驗因素的水平設置

1.3 試驗方法

準確稱取一定量茶樹修剪枝粉末于100 mL塑料瓶中（對照加入活性炭），分別加入配好的一定濃度的Cr（Ⅵ）溶液70 mL，加蓋。除溫度試驗外，均在室溫條件下振蕩一定時間后，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處測定溶液的吸光度。通過濾液中Cr（Ⅵ）的濃度計算出吸附率和吸附量（qe）。 公式如下：

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

2 結果與分析

2.1 Cr（Ⅵ）吸附標準曲線

圖1為Cr（Ⅵ）吸附標準曲線，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性，可用于測定Cr（Ⅵ）的吸附效果。

2.2 茶渣使用量對吸附效果的影響

為了研究茶樹修剪枝及活性炭的使用量對吸附效果的影響，本文設置了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如圖2所示。

當茶樹修剪枝的使用量為2 g時，吸附率達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生不必要的浪費。活性炭作為常用吸附劑，其吸附率隨使用量增加而升高，當使用量為5 g時，吸附率達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Cr（Ⅵ）的吸附效果影響。Cr（Ⅵ）的初始濃度為40 mg/L，吸附時間為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Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖3所示。

當吸附試驗的溫度為25℃時，茶樹修剪枝對Cr（Ⅵ）的吸附率最高；當溫度逐漸升高后，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。結合能源利用及時間因素，吸附溫度試驗確定較優溫度條件為25℃。

2.4 吸附時間對吸附效果的影響

為研究吸附時間變化對茶樹修剪枝吸附Cr（Ⅵ）效果的影響，設置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，設定吸附時間為90～150 min。不同吸附時間對Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖4所示。

當吸附時間為90 min時，茶樹修剪枝對Cr（Ⅵ）的吸附率最高；當吸附時間超過90 min時，吸附率隨吸附時間增加而大致降低；當吸附時間為120 min時，吸附率較低，僅為35.73%。活性炭對Cr（Ⅵ）的吸附率隨吸附時間的增加而大致上升，當吸附時間為150 min時，吸附率達到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生的。從吸附總體進程及試驗效率方面綜合考慮，確定較優吸附時間為90 min。

2.5 pH值對吸附效果的影響

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，本文設置了不同pH值環境處理。Cr（Ⅵ）的初始濃度為40 mg/L，吸附溫度為25℃，吸附時間為90 min，茶樹修剪枝和活性炭的用量均為2 g，pH值設定為2～5。 不同pH值對Cr（Ⅵ）吸附率的影響如圖5所示。

隨著吸附環境pH值的增加，茶樹修剪枝及活性炭對Cr（Ⅵ）的吸附率均呈現下降趨勢，當pH=2時，吸附率最高，分別為72.63%和83.98%，茶樹修剪枝的吸附率達到活性炭吸附率的86.48%。試驗結果與劉智峰等[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 結論

研究結果表明，利用茶樹修剪枝為原料加工制成的茶葉渣對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℃、吸附時間為90 min、pH值為2。在這個試驗條件下，茶葉渣的吸附率為72.63%，相同試驗條件下的活性炭吸附率為83.98%。在本試驗中，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，但在合適的吸附環境下，茶樹修剪枝吸附率接近活性炭的吸附率，能達到活性炭吸附率的86.48%。茶樹修剪枝作為廢物利用在吸附材料領域有一定的研究意義。結合茶樹修剪枝的利用現狀，利用其吸附重金屬鉻，可以提高茶園資源的利用率，達到變廢為寶的效果，在污水治理工程中也有一定的研究價值，可作為工業及日常生活所需的吸附劑。目前，針對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單、有效，可為拓寬茶樹資源開發利用途徑提供一定的參考。