磁性改性茶叶渣对铅离子吸附性能的研究

　　磁性改性茶叶渣对铅离子吸附性能的研究

　　

　　陈金融，李书启·

　　

　　（天津天狮学院，天津 301700）

　　

　　基金项目∶天津市高等学校大学生创新训练计划项目（201910859004）。

　　

　　作者简介∶ 陈金融（1998—），男，河南信阳人，本科。研究方向∶生物工程。

　　

　　通信作者; 李书启（1985—），女，内蒙古呼伦贝尔人，硕士，讲师。研究方向;化学改性材料。E-mail∶526824874@9q.com。

　　

　　摘 要∶以茶叶渣为原料，通过共沉法制备铅离子吸附材料磁性茶叶渣（Magnetic Tea Leaf，MTL），用红外光谱对MTL的化学结构进行表征，利用紫外分光光度计进行测定，考察初始浓度、pH、吸附时间和温度对吸附效果的影响。通过正交试验确定最优吸附条件为铅离子初始浓度 140 μg /mL，初始 pH值5.5，吸附时间140 min，吸附反应温度 40 ℃，此条件下吸附率为79. 08%,吸附容量为27. 67 mg/g。

　　

　　关键词∶磁性;改性;茶叶渣;铅离子;吸附

　　

　　近几十年，重金属污染越来越严重，引起了社会的广泛 关注。铅是一种对人体危害极大的有毒重金属，当其流入江 河湖泊，水体会受到污染，还会随食物链富集传递，对神 经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统造成 危害，若含量过髙则会引起铅中毒甚至死亡因此，急 需高效快速的去除污水中的重金属的方法，现如今去除污 水中铅离子的传统方法有很多，例如生物材料吸附法、化 学沉淀法、电化学法、活性炭吸附法、膜技术、离子交换 法等邱。

　　

　　作为饮茶大国，2019年茶叶销量为206万t,预计在 2023年时，茶叶销量将超过251万t171。茶叶是一种多孔性 的含碳物质，具有高度发达的孔隙结构、较大表面积回。还 含有许多活性成分，如茶多糖、茶多酚(儿茶素类、黄酮昔 类等)、茶皂素、可可碱、维生素、微量元素(钾、钠、镁、钙、 铜、锌等)及芳香物质等四。茶叶渣作为吸附剂，常用于去 除污水中 Cr\ As3\ Pb2\ Cd2\ Cu\ Ni2\ Zn2\ 孔雀石绿、 亚甲蓝、苯酚等ui%通过改性方法降低成本、提高效率， 例如甲醛改性网、茶叶渣活性炭四、氧化剂改性四、乙醇皿、 表面活性剂网、酸碱改性四，但对茶叶进行磁性改性的研 究较少。

　　

　　本研究以茶叶渣为材料，通过磁性改性，得到磁性改性 茶叶渣(MTL),釆用紫外分光光度计测定铅含量，以铅的 吸附率和吸附容量为判断指标，研究MTL对污水中的铅离 子最佳吸附条件。

　　

　　1材料与方法

　　

　　1.1材料与试剂

　　

　　本研究所用的绿茶购自青岛崂陈茶有限公司； 铅［Pb( II )］标准溶液(1 000 pg/mL),国家有色金属及 电子材料分析测试中心国标(北京)检验认证有限公司； FeCl3-6H2O> FeSO4-7H2O>氟化俊、氨水、亚铁氤化钾、 十二烷基硫代硫酸钠、NaOH溶液、抗坏血酸、氯化钙、盐 酸、无水乙醇、冰乙酸、百里酚蓝、二甲酚橙均为分析纯， 均购于天津市科密欧化学试剂有限公司。

　　

　　1.2仪器

　　

　　FTIR920型红外光谱仪：天津市拓普仪器有限公司； DZF-6020型真空干燥箱：上海科晓科学仪器有限公司； BS124s型分析天平：北京赛多利斯仪器有限公司；UV1000 紫外可见分光光度计：上海天美科学仪器有限公司； XMTD-204恒温水浴锅：天津欧诺仪器股份有限公司。

　　

　　1.3磁性茶叶渣制备方法

　　

　　1.3.1茶叶渣的前处理工艺研究

　　

　　以绿茶茶渣为原料，对绿茶进行分拣，在90。(2的温度 下用蒸馅水进行色素消除，70 P条件下烘干至恒量，磨粉， 过80目筛，并得到了后续实验所需的茶叶渣粉(Tea leaf, TL),置于密封袋中备用。

　　

　　1.3.2磁性粒子的制作

　　

　　通过共沉法朗制备磁性粒子，WFeCl36H2O(10.8 116g) 和 FeSO4-7H2O(5.5 604 g)溶于 200 mL 去离子水中，使 Fe3+ 与Fe，+摩尔浓度比为2 : 1,超声30 min,功率400 W, 两者充分溶解混合。用25%〜28%的氨水调节体系pH值 为9.7,继续超声lh,利用强力磁铁进行磁性分离，最后用 去离子水冲洗至中性，在70。(3下干燥至恒量，粉碎过筛后 得到成品磁性粒子，置于密封袋内封口保存。

　　

　　1.3.3磁性粒子与茶叶渣复合成磁性茶叶渣(MTL)

　　

　　称取10 g磁性粒子溶于30 mL水中，加入2.22 g十二 烷基硫代硫酸钠和1 mL 5 mol/L的NaOH溶液，将此混合 物置于92 P的条件下加热1 h,再用盐酸调节至中性，收 集固体，获得磁化剂。称取30 g处理后的茶叶渣粉浸泡在 150 mL、0.002 mol/L的氯化钙溶液中活化2 h,加入磁化剂 溶于适当量水中60。(3搅拌，用去离子水和无水乙醇各洗涤 3次冲掉活化剂及剩余的磁化剂，最后将其于70 P烘干， 得到磁性茶叶渣吸附剂MTL[21]。

　　

　　1.4 吸附实验

　　

　　采用控制变量法分析铅离子初始浓度、吸附时间、温度、pH值对吸附性能的影响。称取0.1g的MTL加入25mL已知浓度的铅［Pb(II)]标准溶液中，控制初始pH值2.0~6.5,在恒温水浴摇床中振荡20~160min,温度为20~60℃.吸附完成后，立即离心分离，测定铅离子浓度，并计算吸附率（式1)和吸附容量（式2).制备1μg/mL、2 μg/mL、4 μg/mL、6 μg/mL、8 μg/mL 和10 μg/mL 浓度梯度的铅溶液，采用分光光度计于580nm下测定吸光度值。以铅离子浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制工作曲线：y=0.024x+0.004 7,R2=0.9990.

　　

　　式中，％为吸附容量，mg/g； T为吸附体积，L； m为 吸附剂用量，g; G为起始浓度和G吸附平衡后浓度，mg/Lo 2结果与分析

　　

　　2.1 MTL吸附剂的表征

　　

　　TL和MTL的红外光分析图谱如图1、2, TL在3 417 cnF 和1 375 cnf 1附近出现明显的吸收峰，主要是茶叶渣中的酚 羟基和醇羟基的收缩振动，1 639 cm1附近的吸收峰是碳氧 双键C=O的伸缩振动，1 053 cm"附近的吸收峰是来自碳氧 单键(C-O)的伸缩振动。茶叶存在的这些官能团物质主要为 茶多酚、茶多糖和茶蛋白等，为吸附铅离子提供了可能四。 对比TL和MTL的红外光谱图可以发现吸收峰由3 417.6 cm1 移动至 3 435.6 cm \ 1 638.9 cm1 移至 1 635.6 cm-1, 1 375.7 cm1 移动到 1 395.4 cm"1, 1 053.2 cm 1 移至 1 058.1 cnfi,主要是 因为改性后MTL羟基(-OH)的收缩振动增强，稜酸类和酰 胺类化合物中C=O的收缩振动减弱，聚天冬氨酸上C=O络 合作用的加强，脂肪醜中的碳氧单键(C-O)的收缩振动加强, 在640 cm1附近增强的吸收峰对应的是Fe-O,这证明了反 应产物中铁氧化物的增多。

　　

　　2.2确定最优吸附条件

　　

　　对MTL的吸附效果进行测定，分析不同吸附条件对吸 附率的影响，通过正交试验确定最优吸附条件。

　　

　　2.2.1初始浓度对MTL吸附率和吸附容量的影响

　　

　　Pd2+溶液的初始浓度与MTL吸附率和吸附容量的关系 如图3所示。当Pd2+溶液初始质量浓度从20 gg/mL增加 到120 pig/mL时，MTL对Pd2+的吸附容量增大，达到了 23.41 mg/g,初始浓度为120 gg/mL到160 gg/mL范围时， MTL的吸附容量基本不变。当Pd2+溶液初始质量浓度在 20〜60 gg/rnL内，吸附率变化不大，浓度大于60 pg/mL时, 吸附率开始逐渐降低。这是由于当水样铅离子浓度较低时， 绝大部分铅离子可以被MTL所吸附，吸附率随之升高，达 到91%,但是随着铅离子初始浓度的升高，吸附达到饱和， 吸附率下降。

　　

　　图3溶液的初始浓度与MTL吸附率和吸附容量的关系

　　

　　2.2.2吸附时间对MTL吸附率和吸附容量的影响

　　

　　吸附时间与MTL吸附率和吸附容量的关系如图4所示, 在20〜120 min内，MTL对铅离子的吸附率和吸附容量随 时间的增加而增大，120 min之后基本不变。MTL对铅离子 的吸附是个比较快速的吸附过程，120 min以后，吸附率和 吸附容量变化不大，达到了平衡状态，这是因为吸附位点被 占据，达到了饱和。在120 min时MTL对铅离子的吸附率 达到77.33%,吸附容量达到23.20 mg/g。

　　

　　2.2.3吸附温度对MTL吸附率和吸附容量的影响

　　

　　吸附温度与MTL吸附率和吸附容量的关系如图5所示。 吸附温度在20〜40 °C变化时，MTL的吸附率和吸附容量 上升。温度的升高，导致活化分子数目增多，吸附反应更 容易发生，同时温度升高也引起了茶叶内部结构产生溶胀效 应，从而导致吸附率和吸附容量上升㈣，温度超过40 P以 后，分子热运动过于剧烈，吸附反应反而不容易发生，也 可能是温度过高改变了 MTL的吸附位点，导致了吸附率和 吸附容量的下降。在40。(3时MTL对铅离子的吸附率达到 77.67%,吸附容量达到23.30 mg/g.

　　

　　2.2.4初始pH值影响

　　

　　初始pH与MTL吸附率和吸附容量的关系如图6所示。

　　

　　由图6可知，pH在2.0〜3.0时，MTL对铅离子的吸 附率和吸附容量基本不变，在pH3.0〜5.0,吸附率和吸附 容量随着pH的增加而增加，并在pH为5时达到最大。pH 值稍高时Pb2+的吸附率和吸附容量变化不大。当溶液的pH 较低时，高浓度的If,与铅离子发生竞争吸附，使得MTL 的吸附率和吸附容量较小。随着溶液pH值的增加，溶液中 If浓度逐渐变低，竞争作用减小，同时JT与吸附剂之间的 静电作用也会减弱，使MTL有更多的吸附位点与铅离子发 生吸附，吸附率和吸附容量上升。

　　

　　2.2.5正交试验

　　

　　为了进一步研究MTL对Pd，+吸附性能的影响，设计正 交试验L9 (34),确定MTL最佳吸附条件，因素水平见表 1。正交试验结果见表2,由极差2?值可以看出，影响MTL 吸附效果的因素顺序为C>B>D>A,即浓度〉温度〉 时间〉pH。得出最佳吸附条件为浓度140昭/mL、温度40 °C, 时间140 min,酸碱度pH5.5,在最优条件下，MTL吸附容 量达到 27.67 mg/go

　　

　　3结论

　　

　　研究以茶叶渣为原料，釆用磁性改性的方法，得到磁性 改性茶叶渣(MTL),通过单因素试验和正交试验确定MTL 吸附铅离子的最佳条件为：铅离子初始浓度140 ng/mL,吸 附时间140 min,初始pH值5.5,吸附反应温度40 °C,吸 附率为79.08%,吸附容量为27.67 mg/g。

　　

　　参考文献

　　

　　[1]文永林，刘攀，汤琪.农林废弃物吸附脱除废水中重金 属研究进展[J],化工进展,2016,35(4):1208-1215.

　　

　　[2]姚宝艳，张玉环.环境中铅的污染、毒性与防治对策[J], 科技信息,2007(6):215.

　　

　　[3]赵扬，汪源浩.化学沉淀-吸附法处理电镀废水的研究 [J],电镀与环保,2020,40(1):61-64.

　　

　　[4]袁绍军，姜斌.电解法净化含重金属离子废水的试验研 究[J].化学工业与工程2003,20(1):7-10.

　　

　　[5]谢辉玲，叶红齐，曾坚贤.膜分离技术在重金属废水处 理中的应用[J].化学与生物工程,2005(5):4143.

　　

　　[6]雷兆武，孙颖.离子交换技术在重金属废水处理中的应 用[J].环境科学与管理>2008,33(10):82-84.

　　

　　[7]邹溪.茶叶行业及茶叶行业质量现状的研究[J],福建茶 叶,2020,42(9):49-50.

　　

　　[8]李志威.茶渣的综合利用研究进展[J].现代农业科 技,2020(6):219-220.

　　

　　[9]廖婵娟，曹雅琴，赵健全，等.茶叶渣再利用技术在水 处理中的研究进展[J].应用化工^016,45(11):2144-2148.

　　

　　[10]万顺利，徐圣友，张庆瑞，等.废弃茶叶渣净化水体中 重金属的研究进展[J],水处理技术,2013,39(8):8-9.

　　

　　[11]马宏飞，刘荣强，李薇，等.茶叶渣对孔雀石绿吸附性 能研究[J].应用化工 ^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]赵秀琴，向乾坤.甲醛改性茶叶渣对废水中铭■的吸附 研究[J],江苏农业科学,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]万顺利，马钊钊，薛瑶，等,氧化猛改性的茶叶渣吸附 水体中 Pb( n )[J],环境化学 2014,33(12):2198-2205.

　　

　　[17]宋娟娟,废弃茶叶渣处理含酚■废水的研究[J],科技创 新与应用,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]陈义伦，姚巧云，刘鲁强,改性磁性荔枝皮对水及果汁中 神的吸附效果及动力学分析P].农业工^学报,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.