茶叶渣对苯酚废水的吸附及再生研究*

赵业军，马 灿，王莹莹

（1.武汉东湖学院 生命科学与化学学院，湖北 武汉430212；2.湖北中医药大学 药学院，湖北 武汉430065）

苯酚属于芳香族化合物，也是一种重要的化工原料，用途广泛，主要用于石油化工、塑料、皮革、油漆等行业[1]。但苯酚是原生质毒物，对人类健康具有很强的潜在毒性，并且很难被降解，已被列为危险污染物[2]。含酚废水也被我国水污染控制中心列为重点解决的有害废水之一。苯酚去除的方法较多，其中吸附法操作简便使用较多，吸附剂可以再生和循环使用[3-5]。在吸附过程中，苯酚不会被降解，因此，吸附剂再生不仅是出于经济上的原因，还需要考虑苯酚的收集和再利用[6,7]。

茶叶是一种组织结构疏松又多孔隙的物质，从表面到内部有许多毛细管孔隙，构成各种孔隙管道，使茶叶具有较大的比表面积，具有较强的吸附能力[8]。利用茶叶渣来处理重金属废水的研究较多[9,10]，对酚类物质的研究不是很多。本研究利用茶叶渣吸附苯酚，对其吸附条件和性能进行研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

茶叶（市售绿茶）；苯酚，NaOH，HCl 等均为分析纯。

SP-1901 紫外可见分光光度计（上海光谱）。

1.2 试验方法

1.2.1 茶叶渣的处理 将茶叶渣用烧开的水浸泡并过滤两三次以后，用90℃自来水浸泡12h 以后滤去茶汤，再用蒸馏水浸泡12h，将茶汤滤去以后放入烘干箱内烘干后，研磨成粉末状态。放置备用。

1.2.2 吸附实验 分别向100mL 的一定浓度的苯酚溶液中加一定量的茶叶渣，在振荡器中振荡一定时间，取其上层清液，用紫外分光光度计测定苯酚浓度。考察不同粒径、初始浓度、时间、pH 值对其吸附效果的影响。

1.2.3 吸附热力学 目前，已建立了许多理论和经验模型表示各种吸附等温线，但没有单一模型满足所有机制和形状。其中Langmuir 和Freundlich[11]的模型广泛用于描述废水处理中的吸附等温线应用。

由相关理论，Langmuir 模型的基本形式如公式（1）。

式中 ce：吸附平衡时溶液的浓度，mg·L-1；qe：吸附量，mg·g-1；qmax：单分子层饱和吸附量，mg·g-1；b：吸附平衡常数，L·mg-1。

Freundlich 模型的基本形式如公式（2）：

式中 Kf：反映吸附量的吸附常数，L·g－1；n：反映吸附温度强度的吸附常数，通常n＞1。

1.2.4 再生实验 采用 90℃热水、1mol·L-1HCl、1mol·L-1NaOH、无水乙醇对吸附后的茶叶渣进行再生研究。取1g 茶叶渣放在100mL 热水和制备的溶液中摇动2h；用蒸馏水冲洗后110℃干燥。然后用其进行吸附实验，方法同1.2.2，步骤重复3 个周期。每次循环实验用新的废水吸附平衡。再生率为：

式中 qe：最初茶叶渣的吸附容量，mg·g-1；qn：再生后的吸附量，mg·g-1。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的测定

配置浓度为：2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、20.0、30.0mg·L-1的苯酚溶液，在268nm 处测吸光度，绘制标准曲线见图1。

由图1 可知，一定浓度范围内苯酚的标准曲线方程为A=0.0206C+0.0214，相关系数R=0.999，线性相关性好，可用于样品检测。

图1 标准曲线的测定Fig.1 Standard Curve

2.2 粒径对吸附率的影响

向 5 组 100mL 的 100mg·L-1的苯酚溶液分别中加入 200、100、80、60、40 目的茶叶渣 0.5g，在 pH 值为7、室温下振荡60min，过滤后取上层清液测吸光度，并算出浓度以及吸附率，结果见图2。

图2 粒径大小对吸附率的影响Fig.2 Effect of particle size on adsorption rate

由图2 可以看出，随着粒径的减小，茶叶渣对苯酚溶液的吸附率增大，当粒径小于100 目时，吸附率大小趋于平稳。茶叶渣是一种孔多，比表面积较大的吸附材料，随着粒径的减小，接触苯酚的表面积增大，吸附率就随之增大，粒径的体积越来越小，所能吸附的量变小，当二者达到平衡状态时，吸附率的大小趋于平衡。因此，此后的实验均用粒径为100 目的茶叶渣作为吸附剂。

2.3 苯酚的初始浓度对吸附率的影响

分别配制 50、100、150、200、300、500mg·L-1的苯酚溶液100mL 于烧杯中，加入0.5g 的粒径100 目的茶叶渣，pH 值为7，室温下振荡60min，过滤后取上清液测吸光度，计算出吸附量以及吸附率，结果见图3。

图3 初始浓度对吸附率的影响Fig.3 Effect of initial concentration on adsorption rate

由图 3 可知，当初始浓度为 100mg·L-1时，吸附率达到最高值，继续增大初始浓度，吸附率出现下降的趋势。浓度增加，吸附量逐渐增大，但增加的幅度会随着初始浓度的加大而呈现出越来越低的趋势,从而影响了茶叶渣对苯酚的吸附效果, 故而宏观呈现出去除率逐浙降低，但降低幅度不是很明显。后续实验废水的初始浓度选为100mg·L-1。

2.4 吸附时间对吸附率的影响

配制初始浓度为100mg·L-1的苯酚溶液6 份，分别加入粒径100 目的茶叶渣0.5g，调节pH 值为7，分别振荡 20、40、60、80、100、120min，过滤后取上清液测吸光度，并算出浓度以及吸附率，结果见图4。

图4 时间对吸附率的影响Fig.4 Effect of time on adsorption rate

由图4 可知，随着时间的增加，吸附率逐渐增大，当反应60min 时，吸附率的大小趋于平衡。可能的原因是，反应初期茶叶渣的比表面积较大，或者是当中所含的自由基团和不饱和基团较多有利于吸附，当达到饱和状态时，吸附率趋于平稳不在上升。综合所消耗的时间和吸附率的大小考虑，反应时间优选60min。

2.5 pH 值对吸附率的影响

配制100mL 浓度为100mg·L-1的苯酚溶液 7份，调节 pH 值分别为 1、2、4、6、8、10 和 12，分别加入粒径100 目的茶叶渣0.5g，常温下振荡60min，过滤后取上清液测吸光度，并算出浓度以及吸附率，结果见图5。

图5 pH 大小对吸附率的影响Fig.5 Effect of pH on adsorption rate

由图5 可知，随着pH 值增大，吸附率逐渐降低，当pH 值大于8 时，平衡吸附率随 pH 值的增大而迅速降低。一般来说，溶液pH 值影响吸附剂的表面电荷和吸附物的电离度[12]。可能因为苯酚在酸性至中性水溶液中主要以分子状态存在，与茶叶渣表面的亲和力较大，有利于吸附；而在碱性水溶液中则主要以离子状态存在，与水的亲和力大而不利于吸附。 因此，利用茶叶渣去除废水中的苯酚应在酸性溶液中进行，以达到最佳吸附效果。

2.6 吸附热力学

结合2.3 中苯酚初始浓度对茶叶渣吸附苯酚实验数据及1.2.3 中Langmuir 和Freundlich 模型的公式，对给定吸附剂浓度的实验数据作线性趋势分析，结果见图 6、7。

图6 Langmuir 模型线性拟合图Fig.6 Langmuir model linear fitting graph

图7 Freundlich 模型线性拟合图Fig.7 Freundlich model linear fitting graph

由图6 和图7 对比可以看出，Freundlich 模型线性拟合方程的相关系数R2更高，可达0.991，这说明茶叶渣吸附苯酚的吸附体系更加符合Freundlich方程。

2.7 茶叶渣的再生实验结果

按照1.2.4 的再生实验方法进行3 个周期的再生实验，结果见图8。

图8 不同再生方法的再生率Fig.8 Regeneration effciency using different techniques

由图8 可见，其中HCl 和NaOH 的再生效果较差。无水乙醇的再生效率最高，3 个周期之后的再生率还可达到88.1%。90℃热水再生，第一次再生的效果较好，但第三次再生之后再生率只有39.1%。可能是由于物理再生使得茶叶渣的孔径扩张，影响吸附剂的吸附特性导致再生率的下降。所以茶叶渣的再生可选用无水乙醇。

3 结论

本文研究了茶叶渣对苯酚的吸附效果和再生能力，结论如下：

（1）吸附效果与吸附条件有关，当粒径为100目，模拟含酚废水初始浓度为100mg·L-1，反应时间为60min，溶液的pH 值在偏酸性条件下，吸附的效果最好，吸附率可达60%以上。

（2）用 Langmuir 模型和Freundlich 模型对其吸附热力学进行模拟分析，Freundlich 模型更能反映对苯酚的吸附。

（3）用无水乙醇再生3 次后，再生率可达88.1%。虽然茶叶渣是冲泡后茶叶的渣滓，但对含酚废水的吸附能力完全没有丧失，可以用于含酚废水的处理。