茶叶吸附性能研究

史小丽 丁丽 李敏 张洁

摘要 在介绍茶叶改性处理方法的基础上，对茶叶吸附、去除水体物质、离子进行综述;介绍了温度、pH、初始浓度、茶叶投加量等茶叶吸附性能的主要影响因素，以及通过扫描电镜、比表面分析、傅立叶变换红外光谱（FT-IR）分析及热力学、动力学方程模型进行的吸附机理研究，较为全面地介绍了茶叶吸附性能的研究以及未来的研究方向。

关键词 茶叶;吸附性能;影响;机理

中图分类号 X 703.1  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）16-0061-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.017   开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Adsorption Performance of Tea

SHI Xiao-li1，2，3，4，DING Li1，2，3，4，LI Min1，2，3，4 et al （1.Xinjiang Academy of Environmental Protection Science， Urumqi， Xinjiang 830011;2. Xinjiang Key Laboratory for Environmental Pollution Monitoring and Risk Warning， Urumqi， Xinjiang 830011;3. Xinjiang Engineering Technology Research Center for Cleaner Production，Urumqi， Xinjiang 830011;4. Junggar Desert-oasis Ecotone Station for Scientific Observation and Research of National Environmental Protection， Urumqi， Xinjiang 830011）

Abstract On the basis of introducing the modification treatment methods of tea， the adsorption and removal of water substances and ions by tea were summarized. The main influencing factors of tea adsorption performance， such as temperature， pH， initial concentration and tea dosage， were introduced and the adsorption mechanism was studied by scanning electron microscope， specific surface analysis， Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR） analysis and thermodynamic and kinetic equation model. The research on the adsorption properties of tea and the future research directions were introduced in this paper.

Key words Tea;Adsorption performance;Influence;Mechanism

隨着目前水资源利用量的增大，污水产生量也随之骤增。如何处理污水使其资源化显得尤为重要，既可解决大量污水的排放去向问题，又节约了有限的水资源。随着人们环保意识的增强，污染治理方法也在与时俱进，不再单一追求对目标污染物的高处理率，那些既可废物资源化利用、又可减少或避免二次污染的治理方法备受关注。吸附法因其净化效果好、可再生、不产生二次污染等优点广泛应用于水体污染治理领域，废弃茶叶作为众多生物吸附剂的一种，对吸附污染物具有经济可行、吸附效果好等优点，因而废弃茶叶吸附水污染物技术应用前景广阔。笔者主要对茶叶对水体污染物吸附性能的影响因素、研究方法等进行综述，探讨该领域实际应用存在的主要问题及未来研究方向。

1 茶叶的预处理及改性

对茶叶进行冲洗、漂洗、烘干、磨碎等预处理工序是试验的必备程序。部分实验者直接使用预处理后的原茶进行试验[1-5]，更多研究者会对茶叶进行改性后再进行试验，对茶叶改性的作用一般是增强茶叶的吸附作用。改性茶叶的方法因研究目的、研究对象、吸附物质等差异而各不相同。对苯酚溶液的吸附是每1 g茶叶加入甲醛和H 2SO 4溶液中进行改性[6-7];用FeCl 3溶液浸泡一定时间，再过滤、洗涤、烘干，得到茶叶质铁吸附剂[8]。改性茶叶的吸附性较普通茶叶更好，且具有吸附速率快、有利于吸附等特点。改性茶叶对染料的吸附性研究一般用热改性方法制得改性茶叶[8-9]。

2 废弃茶叶吸附的影响因素分析

2.1 pH

众多研究表明，溶液pH的变化会影响废弃茶叶对离子的吸附能力，是通过影响茶叶表面功能基团的电离能力，进而影响其吸附性能。在改性茶叶对苯酚的吸附过程中，pH从1逐渐升至9时，吸附性能随之升高;pH>9后逐渐下降。在对刚果红、亚甲基蓝等染料的吸附中，可以看出pH在4左右时，吸附性最强[1，9-10]。废弃茶叶对Zn2+、Cu2+、Cd2+等金属离子吸附研究中，当pH<3时，茶叶对水体中的污染物吸附量虽有增长但缓慢，pH在3～6时，对大部分离子尤其是重金属离子的吸附率和吸附量都有增长且增长迅速[2]。这与万顺利等[11-14]对茶叶吸附金属离子研究中得出的结论较为一致。这表明废弃茶叶对离子的吸附性在偏酸性环境中效果较好，也充分印证了pH通过H+、OH-含量的多少影响了茶叶功能基团的电离能力的强弱，继而影响了吸附性的强弱。总的来看，茶叶的吸附作用大都是在酸性环境下进行的且效果明显。

2.2 温度

温度变化对茶叶吸附性能的影响所得出的结论较为一致。温度对茶叶的吸附性能具有正效应，初期随着温度的升高，吸附性能均有增强的表现，到达一定温度时保持不变或开始下降，下降是由于较高的温度导致水体中离子运动加剧，使得吸附量不再增加或有所下降。这在茶叶对苯酚、染料、金属离子等吸附研究的文献中都有所体现。在其他条件不同或吸附物质不同时，其吸附性能最强时的拐点温度各不相同。

2.3 初始浓度

对于被吸附物质的初始浓度对吸附率影响的研究较少。在改性茶叶对苯酚的吸附试验中，茶叶对苯酚吸附量随着苯酚溶液浓度的增加而增加，至200 mg/L浓度时基本保持平稳[8]。而在茶叶质铁对氟离子的吸附过程中，氟离子的浓度在1.0×10-2～5.0×10-5 mol/L有较高的吸附率[15]。废弃茶叶渣对Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的吸附效率与目标金属离子的初始浓度成反比[3]，这在一定程度上表明茶叶更适用于被吸附物质含量较少的水体处理和净化。

2.4 茶叶投加量

在对重金属离子吸附时，随着茶叶投加量的增加，对Cr6+、Pb2+的去除率迅速升高，Cu2+、Zn2+的吸附进行较为缓慢。这是由于茶叶投加导致茶叶比表面积增大，点位变多，可容纳更多的金属离子及其他污染物。对亚甲基蓝的吸附试验中，茶叶的添加量控制在2 g/L时较为适宜，吸附量最大[1]。在研究茶叶投加量对吸附性能的影响时，会进行吸附率和吸附量的变化对比研究[16]，总体来看，茶叶投加量对吸附性能的影响不大。

3 茶叶的洗脱和再使用

对于吸附了离子等物质的吸附剂还能否经过清洗再重复利用的问题，也有相关研究。吸附了一定量的离子等物质的茶叶，经过滤、水洗、酸洗、碱洗、再水洗至中性，高温烘干后再使用，对金属离子的吸附性能较初次处理茶好[17]。关于茶叶等吸附剂的吸附洗脱再利用方面的研究还较少，未来也可作为一个研究方向深入分析。对于洗脱方法和剂量控制的研究可为吸附剂的再生利用提供参考依据，以更好地指导实际应用。

4 茶叶吸附机理分析

4.1 表征分析

4.1.1 扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）分析。利用扫描电镜对茶叶吸附离子前后的表面形态特征变化进行观察比较和分析[4]。主要通过图像来说明茶叶表面的粗糙程度，以及吸附前后表面粗糙度的变化情况，并对吸附前后微观区域的元素分布情况进行定位和定量分析。

4.1.2 比表面积分析。

在比表面积分析中，以BET理论为基础的颗粒表面吸附测试方法较常用，表面形貌特征分析包括采用BET模式計算茶叶比表面积的大小，通过孔径分布图判断出茶叶孔径的主要分布区域，以及茶叶空位数等方面的分析，以此来判断茶叶吸附性能的大小。

4.1.3 傅立叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）分析。

对吸附前后的茶叶进行傅立叶变换红外光谱分析，得到红外光谱图，通过光谱图中不同位点上的特征峰的变化对比，可观测到所吸附物质与茶叶对应的功能基团间结合和交换效应的表现。通过吸附重金属离子前后的光谱变化，来鉴定废弃茶叶表面的化学官能团和化学键的组成，并认识它们与离子的结合行为，以期揭示茶叶吸附离子等物质的机理[18]。

4.2 吸附等温线分析

在研究过程中，主要采用Langmuir吸附等温方程和Freundlich吸附等温方程这2种较为常见的形式来对茶叶吸附水体中离子达到平衡时的吸附容量与平衡浓度之间的关系进行比较分析，选择这二者主要是因其模型简单且被广泛采用。2个等温线吸附方程如下：

Langmuir吸附等温方程： C eq e=1q  max K L+C eq  max

Freundlich吸附等温方程：lg q e =lg K f+1n lg C e

式中， q  max为单位质量吸附剂对物质的最大理论吸附量（mg/g）; q  e为单位质量吸附剂对物质的吸附量（mg/g）; C e 为吸附达到平衡时溶液中剩余的物质浓度（mg/L）; K L 为Langmuir常数; K f、n 为Freundlich常数。

通过试验数据与等温方程在不同温度条件下拟合直线的斜率和截距求得等温方程其他参数，其中的拟合决定系数 R2 用来判断拟合程度，等温吸附方程线性拟合使用Excel或Origin软件均可。与Langmuir方程拟合较好说明该吸附作用只限于单分子层吸附。Freundlich吸附等温方程中的 n值表征了吸附剂的吸附强度，n 值越大表示更大的吸附强度。

4.3 吸附动力学分析

动力学分析通常是用来定性或定量分析茶叶对物质的吸附行为是单纯的物理性质的吸附过程还是离子交换或络合反应的化学吸附过程。动力学方程分析过程是分别与准一级动力学方程和准二级动力学方程进行拟合，通过在不同时间条件下拟合直线的斜率和截距求得方程其他参数，通过拟合决定系数 R2 来判断与方程模型拟合相符性，若准一级动力学方程的决定系数较大，则表明与准一级动力学方程较为符合，吸附过程是由单一的物理吸附决定的;若准二级动力学方程的决定系数较大则表明吸附过程中还有其他去除机制在起作用，如化学反应等的共同作用。准一级动力学方程与准二级动力学方程如下[19]：

准一级动力学方程：log（ q e-q t ）=log q e-k 12.303t

准二级动力学方程： tq t=1k 2q e2+tq e

式中， q e、q t 分别是吸附平衡时和吸附时间 t 时的吸附量（μg/g）; t 为吸附时间（min）; k 1 为一级吸附速率常数（min-1）; k 2 为二级吸附速率常数[g/（μg·min）]。

5 讨论

众多研究者从不同角度对茶叶吸附作用的影响因素、吸附机理、实际应用进行分析，在后续进行的更深入的研究中，可对下列问题进行分析：①茶叶的改性方法与要吸附的污染物种类是否有相关性或对应性。茶叶改性的作用是从改变茶叶物理性质的角度促进吸附过程的进行，还是针对被吸附物质的性质，从离子交换、络合反应等方面考虑而作出的改性处理。②多组分离子溶液中拮抗作用与协同作用的反应机理的相关研究。③针对茶叶吸附物质的固化作用研究，避免茶叶作为吸附剂吸附了离子物质后，转变为媒介而使物质转移释放至另一环境中，造成了二次污染、重复污染。如此可根据实际应用需要发挥茶叶吸附功能，使其更具有应用价值。

在对茶叶吸附性的应用研究方面，值得关注的还有以废弃茶叶茶渣为原料制备生物炭的研究[20]。生物炭的制备和应用在水、土壤等污染处理领域均较受关注，而以茶叶等为代表的植物类生物炭原料因其碳含量高、比表面积大、空隙结构数量及分布[21]、官能团结构[22-23]等物理化学性质的优势所在。加之我国是茶叶大国，茶叶易于获取、废弃物资源化利用的优势，茶叶制备生物炭研究在环境污染治理研究领域具不可忽视的地位。

6 结论

（1）在茶叶吸附水体污染物的各种影响因素中，pH是对其性能影响较大的因素。

（2）通过扫描电镜分析、比表面分析、傅立叶变换红外光谱等手段进行茶叶吸附物质前后的结构、组成等表征的对比分析，借助热力学模型和动力学模型从吸附强度、吸附性质等角度进行定性定量研究，较为全面地阐述茶叶对物质的吸附机理。

（3）针对茶叶改性方法与吸附目标的相关性、水体中共存物质在吸附过程中的拮抗/协同作用、茶叶吸附物的固化处理尤其是茶叶为原料的生物炭制备的应用等方面的研究相对较少，可作为今后的研究方向。

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