茶树修剪枝制备Cr（Ⅵ）吸附材料及其应用效果

王溁鸿 谢玉湘 刘新妹旦艺豪 刘 阳* 张 钺

（1贵阳学院生物与环境工程学院，贵州贵阳 550005；2安顺职业技术学院，贵州安顺 561000）

重金属是海洋、土壤、工业废水中主要污染物，对环境和对人类造成严重危害。近年来，重金属污染废水违规排放，导致污染事故频发，严重威胁着环境健康。重金属铬在水中主要以Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）存在，其中Cr（Ⅵ）毒性最大，人体皮肤接触可能导致过敏及遗传性基因缺陷，吸入体内可能致癌，并且对环境有持久性危害[1-2]。因此，处理Cr（Ⅵ）水体污染是当今很重要的一门课题。

茶树修剪枝是在茶树栽培过程中培养树冠、更新复壮树势时进行修剪而产生的残物。中国是茶叶生产大国，管护过程产生的茶树修剪枝几乎被全部丢弃，造成巨大的资源浪费。研究表明，茶叶渣具有网状结构、多孔、比表面积大等优点，可作为吸附材料[3-7]。茶叶中茶多酚含有大量活性羟基[8]，能与其他金属离子形成稳定的螯合物。茶叶中含有不溶性膳食纤维，具有较强的吸附性能，可以有效地吸附污染废水中的重金属离子，如 As（Ⅲ）、Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）等[9]。

本试验利用茶树修剪枝制备茶渣吸附材料，探讨茶树修剪枝投放量、吸附温度、吸附时间和初始pH值对Cr（Ⅵ）污染废水吸附效果的影响，以期为进一步推动茶树修剪枝在工业中的应用提供理论依据及应用方法。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为秋季采自贵州省安顺市旧州镇茶园的30 cm左右的修剪枝条。茶树修剪枝经蒸汽杀青90 s后置于110℃鼓风干燥箱干燥2 h，取出冷却至室温。用高速粉碎机粉碎、过筛，置于干燥器中备用。

1.2 试验设计

试验针对茶渣使用量、吸附时间、pH值、吸附温度等4个因素分别设置4个水平（表1），以活性炭作对照，对Cr（Ⅵ）溶液进行吸附试验，并测定吸附率和吸附量。

表1 不同吸附试验因素的水平设置

1.3 试验方法

准确称取一定量茶树修剪枝粉末于100 mL塑料瓶中（对照加入活性炭），分别加入配好的一定浓度的Cr（Ⅵ）溶液70 mL，加盖。除温度试验外，均在室温条件下振荡一定时间后，抽滤分离茶渣与滤液。取25 mL滤液于50 mL比色管中，依次加入H2SO41.00 mL和磷酸0.50 mL，摇匀，再加入DPCI溶液2.00 mL，立即混匀，用水稀释至刻度线。静置5 min，以蒸馏水作参比，在540 nm处测定溶液的吸光度。通过滤液中Cr（Ⅵ）的浓度计算出吸附率和吸附量（qe）。 公式如下：

式中：C0为原溶液中Cr（Ⅵ）的初始质量浓度（mg/L）；Ce为吸附平衡时溶液中 Cr（Ⅵ）的初始质量浓度（mg/L）；qe为平衡吸附量（mg/g）；V 为溶液体积（L）；m 为茶叶粉末质量（g）。

2 结果与分析

2.1 Cr（Ⅵ）吸附标准曲线

图1为Cr（Ⅵ）吸附标准曲线，线性方程为y=0.654 8x+0.009 5，R2=0.993 5。该方程有良好的相关性，可用于测定Cr（Ⅵ）的吸附效果。

2.2 茶渣使用量对吸附效果的影响

为了研究茶树修剪枝及活性炭的使用量对吸附效果的影响，本文设置了4种不同用量处理。其中，Cr（Ⅵ）的初始浓度为40 mg/L，吸附温度为25℃，吸附时间为90 min，pH值为4。不同茶树修剪枝及活性炭使用量的吸附率变化趋势如图2所示。

当茶树修剪枝的使用量为2 g时，吸附率达58.75%，吸附效果较好；随着使用量的增加，吸附体系空间减小使吸附率逐渐下降，再增加茶渣使用量将产生不必要的浪费。活性炭作为常用吸附剂，其吸附率随使用量增加而升高，当使用量为5 g时，吸附率达98.51%，几乎吸附完全。从资源利用的角度，确定吸附材料使用量为2 g。

2.3 温度对吸附效果的影响

本文研究了 4 种温度（20、25、30、35 ℃）下茶叶渣对Cr（Ⅵ）的吸附效果影响。Cr（Ⅵ）的初始浓度为40 mg/L，吸附时间为90 min，pH值为4，茶树修剪枝和活性炭的使用量均为2 g。不同吸附温度对Cr（Ⅵ）吸附率的影响如图3所示。

当吸附试验的温度为25℃时，茶树修剪枝对Cr（Ⅵ）的吸附率最高；当温度逐渐升高后，吸附率随温度升高而降低。活性炭的吸附率随温度增加而略有降低，但均高于77%。茶树修剪枝和活性炭对Cr（Ⅵ）的吸附均受温度影响，但茶树修剪枝受温度影响更大。结合能源利用及时间因素，吸附温度试验确定较优温度条件为25℃。

2.4 吸附时间对吸附效果的影响

为研究吸附时间变化对茶树修剪枝吸附Cr（Ⅵ）效果的影响，设置Cr的初始浓度为40 mg/L，吸附温度为25℃，pH为4，茶树修剪枝和活性炭的用量同为2 g，设定吸附时间为90～150 min。不同吸附时间对Cr（Ⅵ）吸附率的影响如图4所示。

当吸附时间为90 min时，茶树修剪枝对Cr（Ⅵ）的吸附率最高；当吸附时间超过90 min时，吸附率随吸附时间增加而大致降低；当吸附时间为120 min时，吸附率较低，仅为35.73%。活性炭对Cr（Ⅵ）的吸附率随吸附时间的增加而大致上升，当吸附时间为150 min时，吸附率达到99.35%。2种材料吸附效果的差异可能是由不同吸附原理而产生的。从吸附总体进程及试验效率方面综合考虑，确定较优吸附时间为90 min。

2.5 pH值对吸附效果的影响

为了研究茶树修剪枝吸附Cr（Ⅵ）的效果随溶液pH值的变化情况，本文设置了不同pH值环境处理。Cr（Ⅵ）的初始浓度为40 mg/L，吸附温度为25℃，吸附时间为90 min，茶树修剪枝和活性炭的用量均为2 g，pH值设定为2～5。 不同pH值对Cr（Ⅵ）吸附率的影响如图5所示。

随着吸附环境pH值的增加，茶树修剪枝及活性炭对Cr（Ⅵ）的吸附率均呈现下降趋势，当pH=2时，吸附率最高，分别为72.63%和83.98%，茶树修剪枝的吸附率达到活性炭吸附率的86.48%。试验结果与刘智峰等[10]使用改性茶叶渣吸附Cr（Ⅵ）的研究相符，最佳pH值确定为2。

3 结论

研究结果表明，利用茶树修剪枝为原料加工制成的茶叶渣对Cr（Ⅵ）有较好的吸附效果，其最佳的吸附条件：茶叶渣的用量为2 g、吸附温度为25℃、吸附时间为90 min、pH值为2。在这个试验条件下，茶叶渣的吸附率为72.63%，相同试验条件下的活性炭吸附率为83.98%。在本试验中，以常用吸附剂活性炭作为参照物，虽然茶树修剪枝的吸附率不如活性炭，但在合适的吸附环境下，茶树修剪枝吸附率接近活性炭的吸附率，能达到活性炭吸附率的86.48%。茶树修剪枝作为废物利用在吸附材料领域有一定的研究意义。结合茶树修剪枝的利用现状，利用其吸附重金属铬，可以提高茶园资源的利用率，达到变废为宝的效果，在污水治理工程中也有一定的研究价值，可作为工业及日常生活所需的吸附剂。目前，针对茶叶渣及改性茶叶渣作吸附材料的研究主要采用茶叶成品再加工的方式[11-12]，利用茶树修剪枝制备吸附材料简单、有效，可为拓宽茶树资源开发利用途径提供一定的参考。