绍兴市工业科学设计研究院有限公司 浙江省 312000
摘要：在改革开放的新时期，我国的国民经济在快速的发展，从茶叶渣在水处理领域中的应用出发，简述了茶叶渣的结构及特性，并对茶叶渣、茶叶渣改性及茶叶渣活性炭处理三种再利用技术对处理污染废水的应用进行了综述，重点阐述了茶叶渣对水体中重金属离子、有机物及放射性污染物的吸附性能，最后就目前茶叶渣再利用技术及其在实际复杂水体系的应用前景做出展望。
关键词：茶叶渣；改性；活性炭；吸附；水处理
引言
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，是一种良好的生物吸附剂原料。全球茶叶生产与消费量庞大，仅我国每年会产生500万t以上茶叶废弃物，具有丰富的茶叶渣资源。此外，茶叶直接作为吸附剂原料成本太高，有报道称茶渣的吸附效果要优于原茶。因此，茶叶渣作为吸附剂受到了国内外科学家的广泛关注。本文基于茶叶渣、改性茶叶渣及茶叶渣活性炭在水处理领域的再利用技术，简述了茶叶渣的结构及特性，详细梳理了近年来国内外研究工作者对茶叶渣在水处理应用中的研究进展。
1茶叶渣的结构及性质
茶叶是具有网状结构和较大比表面积的生物吸附剂，见图1。图1a、图1b、图1c分别为茶叶废渣、碱液改性茶叶渣和茶叶渣活性炭的表面形貌图。三种处理的茶叶渣表面形貌有明显不同，茶叶废渣由很多纤维气孔组成，碱液改性后的茶叶渣表面出现更多明显的褶皱，而经过800℃高温煅烧并活化后的茶叶渣活性炭，因为去除了不稳定的有机物成分后出现了更好的孔状结构，三种材料的BET值也分别由21m2/g增加至45m2/g，再增加到854．30m2/g。以上结果充分证明三种茶叶渣都具有吸附能力，尤其以茶叶渣活性炭性能最佳。除了多孔的结构，茶叶中还含有许多活性成分，如茶多糖、茶多酚（儿茶素类、黄酮苷类等）、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。其中茶多酚约占茶干重的25%，具有很强的抗氧化作用，含有大量的活性羟基，尤其是儿茶素，占茶多酚总量的70%，同时也是茶多酚中氧稳定部分，其结构中含的酚性羟基能和其它金属离子形成螯合物。而研究表明，茶叶渣的吸附效果优于原茶叶，因茶叶渣主要成分之一是茶叶水不溶性膳食纤维，其化学结构中包含羧基、羟基和氨基等侧链基团，可产生弱酸性阳离子交换树脂的作用，能与阳离子尤其是有机阳离子进行可逆交换。研究证明，花生麸水不溶性膳食纤维和白果壳水不溶性膳食纤维对NO2－有较强吸附作用，验证了水不溶性膳食纤维吸附性能。因此，茶叶渣的理化性质为其成为有效吸附剂提供了依据。
图1 茶叶渣、碱液改性茶叶渣、茶叶渣活性炭的SEM表面形貌
2茶叶渣再利用技术在水处理中的应用
2.1改性茶叶渣在水处理中的应用
茶叶渣是良好的吸附剂，但利用有机表面活性剂、无机化合物以及酸性、碱性环境下活化处理对茶叶渣进一步改性，能够更有效地提高其吸附性能和吸附功能性。用甲醛改性茶叶渣，吸附处理废水中重金属铬，发现改性茶叶渣将茶叶渣对铬的吸附率提高了25%。用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）及溴化十六烷基吡啶（CPB）两种阳离子表面活性剂对茶叶渣表面进行改性，与原茶叶渣吸附阴离子型刚果红染料对比，CTAB改性茶叶渣吸附性能最佳，吸附容量高达106．4mg/g。也有研究者通过使用改性茶渣处理电镀废水，采用曝气铁碳内电解-改性茶渣处理含铬和含氰电镀废水，当进水pH为8（室温）时，加入1g改性茶渣处理总氰化物浓度为39．746mg/L的电镀废水50mL，其吸附平衡时间为3h，氰化物的平衡吸附量为0．539mg/g。将水合氧化锰（HMO）采用原位沉积技术负载于废弃茶叶渣表面，合成了复合材料氧化锰改性的茶叶渣（HMO-TW），并研究了HMO-TW对水溶液中Pb2+的吸附特性，研究表明在酸性范围内，Pb2+的去除率随pH升高而增大；当竞争离子Ca2+、Mg2+、Na+的浓度高于Pb2+20倍时，Pb2+的吸附去除率仅分别下降11%，7%和1%；Pb2+的吸附过程较好的符合Fre-undlich等温模型，计算的理论最大吸附容量为188．25mg/g，远远高于未经改性茶叶渣的Pb2+吸附量（33．49mg/g），证实HMO-TW在净化实际铅污染水体中有着较为广阔的应用前景。
2.2茶叶渣活性炭在水处理中的应用
活性炭作为常用的吸附剂，具有使用简便、环保、成本低等优点，广泛用于废水净化、气体过滤等环境保护领域。不少研究者通过茶叶渣制备活性炭，研究其吸附效果。研究发现茶叶渣基活性炭对亚甲基蓝（MB）和酸性蓝29染料（AB29）有较高的吸附能力，其中亚甲基蓝和酸性蓝29染料的最高的吸附容量分别达到了453．12mg/g和554．30mg/g。研究了N2保护下高温热解的茶叶渣活性炭对磺胺甲嘧啶的吸附作用，在700℃条件下生成的茶叶渣活性炭在pH值为3时最大吸附密度是33．81mg/g，Anushka还指出在蒸汽活化的过程中增加了活性炭的表面积，并使吸附容量增加。利用硝酸改性茶叶渣活性炭吸附亚甲基蓝和苯酚，这种改性茶叶渣基活性炭对两种吸附质的效果截然不同，这也表明吸附量的多少取决于在吸附质和活性炭表面的静电和色散的相互作用，而对于硝酸改性茶叶渣活性炭对苯酚的吸附现象，研究者也提出苯酚没有基本的表面官能团和羧基团体的存在是阻碍吸附的主要因素。也有研究者用乙酸钾制备茶叶渣活性炭来吸附酸性蓝25染料，结果表明酸性蓝25染料的最高吸附容量达到了203．34mg/g，吸附率达到了97．88%。土耳其的以提高工业黑茶渣利用率为目的，以氯化锌为活化剂，制备了ZnCl2∶茶叶渣分别为1/2∶1，1∶1和2∶1的活性炭，介孔活性炭的比率分别为10．9%，39．9%，77．7%，比表面积分别为706，1066，1141m2/g，可用于生产高性能的活性炭，对解决环境问题，尤其是废水处理具有重要意义。由此可看出茶叶渣活性炭在废水处理中有较好的应用前景。
2.3茶叶渣处理水体放射性元素的研究
同时，研究者们也发现茶渣在放射性元素的吸附实验中也有不错的吸附效果。通过静态吸附实验，考察了茶渣吸附U（Ⅵ）的影响因素，发现pH对茶渣吸附U（Ⅵ）的影响较大，pH为2和6时吸附量分别为13．90mg/g和43．19mg/g，但吸附过程需要12h才能达到平衡，且吸附量随铀溶液浓度的增加而增大，而吸附率则相反，而茶渣粒度及温度对茶渣吸附U（Ⅵ）的影响不大。考察了茶渣吸附钛（201Ti）和镓（67Ga）的影响因素，研究发现红茶茶渣可高效吸附废水中的放射性同位素钛（201Ti）和镓（67Ga）。
结语
茶叶渣是一种价格低廉、来源广泛的良好吸附剂，对于溶液中的重金属、有机物和放射性物质都有较好的吸附能力。通过调节溶液的pH值、吸附时间、茶叶渣的投加量、温度和被吸附物质初始浓度等可有效提高茶叶渣的吸附性能。研究工作者以茶叶渣为研究对象，还进行了酸碱处理、表面交联处理、表面负载等改性处理，以及对茶叶渣炭化处理制备出高比表面积的茶叶渣活性炭，结果发现，通过合理改性，大大提高了茶叶渣的吸附能力，拓宽了茶叶渣的应用范围，为今后的各项研究奠定了基础。目前，茶叶渣水处理研究仍处于模拟废水层面，未能真正投入到实际污水体系应用中。因此，还需要大量的实验来考察茶叶渣对实际复杂水体的吸附处理效果，包括其对实际水体的净化效果、各种影响因素等问题。
参考文献：
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[2］方玉堂，李大艳，张紫超，等．金属离子掺杂硅胶吸附剂的性能与结构表征［J］．硅酸盐学报，2010，38（2）：299-304．
论文作者:吴刚
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/24
标签：茶叶论文; 活性炭论文; 吸附剂论文; 水处理论文; 水体论文; 表面论文; 表面积论文; 《防护工程》2019年第1期论文;