改性茶葉渣/高嶺土復合材料對水中氨氮的吸附性能研究

李 好，汪愛河

改性茶葉渣/高嶺土復合材料對水中氨氮的吸附性能研究

李 好，汪愛河

(湖南城市學院 市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000)

利用茶葉渣和高嶺土為原料，通過高溫煅燒制成復合材料來評價該復合材料對水中氨氮的吸附效果﹒實驗結果表明，材料的制備條件和吸附環境對氨氮的去除有較大的影響，茶葉渣和高嶺土經0.25 mol/L的NaOH和NaCl溶液改性后，制成2︰1的復合材料，在30 ℃、pH=13的條件下，氨氮的去除效果最好﹒

茶葉渣/高嶺土復合材料；氨氮；吸附

近些年來，由于工業污水、生活廢水、農林肥料、初期雨水等常常處理未達標就直接排入自然水體[1]，導致河流湖泊氮磷污染，湖泊富營養化現象嚴重[2]，加劇了我國水資源短缺的現狀﹒采用有效的技術去除水中氨氮是當前研究熱點﹒

物理化學法和生物法是目前水中去除氨氮的主要技術方法，其中生物脫氮法雖然具有更好的穩定性、產泥量少，但耗能比較大，還有很多問題有待解決[3]；厭氧氨氧化法存在控制因素復雜，處理時間長等缺點；其他氨氮去除方法如吸附法、吹脫法等都存在不同的缺點﹒

高嶺土是一種多孔性材料，屬于1︰1型層狀二八面體的硅酸鹽礦物[4]，適用于作吸附材料及填料等，工業上應用廣泛﹒茶葉渣是種具有網狀結構的多孔生物吸附材料，可吸附水中的重金屬離子，如鉛、鎘、鉻離子等[5]，但目前還未見其去除水中氨氮的研究報道，本文采用高嶺土和茶葉渣按一定比例混合，使用氫氧化鈉和氯化鈉溶液對其改性，制備一種新型復合材料，探討復合材料制備條件和外界環境因子對氨氮吸附性能的影響，以期為水體氨氮的去除提供科學依據﹒

1 實驗方法

1.1 實驗材料

高嶺土、綠茶、液氮、丙酮，氫氧化鈉、氯化鈉、氯化銨等﹒

1.2 實驗儀器

六聯數顯磁力攪拌機、離心機、紫外分光光度計、燒杯、容量瓶、玻璃棒、坩堝、酒精燈、pH計、試管、馬弗爐、烘箱、全自動比表面積與孔隙度測定儀﹒

1.3 改性茶葉渣/高嶺土復合材料制備

1.3.1 茶葉渣和高嶺土預處理

(1)茶葉渣制備：將綠茶浸泡至開水中，反復浸泡3-5次，并不斷攪拌至無色，將其在80 ℃烘箱中干燥24 h，再浸入丙酮中24 h去除可溶性有機物，最后按上述方法烘干并人工粉碎至40目以下制備得到茶葉渣﹒

(2)高嶺土制備：取一定量的高嶺土浸沒于丙酮溶液中，并使用磁力攪拌器攪拌2 h，過濾分離后，將殘渣在105 ℃的烘箱中干燥24 h[5-7]﹒

1.3.2 茶葉渣/高嶺土復合材料改性

首先，將高嶺土和茶葉渣分別用氫氧化鈉溶液和氯化鈉溶液浸泡處理后，用蒸餾水洗凈；再將茶葉渣和高嶺土按一定比例混合，加入蒸餾水待浸透混合物并攪拌均勻，放入烘箱中80 ℃干燥2 h；最后將混合物放入馬弗爐中400 ℃高溫煅燒2 h，得到改性茶葉渣/高嶺土復合材料﹒

1.4 茶葉渣/高嶺土復合材料對氨氮吸附性能

將0.5 g復合材料加入到200 mL濃度為25 mg/L的氨氮溶液中，使用電動攪拌器攪拌2 h，取出混合液使用離心機離心后取上清液，采用納氏試劑法測定處理混合液中氨氮濃度并計算氨氮去除率，氨氮去除率用公式

計算﹒其中為氨氮去除率(%)；0為氨氮初始濃度(mg/L)；e為吸附后氨氮剩余濃度(mg/L)﹒

2 實驗結果與討論

2.1 茶葉渣/高嶺土復合材料制備條件對氨氮去除率的影響

2.1.1 茶葉渣/高嶺土混合比例的影響

將茶葉渣和高嶺土分別按4︰1、2︰1、3︰2、1︰1、2︰3、1︰2和1︰4比例進行混合，茶葉渣和高嶺土的總質量為0.5 g，以單獨投加茶葉渣或高嶺土作為對照試驗，分析原材料混合比例對氨氮去除率的影響，結果見圖1﹒

圖1 茶葉渣/高嶺土混合比例對氨氮去除率的影響

由圖1可知當茶葉渣和高嶺土的混合比例為2︰1時，復合材料對氨氮去除率達到最大值21.6%，但隨著高嶺土增加，去除率呈下降趨勢，故復合材料中茶葉渣和高嶺土比例采用2︰1﹒

2.1.2 改性方法的影響

采用0.3 mol/L的NaOH溶液及0.3 mol/L的NaCl溶液分別對高嶺土及茶葉渣進行改性﹒按本文1.3.2節所描述方法配制茶葉渣，高嶺土可選用2︰1的復合材料，分別進行吸附氨氮實驗﹒使用不同的改性溶液后的氨氮吸附效果見圖2，0表示未進行改性的復合材料對氨氮的去除率﹒

注：G0表示未進行改性的復合材料對氨氮的去除率；G1表示利用0.3 mol/L NaOH溶液對茶葉渣和高嶺土改性；G2表示利用0.3 mol/L NaOH溶液對茶葉渣改性，0.3 mol/L NaCl溶液對高嶺土改性；G3表示利用0.3 mol/L NaOH溶液對高嶺土改性，0.3 mol/L NaCl溶液對茶葉渣改性；G4表示利用0.3 mol/L NaCl溶液對高嶺土和茶葉渣改性

由圖2可知，利用0.3 mol/L的NaOH溶液對茶葉渣改性，0.3 mol/L的NaCl溶液對高嶺土改性的整體效果最好，氨氮去除率為60.2%﹒

綜合4種改性手段的吸附效果以及經濟等因素的考慮，以下實驗均采用NaOH改性茶葉渣和NaCl改性高嶺土的方法﹒

2.1.3 改性溶液濃度的影響

配制不同濃度的NaOH和NaCl溶液0.1 mol/L、0.15 mol/L 、0.2 mol/L、0.25 mol/L、0.3 mol/L、0.35 mol/L、0.4 mol/L，分別利用NaOH溶液改性茶葉渣，NaCl溶液改性高嶺土，改性NaOH溶液和NaCl溶液的濃度相同，配制成茶葉渣︰高嶺土=2︰1的復合材料，利用復合材料吸附氨氮溶液，結果見圖3﹒

圖3 改性溶液濃度對吸附效果的影響

由圖3可知，氨氮的去除率隨著改性溶液濃度增大而提高，但到一定濃度后就不會再增加，當改性溶液濃度為0.25 mol/L時，氨氮去除率達到最大值57.07%﹒

2.2 溫度對氨氮去除率的影響

取經NaOH溶液改性的茶葉渣和經NaCl溶液改性的高嶺土比例為2︰1的復合材料5份，分別在20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃的條件下吸附氨氮溶液，結果見圖4﹒由圖4可知，氨氮的去除率隨著溫度的增大而提高，但到一定溫度后增加不再明顯﹒

圖4 溫度對吸附效果的影響

2.3 pH值對氨氮去除率的影響

將0.5 g的復合材料投加到500 mL濃度為25 mg/L的氨氮溶液中，用0.1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH調節溶液的pH值分別為1、3、5、7、9、11、13﹒混合液置于電動攪拌器中攪拌2 h后離心分離，測定上清液氨氮濃度，得到溶液pH值對復合材料去除氨氮的影響，結果見圖5﹒由圖5可知，氨氮的去除率隨著pH值的增大而提高，在酸性條件下，氨氮的去除率不高，pH值為13時，氨氮去除率最高，達78.55%﹒

圖5 溶液PH值對吸附效果的影響

2.4 結構表征的影響

利用全自動BET比表面積分析測試儀測定茶葉渣的比表面積為0.123 2 m2/g，茶葉渣︰高嶺土=2︰1的復合材料的比表面積為3.249 m2/g，結果表明經改性后的復合材料較原始的茶葉渣比表面積大大增加，從而可改善其吸附性能﹒

3 結論

采用茶葉渣和高嶺土作為原材料，通過預處理，使用NaOH溶液改性茶葉渣和NaCl溶液改性高嶺土后，按一定的比例混合，經馬弗爐高溫煅燒，制備成茶葉渣/高嶺土復合材料﹒研究結果表明，當溫度為30 ℃，改性溶液濃度為0.25 mol/L，茶葉渣和高嶺土混合比例為2︰1時，去除氨氮的效果較好，且該復合材料制備工藝簡單，價格低廉，可應用于氨氮的去除工藝﹒

[1]李國鋒. 廢水中氨氮的去除[D]. 大慶: 東北石油大學, 2005.

[2]楊玉珍, 王婷, 馬文鵬. 水環境中氨氮危害和分析方法及常用處理工藝[J]. 山西建筑, 2010, 36(20): 356-357.

[3]季俊杰, 王美東, 葛麗英, 等. 污水生物脫氮除磷技術研究進展[J]. 四川環境, 2003, 22(4): 38-40.

[4]張永利, 朱佳, 史冊, 等. 高嶺土的改性及其對Cr(Ⅵ)的吸附特性[J]. 環境科學研究, 2013, 26(5): 561-568.

[5]于明革, 陳英旭. 茶廢棄物對溶液中重金屬的生物吸附研究進展[J]. 應用生態學報, 2010, 21(2): 505-513.

[6]張慶樂, 董建, 張麗青, 等. 改性茶葉渣/膨潤土復合材料對飲水中硝酸鹽的吸附性能[J]. 化工新型材料, 2016, 44(1): 171- 173.

[7]王棟, 唐玉龍, 劉濤, 等. 改性高嶺土性能的研究[J]. 工業催化, 2014, 22(2): 128-131.

(責任編校：龔倫峰)

Study on the Adsorption Properties of Modified Tea Residue/Kaolin Composite Material to Ammonia Nitrogen in Water

LI Hao, WANG Aihe

(School of Municipal and Mapping Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

The use of tea slag and kaolin as raw material by means of high temperature calcination made evaluation of composites of the composite material on the adsorption effect of ammonia nitrogen in water. The experimental results show that the material preparation and adsorption conditions of the environment is of a great influence on the removal of ammonia nitrogen, tea slag and kaolin by 0.25 mol/L NaoOH and NaCl solution after modification, composite 2︰1, at the temperature of 30 ℃ and pH=13, the best effect of ammonia nitrogen removal.

tea residue/kaolin composite; ammonia solution; adsorbent

TQ424；X703

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.06.0016

1672–7304(2017)06–0076–03

2017-10-24

李好(1991-)，女，湖南益陽人，助教，碩士，主要從事固體廢棄物利用與資源化研究﹒E-mail: 329474911@qq.com