廢棄茶葉水溶液起泡能力和泡沫穩定性能的研究

曹行健，鄭繽雁，譚 新，秦利輝，張圣東，馬元斌

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100083）

浮選是處理小于 0.5 mm 的細粒煤最廣泛、最有效的分選方法[1-2]。起泡劑是浮選中必須使用的浮選藥劑，直接影響浮選的效果[3-5]。生產高效低廉的起泡劑是降低浮選作業成本的有效途徑。

我國是茶葉大國，每年會產生大量廢棄茶葉，大部分廢棄茶葉直接進行焚燒或掩埋處理[6-7]。茶葉中茶皂素分子結構中同時連接疏水基團和親水基團，是一種天然的非離子型表面活性劑，具有較好的起泡能力[8-13]。利用廢棄茶葉中的茶皂素制備浮選用起泡劑，可以實現廢棄茶葉的資源化利用。

本文研究了廢棄茶葉水溶液的起泡能力和泡沫穩定性能，為后續制備浮選起泡劑提供參考依據。

1 試驗材料和方法

1.1 廢棄茶葉水溶液的制備

將茶葉用溫度為 100 ℃ 的去離子水浸泡 4 h后過濾烘干，得到廢棄茶葉，裝袋密封，試驗備用。

稱取一定質量的廢棄茶葉，按給定的質量比用去離子水浸泡一段時間后，用濾紙過濾得到廢棄茶葉水溶液，測定其起泡能力和泡沫穩定性。

1.2 起泡能力和泡沫穩定性能的測試

本文使用圖1所示的泡沫掃描儀測定起泡能力和泡沫穩定性能。

圖1 泡沫圖像掃描測儀

起泡能力（Foam Capacity，FC）用單位液體轉變為泡沫體積數來評價，FC值越大，其起泡能力越強。充氣結束后，單位液體轉變為泡沫體積數為FC，用公式（1）計算。

—試驗注入的液體體積，mL；

充氣結束時產生液體體積，mL。

泡沫的穩定性（Foam Liquid Stability，FLS）用泡沫攜液能力表征，FLS值越大，說明泡沫攜液能力越強，泡沫越穩定。本實驗用充氣結束后20 s時的FLS值來表征廢棄茶葉水溶液泡沫穩定性，即充氣結束后20 s，泡沫中液體體積減少百分數，采用公式（2）計算。

—充氣結束后10s液體的體積，mL；

—充氣結束時液體的體積，mL。

1.3 表面張力的測定

本文使用TRACKER測定廢棄茶葉水溶液的表面張力。試驗溫度 20 ℃，以 1 000 s 后表面張力變化范圍在±0.5 mN·m-1為測試終點。

2 結果與討論

2.1 茶葉質量濃度對廢棄茶葉水溶液起泡性能和泡沫穩定性的影響

實驗條件和試驗結果見表1和圖2、圖3。

圖2 茶葉質量濃度對起泡能力和泡沫穩定性的影響

圖3 茶葉質量濃度對泡沫穩定性的影響

從表1可以看出，廢棄茶葉水溶液的表面張力高于水的表面張力，隨著廢棄茶葉質量濃度的升高，茶葉水溶液表面張力降低，當質量濃度大于16.67 g·L-1茶葉水溶液的表面張力變化不大，起泡能力變化不明顯。因此，質量濃度為 100 g·L-1時，廢棄茶葉水溶液表面張力最低，為51.15 mN·m-1，水溶液起泡能力最好，達到3.62 mL·mL-1。

表1 質量濃度對廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

從圖2可以看出，隨著廢棄茶葉質量濃度的升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增加，質量濃度較低時，起泡能力增加速率較快，質量濃度較高時，起泡能力增加速率平緩。泡沫是熱力學不穩定體系，純液體很難形成穩定的泡沫。如果需要形成穩定的泡沫，就需要降低液體的表面張力，表面張力越小，越容易生成泡沫[14]。從圖3可以看出，隨著廢棄茶葉質量濃度的升高，泡沫攜液能力FLS值增大，表明泡沫的穩定性越好。當茶葉質量濃度為100 g·L-1時，充氣結束20 s后，FLS值高達88%，泡沫穩定。

2.2 浸泡溫度對廢棄茶葉水溶液起泡能力和泡沫穩定性的影響

實驗條件和試驗結果見表2和圖3。

從圖4和表2中數據可以看出，相同質量濃度下，隨著浸泡溫度升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增加，40～60 ℃范圍內變化較快，而后增速變慢。水溶液的表面張力是先降低后增加，溫度在80 ℃左右時，表面張力最小。

圖4 浸泡溫度對起泡性能的影響

表2 浸泡溫度對廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

圖5中曲線表明，相同質量濃度下，隨著浸泡溫度升高，泡沫攜液能力FLS值增大，穩定性變好，但溫度升高到70 ℃，FLS值反而下降，穩定性變差，繼續升高溫度，FLS值又增大，泡沫穩定性又變好，這可能與茶皂素溶液的表面黏度較高有關[9,15]。

圖5 浸泡溫度對泡沫穩定性的影響

2.3 浸泡時間對廢棄茶葉水溶液起泡性能和泡沫穩定性的影響

實驗條件和試驗結果見表3和圖4。

表3 浸泡時間對廢棄茶葉水溶液表面張力的影響

可以看出，在相同的質量濃度下，浸泡溫度為70 ℃時，浸泡時間為6 h，水溶液的表面張力最小，但是起泡能力卻是最差，這與茶水中的亞硝酸鹽含量有關，此條件下亞硝酸鹽析出量最少，浸泡時間增加，亞硝酸鹽析出量增加，導致表面張力的增大。隨著浸泡時間增加，泡沫攜液能力FLS值增大，泡沫穩定性變好。

圖6 浸泡時間對起泡性能的影響

圖7 浸泡時間對泡沫穩定性的影響

3 結 論

1）廢棄茶葉質量濃度越高，水溶液的起泡能力越強，泡沫穩定性越好。

2）浸泡溫度升高，廢棄茶葉水溶液的起泡能力增強，溫度為80 ℃，泡沫穩定性最好。

3）浸泡時間為6 h，水溶液的表面張力最小，起泡能力最差。浸泡時間增加，泡沫穩定性變好。