茶葉之成分

第二章文獻回顧

2.7 茶葉之成分

茶樹在植物學上的分類，屬顯花植物門，雙子葉植物綱離瓣花目山茶科(Theaceae)，多年生，常綠半喬木或灌木型的樹木。而基本上紅茶與綠茶來源於同一植物，兩者相左之處在於收成之後的處理程序，而當然兩者對於身體也有明顯不同的功效之處。

綠茶在製作過程當中不會經過發酵，只會進行稍微的蒸煮過程，此程序會使的茶葉中的氧化酶會失去活性，更能保留許多對身體有益的物質於茶葉中，使得綠茶保持了完整的多酚類物質。科學家們在無數的綠茶研究報導中指出，多攝取綠茶中的多酚類物質能大大提高廣泛的生理功能，增進人體的健康。

綠茶中的多酚類物質富含許多營養物質，包括有維生素Ｃ、葉綠素、

胡蘿蔔素、兒茶素(catechin)及其他多種有益健康的營養元素，其中又以兒茶素最為重要。然而兒茶素的活性往往會在茶葉的製作過程中氧化而失去效用。特別值得一提的是，根據美國堪薩斯大學醫藥化學教授雷米契發現：綠茶萃取精華中EGCg 的生理效能要比維生素 C 強近 80 倍，比維生素E 強 10 倍，並且比紅酒中的抗氧化物強近 2 倍。

紅茶的製作過程會經過揉碾、發酵，使得茶葉內的氧化酶活化，進而將茶多酚轉換成具有香氣的醇類、醛類、酮類、酯類，使得紅茶喝起來更香醇可口，而紅茶具有的功效也跟綠茶大有差異，紅茶含有抗氧化物(類黃酮素 )，可以減少罹患心臟病和中風的機率。茶中的黃酮 (flavonoids)被認為是降低血壓與膽固醇的主要功臣。

除了多酚類的物質，茶葉中還有游離胺基酸、咖啡因、茶鹼、色素

等物質，也是對身體具有很大幫助的物質。

2.8 吸附理論

吸附作用的定義為物質或材料堆積在固體表面和溶液間之界面上，

吸附質流經此界面之細小雜質(如污染物、微生物)，由於表面上之原子及分子具有吸引力所引起。

雜質自液體吸附至表面時，在一般在固液界面上，固體表面原子會有向內拉的趨勢，於是造成不平衡力，液相中某些物質為了使表面達成平衡狀態，以降低物體表面張力及自由能(free energy)，於是往固體表面移動，且附著於固體表面，造成吸附現象。

固體放入溶液內時，固體表面吸附吸溶液中之溶質，染色、脫色、

離子交換及色層分析均是固體表面吸附溶質的現象，固體表面上溶質之吸附，理論上比固體表面上的氣體吸附還複雜，所以試驗結果之分析較為困難，但試驗方法較為簡單所以溶液吸附試驗較為普遍。

被界面所吸附的物質稱為吸附質(adsorbate)，而具有表面吸附能力之物質稱之為吸附材。吸附是處理經由混凝沈澱或氧化還原後(O’Dwyer et al., 1995)，仍含較低濃度之污染物，所以利用吸附介質予以去除，可達到排放之標準範圍內。文獻上之吸附材有：白雲石(Walker et al.,2003)、

珍珠岩(Dogan et al., 2004)、活性碳(Helene et al., 2007)、沸石(Chuang et al., 2007)、活性白土(Weng et al.,2007)、矽藻土(Lin et al., 2006)、木炭(Iqbal etal., 2007)、廢棄茶葉(Uddin etal., 2009)及鳳梨葉粉(Weng et al., 2009)，

作為吸附材之固體必須具有較大的吸附容量、較好化學穩定性、不可溶解於水及不含毒性物質，且具有良好多孔性結構，才能提供較大的比表面積。吸附發生分為三種形式，若接觸方式為物理作用，則為物理吸附 (physical adsorption)；若接觸方式為化學作用，則為化學吸附(chemical adsorption or chemisorption)；交換吸附為吸附質和吸附劑發生離子交換作

用。

2.8.1 物理吸附

物理吸附作用主要由吸引力極弱之凡得瓦力產生或某種其他條件下其他作用。使顆粒與吸附劑接觸而被吸附在固體表面，吸附能小於 10Kcal/mol 附近，相當於該物理吸附去除之顆粒，可在吸附劑表面自由活動，而且吸附為多層性(multilayer)，新分子層則在以吸附層的外部形成，通常非離子性(nonionic)分子和非極性分子，主要藉由凡得瓦力進行吸附作用。以活性碳為例，物理性吸附係發生在碳粒之平面處，此種平面具均勻之型態，且因碳粒原子之電子在共價鍵內，故平面上不含作用基(章，1998)。

2.8.2 化學吸附

化學吸附係由被吸附質與吸附劑間產生化學鍵結所致，當此類吸附發生時，彼此之化性、電性均會改變，一般認為此種吸附係發生於像碳粒之微晶邊緣及角端，因此等位置有不同形式之作用基存在，而顯現其特有的性質，其吸附能量通常大於10 Kcal/mol。當形成共價鍵時，稱之為弱化學性吸附；如為離子鍵時，則為強化學性吸附。

2.8.3 離子交換吸附

吸附質和吸附劑發生離子交換作用稱為交換吸附。吸附質的離子，

由於靜電引力被吸附在吸附劑表面的帶電點上，在吸附過程中伴隨著等當量離子交換。在吸附質的濃度相同的條件下時，若離子帶的電荷越多，

則吸附就越強。

2.9 動力吸附模式

在吸附過程中，吸附量隨時間在改變，而這個改變即稱為動力吸附 (kinetic adsorption)。有許許多多的模式常用來做為動力吸附反應之過

程，如：

(1) Modified Freundlich 模式(Kuo and Lotse, 1973)：

q = kCot^1/m

q =吸附量(mol/g)；Co = 初始溴化阻燃劑濃度(mol/L)；t = 反應時間(min)；

k = 吸附速率常數(L /g-min)；m = Kuo-Lotse 常數 (2) Elovich 模式(Low 1960)

dqt/dt=α × exp(-βqt)

qt為溴化阻燃劑在t 時間之最大吸附量，α 為溴化阻燃劑吸附速率，β 為脫附常數

(3) Pseudo-first order 模式(Ho and McKay 2002) dqt/dt= k1(qe – qt)

k1為假一階之吸附速率常數，qe為平衡時之吸附量, qt為溴化阻燃劑在 t 時間之最大吸附量

(4) Pseudo-second order 模式 dqt/dt= k(qe – qt)²

t=反應時間(min)；qt=隨時間變化之吸附量(mol/g)；qe=平衡時之吸附量 (mol/g)；k =二階吸附速率常數(g/mg-min)

2.10 平衡吸附反應模式

等溫吸附模式為以經驗或較巨觀來詮釋平衡吸附結果。常用等溫線模式為Langmuir (單層吸附模式)及 Freundlich 經驗模式：

(5) Langmuir 等溫模式

假設包括：(1)吸附位置均勻分佈、每一吸附位址只能吸一分子(2)各吸附位置對吸附質親和力相等(3)單層吸附(4)被吸附的分子不會被脫附(5) 被吸附的分子並不會影響其他位址之吸附效應。

q Q K C K C

m L

 1 

q = 吸附量(MM^-1)，C = 平衡濃度 (ML^-3)，Q_m = 最大吸附量(MM^-1)，

過去，翁等人(Weng et al. 2001)之研究指出，污泥灰對酸性染料之吸附可以多層非線性吸附模式模擬。有關多層吸附模式之假設條件如下

上式(3)即為 Langmuir 吸附方程式。本研究將依據多層吸附理論公式(式 3)求得各參數 Q_m、K1、及 K2等值，以作為各式吸附材吸附溴化阻燃劑特性及其影響因子之參考指標。

(7) BET 型吸附模式

為另一個常用之等溫線多層吸附模式(Clair et al. 1994)。基本假設包括：(1)每一吸附位址可吸附多層之分子，(2)吸附材表面上有一般及局部吸附位址，(3) 某一吸附位址之吸附分子,不影響其他位址之吸附效應，

(4)吸附能控制第一層之吸附，而吸附質之縮合能(Energy of condensation) 控制其他各層之吸附。本研究亦將嘗試利用BET 型吸附模式進行吸附結

本研究將利用 KaleidaGraph^TM電腦製圖軟體的程式功能，配合非線性迴歸模擬分析前述之多層吸附模式，並預測模擬q 與 Ce之吸附等溫線關係。

(9) 吸附材比表面積之計算

一般決定比表面積(SSA)方法有：BET-N₂法、滲透(Permeametric)法、

EGME 法 (Carter et al. 1986)及染料吸附法。BET-N₂法為最常用之量測方

不必經脫水處理，在保留原始吸附材表面特性情況之下，測定結果應最接近真值；(3)、測定簡便，不需使用昂貴儀器 (翁及蔡 2000)。利用下式可計算SSA：

SSA = Qm  N  A

Q_m = 單層之最大吸附密度(mol/g) ； N = 亞佛加厥數(6.02310²³ molecules/mol) ； A = 單個染料分子佔據吸附位址之面積(2.4710^-10 m²/molecule) (Borkovec et al. 1993)。本計畫將利用上式估算廢白土之 SSA，可與 BET-N₂所得之比表面積比較之。

第三章試驗材料與方法

3.1 試驗流程

溴化阻燃劑以及吸附文獻收集、閱讀

廢棄紅茶、綠茶、椰子葉粉製備

廢棄紅茶、綠茶、椰子葉粉前處理(壓力蒸

洗、酸洗、鹼洗)

吸附材特性分析 (SEM、EDS、FTIR、

Zeta Meter) 實驗室製備溴化阻

燃劑模擬實廠廢水泡棉工廠溴化阻

燃劑廢水取樣

溴化阻燃劑水樣之特性分析 (SS、pH、離子強度、導電度)

動力、平衡吸附試驗 (pH、溫度、時間、吸附材)

動力模式分析

數據分析與討論

圖3-1 實驗流程圖

3.2 吸附材的製備與特性分析

3.2.1 實驗材料

1. 吸附材選取

本研究廢棄紅茶葉、綠茶葉收集自高雄某食品企業，廢棄椰子葉收集自南部某椰子業者。

2. 藥品與溶劑

(1) 氯鉑酸鉀，K2PtCl6：Alorich，USA，配製標準液。

(2) 氯化亞鈷，CoCl2．6H2O：J.T.Baker，USA，配製標準液。

(3) 硝酸，HNO3：聯工化學公司，Taiwan，控制溶液 pH 值。

(4) 氫氧化鈉，NaOH：島久藥品公司，Japan，控制溶液 pH 值。

(5) 過氯酸鈉，NaClO4 ：聯工化學公司，Taiwan，改變離子強度 (6) 溴化鉀，KBr：J.T.Baker，USA，紅外線光譜分析儀之介質 3. 儀器設備

(1) 試劑水製造機：ELGA(英格蘭製)，型號為 MSE1381848。用以製造試驗所需水樣，即RO 水。

(2) 烘箱：Cheng Huei(台灣製)，型號為 DO60A，AC110V，60Hz，功率為1.5KW。用來烘乾處理過後之吸附劑及洗淨之實驗器材。

(3) 電子分析天平：Mettler Toledo (瑞士製)，型號為 AB104。用以秤取吸附劑及藥品重量。

(4) pH 計：Mettler Toledo (英國製)，型號為 320 pH meter。用以調整溶液pH 值。

(5) 界達電位儀：Zeta potential meter 3.0(美國製)，分析吸附材之界達電位。

(6) 磁石攪拌器：Ika (德國製)，型號 VL 94-VO，將配製好的溶液均勻混合。

(7) 超音波清洗機：Brason (美國製)，型號為 2210 R-MT。用以清洗實驗所需之器皿。

(8) 場發射掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM) ： Hitachi，型號為 4700，觀察吸附劑表面結構型態。

(9) 傅氏轉換紅外線光譜儀 (Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)：Thermo Electron Scientific Instruments Corp，型號為Nicolet 5700，觀察吸附劑表面官能基的變化。

3.2.2 方法步驟

1.前處理材料配製

將廢棄紅茶葉、綠茶葉及椰子葉清洗乾淨後，置入105 ± 5℃烘箱，

烘至乾燥(約 7 天)量測其乾燥衡量，再以研磨機研磨成粉後過#100 篩(<

0.149 nm)，以作為前處理之材料。

2.吸附劑前處理

將紅茶粉、綠茶粉和椰子葉粉以前處理方式處理後，進行吸附反應，

本研究所採用的前處理方法，為壓力蒸洗、酸洗以及鹼洗之方式，探討以前處理之吸附劑之吸附情形，其處理方式如表3-1。

表3-1 前處理步驟

前處理方法步驟

壓力鍋前處理 (1) 取 1000 mL RO 水倒入裝有 50 g 吸附材之壓力鍋，高壓蒸洗約40 分鐘後測其導電度

(2) 重覆(1)步驟直至導電度趨於穩定即可

(3) 將完成壓力鍋前處理之吸附材置於 105℃烘箱中乾燥即完成

酸洗前處理 (1) 取50 g 吸附材置入 1000 mL, 0.1 M 硝酸水溶液中攪拌1 小時，靜置分層後倒出上層澄清液

(2) 加入 1000 mL RO 水攪拌 30 分鐘後，靜置分層並

倒出澄清液，測其導電度

(3) 重覆(2)步驟直至導電度趨於穩定即可

(4) 將完成酸液前處理之吸附材置於 105℃烘箱中乾燥即完成

鹼洗前處理 (1) 取50 g 吸附材置入 1000 mL, 0.1 M 氫氧化鈉水溶液中攪拌1 小時，靜置分層後倒出上層澄清液 (2) 加入 1000 mL RO 水攪拌 30 分鐘後，靜置分層並