摘要
饮用水中砷污染是一个全球性的环境问题。因此开发具有高效且成本低廉的除砷材料迫在眉睫。本研究以生活中常见的四种果皮（柚子皮、橙皮、香蕉皮、甘蔗皮）废弃物为原料制备活性炭，并将二氧化钛负载于其上制得改性活性炭；然后选择其中除砷性能最优的改性活性炭作为掺杂剂，并以不同比例加入到可生物降解的天然高分子聚合物聚乳酸基材中，通过静电纺丝技术制备复合纳米纤维膜，并对其进行表征和除砷性能探究；最后选择除砷性能最好的复合纳米纤维膜作为过滤网，聚乳酸作为壁材采用3D打印技术制备了5种填充密度的便携式快速除砷吸附剂，并对其实际应用价值进行了评估。主要研究结果如下： （1）采用粉体烧结法制备了四种二氧化钛改性活性炭（二氧化钛/柚子皮活性炭、二氧化钛/橙皮活性炭、二氧化钛/香蕉皮活性炭、二氧化钛/甘蔗皮活性炭），筛选团聚少且除砷性能最优的改性活性炭材料。扫描电镜结果显示四种改性活性炭上二氧化钛的聚集现象相较于纯二氧化钛都有所减少，其中二氧化钛/橙皮活性炭表面二氧化钛分布最均匀，表面积最大为96.89m2/g。进一步对这四种改性活性炭的三价砷去除能力进行了测试，并与市售活性炭制备的二氧化钛改性活性炭对比，结果显示二氧化钛/橙皮活性炭除砷效果最好，达到了89.43mg/g。 （2）将不同比例的二氧化钛/橙皮活性炭加入到聚乳酸基材中制备了5种复合纳米纤维膜，筛选理化性能和除砷性能最优的比例。结果表明：5种复合纳米纤维膜的纤维丝都呈现扁平带状。其中复合纳米纤维的二氧化钛/橙皮活性炭∶聚乳酸=1∶12时具有最优的机械性能，良好的溶解性和溶胀性，具体表现为抗拉伸强度为2.44±0.24MPa、断裂伸长率为47.93±3.80%、溶胀度为104.76±7.80%、水溶性为6.96±0.86%。该复合纳米纤维膜在一般条件下（25℃、pH=6.5）除砷性能最优，经过120min避光处理和240min的紫外光照射其除砷量可达129.03mg/g。在对其除砷条件进行研究时发现该复合纳米纤维膜在偏酸性pH条件下具有最大三价砷吸附量（118.17mg/g），而共存阴离子PO43-和SiO32-会显著降低纳米纤维膜上三价砷的吸附量。该复合纳米纤维对砷的吸附符合伪二级动力学模型，吸附在60min内达到平衡，而纳米纤维膜上的三价砷吸附热力学行为符合Langmuir模型，理论最大三价砷吸附容量为119.05mg/g。经过5次连续的吸附-解吸循环后，三价砷吸附量仍达到了91.06mg/g，相当于第一次吸附量的79.09%。 （3）以二氧化钛/橙皮活性炭∶聚乳酸=1∶12为过滤网，聚乳酸为壁材，使用3D打印技术制备了5种不同填充密度（30%、40%、50%、60%、70%）的便携式快速除砷吸附剂。其中填充密度为50%的便携式快速除砷吸附剂实际打印效果最好，内部呈现十字交叉结构，对含砷溶液的过滤效率最高，达到65%。经过5次滤水后，除砷效率依然保持24.64%。
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