源自餐饮废弃物和赤泥的磁力净水材料的合成和性能研究

本项目以废弃米粉为原料，首先通过水热法转化为中间体水热炭，随后将其和赤泥、氢氧化钾复合后，在适当条件下煅烧活化，获得具有大比表面和磁性的活性炭/赤泥（AC/RM）磁性吸附材料，并对所得餐饮废弃物基活性炭/赤泥（AC/RM）复合材料的组成、结构、磁性和对六价铬的吸附性能进行研究。力求获得一种成本低廉，具有良好吸附性能的新型磁性吸附材料，为餐饮废弃物资源化利用和新型磁性净水材料的开发提供新途径。

（1）源自餐饮废弃物和赤泥的磁性净水材料的合成与结构表征

以学校食堂米粉废弃物为原料，首先以水热法转化为水热炭中间体，将其以和赤泥、氢氧化钾复合后，在适当条件下煅烧活化，获得具有大比表面和磁性的活性炭/赤泥（AC/RM）磁性吸附材料，通过比表面积测定（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、磁学测量系统（MPMS）对所得复合体系的结构和形貌进行表征。结合对所得材料吸附性能的研究结果，优化材料合成工艺条件，获得质量稳定，价格低廉，具有优异吸附性能和可长期循环利用的磁性净水材料。

（2）源自餐饮废弃物和赤泥的磁性净水材料的性能研究

通过改变吸附剂（AC/RM复合材料）用量、Cr浓度、pH，测吸光度，绘制Langmuir、Frenudlich吸附等温线，研究其对Cr的吸附效果和吸附热力学。

一方面，我国是氧化铝生产大国，由于赤泥含有较高的碱性物质，且含有较多的氟、铝等多种有害物质，使其无害化利用难以实现。尽管各国专家对赤泥进行了大量研究，但其综合利用进展依旧非常缓慢。赤泥的大量积累占用了大量土地，并导致土地碱化和地下水污染，长期摄入这些物质必然会影响人们的身体健康。
    另一方面，国内外对餐饮废弃物的主流处理方法主要包括厌氧消化、好氧堆肥、垃圾填埋、焚烧和饲料化等，这几种方式都能回收利用餐饮废弃物物，但都存在不足之处，一个共性的问题在于目前传统的以餐饮废弃物为原料的产品（沼气、肥料、饲料等）利润率都相当低（通常低于20%），同时容易受到原材料容易腐败，质量波动巨大这一劣势的影响，意味着其需要一条能满足大规模、可持续和充分资源供应的生产线。因此，当前若想实现餐饮废弃物有效资源化利用，需要大量资金、设备、土地和劳动力投入，仅仅适用于经济实力雄厚的发达地区。而在如广西等我国经济欠发达地区，若要实现餐饮废弃物充分、高效的资源化利用，需要在传统途径之外探索更多的有效补充途径。这些途径应当确保产品具有高技术含量，高附加值的优势，且生产方面具有步骤简单、生产灵活、投资成本低的特点，并能够有效规避原材料容易腐败这一问题。

米粉是桂林当地人的传统日常饮食，经调研，每日米粉废弃物产量超过70吨。然而，由于桂林地区经济不发达，对餐饮垃圾回收的基础设施、政策支持和资本投资相对有限，大部分米粉废弃物被用作低度发酵饲料的原料，另一部分被直接丢弃，这对土壤和水环境造成潜在的长期污染。因此，有必要探索一种米粉废弃物资源化利用的有效方法。前期实验结果显示，淀粉是米粉废弃物中的主要有机成分，在水热条件下容易碳化，因此具有制备功能碳材料的潜力。导师课题组在前期工作中，已经通过米粉废弃物成功制备了活性炭材料，该材料能有效吸附铬和铅等重金属。

创新点：首次以米粉废弃物为原料，合成兼具优异的吸附性能和可循环使用的新型活性炭/赤泥（AC/RM）复合材料。

项目特色：项目采用低成本的米粉废弃物，在材料选择上较之市面上大多数工艺更为低廉，若得以广泛实现该技术进行生产有助于节约当前净水材料的生产成本，另一方面有助于解决生活垃圾回收问题，还对赤泥污染问题解决提供了新思路，符合绿色可持续发展道路，有利于推进“十四五”大宗固体废弃物资源化利用，实现“碳达峰，碳中和”的战略目标。

技术路线：本项目结合前期研究成果，将餐饮废弃物资源化利用与载银抗菌材料制备相结合，开展基于米粉废弃物的载银活性炭抗菌材料合成与性能研究工作，具体如下：

（1）源自餐饮废弃物和赤泥的磁性净水材料的合成与结构表征

选择米粉废弃物作为碳源，利用水热法对米粉废弃物进行处理，获得的黑色固体部分即为水热炭（液体部分为碳量子点，100%回收利用）。然后将水热炭与KOH、赤泥混合，通过煅烧得到具有良好的磁性吸附性能的活性炭/赤泥（AC/RM）复合材料。该材料利用KOH活化水热炭增大其比表面积，利用赤泥中的金属元素形成铁氧化物达到磁性效果，从而实现对污染物的高效吸附，同时在外加磁场的作用下，AC/RM复合材料可以方便的分离和回收，能够反复循环使用，不会造成二次污染。并通过比表面积测定（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、磁学测量系统（MPMS）对所得复合体系的结构和形貌进行表征。结合对所得材料吸附性能的研究结果，优化材料合成工艺条件，获得质量稳定，价格低廉，具有优异吸附性能和可长期循环利用的磁性净水材料。

合成总流程图

（2）源自餐饮废弃物和赤泥的磁性净水材料的性能研究

通过改变吸附剂（AC/RM复合材料）用量、Cr浓度、pH，测吸光度，绘制Langmuir、Frenudlich吸附等温线，研究其对Cr的吸附效果和吸附热力学，以MPMS3 Evercool 磁学性质测试系统测试材料磁化曲线。

拟解决的问题：如何控制活性炭与赤泥的合成比例，以保证复合材料在拥有大比表面积的同时拥有良好的磁性。

预期成果：获得一种源自餐饮废弃物和赤泥的磁力净水材料，完成其性能研究，获得其优化合成工艺，发表SCI论文1篇以上。

项目团队计划用1年时间完成所需的研究工作，具体安排如下：

2024年5月-2024年6月：与项目成员一同查阅有关资料与文献，熟悉使用实验仪器设备；

2024年6月-2024年7月：在成员内部确定具体项目内容，初步设计实验方案，讨论实验可行性及需要解决的问题，购买原材料。

2024年7月-2024年8月：制备水热碳中间体，随后将其和赤泥、氢氧化钾复合后，在适当条件下煅烧活化，获得具有大比表面和磁性的活性炭/赤泥（AC/RM）磁性吸附材料；

2024年8月-2025年1月：材料组成和结构表征，材料吸附性能研究。

2025年1月-2025年3月：将实验结果与理论结果对比，反复实验并改进其中的不足之处，整理实验数据并对实验数据进行详细的分析，总结实验结果；

2025年3月-2025年5月：根据实验结果对项目实验进行全面分析，撰写论文。