基于回收铝饮料罐纳米颗粒的太阳能热法海水淡化系统性能增强研究

《Results in Engineering》：Solar-Thermal Desalination System Performance Enhancement Using Recycled Aluminium Beverage Cans-Based Particles

为解决水资源短缺和铝固体废弃物(ASW)回收问题，研究人员开展了利用回收饮料罐制备铝基纳米颗粒并用于增强太阳能蒸馏器性能的研究。结果表明，所制备的悬浮液能将热导率提升最高76.13%，并使系统产水量相比纯基液提升高达369.1%。产水水质符合国际标准。该研究为废弃铝材高值化利用和可持续淡水生产提供了新途径。

　　

在全球范围内，水资源短缺和固体废弃物管理是两大紧迫的挑战。超过40亿人每年至少有一个时期面临严重的水资源短缺。与此同时，铝制饮料罐作为铝固体废弃物(ASW)的重要组成部分，其全球产量预计到2030年将达到6270亿个，但回收率却处于数十年来的低点。传统的海水淡化技术，如反渗透(Reverse Osmosis)、多级闪蒸(Multi-Stage Flash)和多效蒸馏(Multi-Effect Distillation)，虽然产能巨大，但通常资本和能源密集，限制了其在偏远、离网或经济欠发达地区的可行性。太阳能蒸馏器提供了一种简约的替代方案，它仅利用太阳能来蒸发和冷凝咸水，但其日产水量通常仅为每平方米2-5升，远低于热力学极限。因此，学者们致力于寻找低成本提升其蒸发效率的方法。

在此背景下，将纳米技术与ASW回收相结合，利用废弃铝罐制备纳米颗粒并分散于太阳能蒸馏系统的进料水中，形成纳米流体(Nanofluids)，有望通过提高工作流体的热导率来提升系统整体性能。铝颗粒在室温下的热导率(~225.5 W/m·K)远高于水(~0.608 W/m·K)。尽管已有研究探索了氧化铝(Al₂O₃)纳米流体在太阳能蒸馏系统中的应用，但利用保留原始涂层的回收铝饮料罐制备纳米颗粒并用于此类系统，此前尚未有研究报道。这项发表于《Results in Engineering》的研究填补了这一空白。

为开展研究，研究人员采用了材料制备与表征、纳米流体合成与性能评估、以及户外太阳能系统测试等关键技术方法。研究样本来源于科威特当地市场的废弃饮料罐（百事可乐、可口可乐、芬达、雪碧）和科威特科学研究院的海滩井水。

研究结果

3.1. 基液性质

用作基液的海滩井水总溶解固体(TDS)高达16,829.15 mg/L，总悬浮固体(TSS)为0.45 mg/L，证实其为高盐度水源，适合进行脱盐研究。

3.2. X射线荧光分析

粉末的元素分析显示，未涂层罐体制备的粉末铝含量最高(97.04%)，而保留涂层的罐体粉末铝含量在92.68%至95.66%之间，并含有铬(Cr)、铜(Cu)、铁(Fe)、钛(Ti)、锌(Zn)等微量涂层元素，其中可乐来源的粉末所含元素最丰富。

3.3. X射线衍射输出

X射线衍射(XRD)图谱显示，随着球磨过程的进行，衍射峰强度降低，表明颗粒尺寸减小。所有粉末的衍射峰均与标准卡片(PDF# 01-071-4625)对应。

3.4. SEM表征

扫描电子显微镜(SEM)图像表明，经过高能球磨72小时后，颗粒形态从扁平状转变为类球形。盘式研磨仅能将颗粒尺寸降至微米级(20.5 μm – 212.6 μm)，而高能球磨可进一步将其降至纳米至微米级(800 nm – 10.7 μm)。

3.5. 悬浮液热导率

悬浮液的热导率随颗粒浓度和温度升高而增加。1.0 vol.%的百事可乐来源悬浮液在90°C时热导率增强最大，达76.13%。涂层颗粒悬浮液的热导率增强普遍优于未涂层颗粒悬浮液。

3.6. 分散体系粘度

悬浮液的动态粘度通常高于基液，但在特定临界温度（0.1 vol.%为40°C，0.5 vol.%为50°C，1.0 vol.%为60°C）以上，其粘度会低于基液，这归因于固体颗粒的微核化效应削弱了液体分子间作用力。

3.7. 分散体系密度

悬浮液的密度比基液高0.07%-0.51%，增幅微小，对流体输送所需的动力影响可忽略。

3.8. 稳定性分析结果

图像捕获和紫外-可见光(UV-Vis)光谱分析表明，所有新制备的悬浮液均表现出良好的物理分散稳定性。但到第30天时出现明显沉降，表明其长期稳定性有待改进。未涂层颗粒悬浮液的稳定性最差。

3.9. 太阳能吸收率和消光

在可见光波段(280-800 nm)，0.1 vol.%负载即可使悬浮液的吸收率(α_280-800)达到0.977 – 0.995。增加颗粒浓度对吸收率的提升效果有限。平均消光系数(β_280-800)随浓度增加而增大。

3.10. 热损失品质因数

热损失品质因数(FOM_{Heat losses})分析表明，百事可乐来源的悬浮液，尤其是在低浓度和高温度(>40°C)下，具有更优的整体传热性能。

3.11. 大气测试条件

户外测试在科威特科学研究院进行，记录了太阳辐射、风速、环境温度和湿度等参数。

3.12. 脱盐单元性能

系统性能受天气条件、颗粒来源和浓度影响。使用1.0 vol.%百事可乐颗粒时，工作流体温度相比纯基液最高提升17.2%。高浓度颗粒显著增加了系统内的湿气生成量。

3.13. 蒸馏水产量

使用1.0 vol.%百事可乐颗粒悬浮液时，蒸馏水产量最高，达1076 mL，而纯基液仅产水345 mL。性能提升最高达369.1%（0.1 vol.% 百事可乐颗粒）。未涂层颗粒对产量的提升最低(35.8% - 45.1%)，凸显了涂层材料的重要性。

3.14. 蒸馏水特性

产水水质分析表明，除使用未涂层颗粒时产水的pH值为6（略低于标准下限6.5）外，其余所有产水的主要指标（电导率、TDS、关键元素含量等）均符合国际饮用水标准（如BIS, EPA, WHO, GSO等）。总悬浮固体(TSS)分析提示部分产水可能需要进一步处理。

3.15. 潜在风险与缓解策略

研究指出了潜在风险，如悬浮液长期稳定性、纳米颗粒携带至产水、系统泄漏对环境的影响以及低pH值产水的腐蚀性等，并提出了相应的缓解策略，如颗粒表面改性、使用更合适的表面活性剂、加强混合、选用耐腐蚀材料、定期检测以及必要时进行pH调节等。

结论与意义

本研究成功地将废弃铝饮料罐转化为铝基纳米颗粒，并将其应用于太阳能蒸馏脱盐系统。研究结果表明，这种基于回收材料的纳米流体能显著提高工作流体的热物理性质和光学特性，从而大幅提升太阳能蒸馏系统的产水效率，最高可达基液系统的近3.7倍。所产淡水水质基本满足国际标准。该研究不仅为铝固体废弃物的高价值回收利用提供了新的技术路径，将循环经济理念融入分散式海水淡化，也为解决干旱地区淡水供应问题提供了一种可持续的、有潜力的解决方案。研究的创新点在于首次系统评估了保留涂层的罐体来源颗粒的性能，并提供了从废弃物到高性能工作流体，再到系统验证的完整数据集。未来研究可聚焦于颗粒形貌尺寸优化、悬浮液长期稳定性提升、技术经济性分析以及环境毒理学评估等方面，以推动该技术的实际应用。