将墨粉废料与黑色颜料混合后用于太阳能蒸馏器的性能分析，以及创新的数据采集技术

《Desalination and Water Treatment》：Performance analysis of solar still with Toner waste powder mixed with black paint and innovative data collection technique

本研究通过集成云平台物联网系统实现太阳能蒸馏器的实时监控，并利用废粉 toner waste powder（TWP）纳米涂层提升热性能。实验表明，TWPCSS在10%浓度下产水量达0.885kg/天（较传统系统提高38.28%），basin温度达58.94°C，cover温度51.06°C，且成本效益比提高，二氧化碳减排潜力倍增。该技术为低成本、可持续的 decentralized 淡水生产提供了创新方案。

　　太阳能蒸馏装置是一种利用太阳能将盐水或咸水转化为饮用水的有前景的方法。然而，其应用常常受到低产率和缺乏可靠实时监控系统的限制。本文探讨了如何通过两个策略来解决这些问题：一是开发基于云计算的物联网（IoT）系统，用于远程监控和数据采集；二是通过将回收的碳粉纳米颗粒融入黑色油漆中，提高装置的性能。研究结果显示，这种改进方法显著提升了蒸馏装置的温度和产水量，同时实现了成本节约和碳排放减少。

全球范围内，淡水资源短缺问题日益严重。尽管地球表面约70%被水覆盖，但大部分是咸水，无法直接用于人类饮用。仅约3%的水是淡水，而其中大部分被锁在冰川或地下水层中，难以获取。因此，全球超过十亿人口缺乏安全饮用水，而数十亿人面临周期性或长期的缺水问题。此外，不充分的卫生条件进一步加剧了这一危机，水传播疾病如霍乱、伤寒和腹泻影响着数十亿人，并导致数百万死亡，尤其是儿童。农业用水需求的增加、河流和地下水的污染以及生态系统的退化也使淡水系统承受了更大的压力。如果不采取措施，预计到2025年，全球三分之二的人口将面临严重的水资源短缺。

面对这一严峻挑战，太阳能脱盐技术因其低成本、去中心化和环保特性而受到广泛关注。太阳能蒸馏装置是一种简单设备，它通过太阳能辐射蒸发盐水或咸水，然后通过冷凝过程产生清洁的淡水。其经济性和对可再生能源的依赖使其在偏远地区和资源有限的地区尤为重要。然而，传统太阳能蒸馏装置的产率普遍较低，限制了其在大规模工业应用中的推广。因此，研究重点转向了提升热性能、淡水产量和整体效率。

为了解决这一问题，研究人员尝试了多种方法，包括对太阳能蒸馏装置的设计改进和使用先进材料。例如，将鳍片加入蒸馏装置的基座中，可以提高热交换效率，从而显著增加蒸发速率和淡水产量。此外，纳米材料因其优越的光学和热性能，成为增强吸收涂层的有力工具。钛氧化物（TiO?）、碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）和贵金属如金和银等，都显示出高吸收系数和高效的太阳能转化为热能的能力。在某些研究中，纳米材料的使用使淡水产量提高了42%，而能量效率提升了64%。其他研究则展示了通过结合纳米材料和相变材料（PCM）的混合系统，进一步提升脱盐效率。

尽管材料和设计的改进取得了显著进展，但实验数据采集方面仍存在重大挑战。大多数研究依赖手动测量或简单的Arduino数据记录器来监测各种变量，如基座水温、玻璃温度、环境条件、太阳能辐射和淡水产量。这些方法不仅耗时费力，而且容易出错，数据丢失的风险较高，从而影响实验结果的准确性和可重复性。因此，尽管技术上有所创新，但可靠的、可扩展的数据采集系统仍是太阳能脱盐研究的关键瓶颈。

物联网（IoT）技术的引入为解决这一问题提供了新的思路。IoT系统通过传感器、通信网络和云平台的整合，实现了实时监控、自动化和智能决策。该技术在水资源管理中的应用包括需求预测、水质监测和异常检测，有助于构建高效和适应性的城市水资源系统。此外，IoT技术也被用于太阳能脱盐装置的性能监测，例如通过Arduino Mega 2560设计的系统可以采集包括太阳能辐射、基座水温、加热器温度、相对湿度、处理水的盐度和每小时淡水产量在内的全面数据。在太阳能热水系统中，IoT平台被用于监测水箱水位、温度和pH值，并通过云平台进行智能控制。这些应用表明，IoT技术在提升太阳能脱盐装置的性能和效率方面具有巨大潜力。

本文的研究重点在于利用一种由打印机和复印机产生的废碳粉（TWP）纳米颗粒作为低成本、可持续的光热涂层，结合基于云的IoT系统，实现太阳能蒸馏装置的性能提升和实时监控。TWP纳米颗粒因其纳米级的粒径（<100纳米）和高表面积，表现出优异的光学吸收和反应活性。通过将其与黑色油漆混合，形成了一个具有增强光热转换能力的纳米复合涂层。实验结果显示，使用10% TWP涂层的太阳能蒸馏装置（TWPCSS）比传统装置（CSS）在基座温度和玻璃温度方面分别高出58.94°C和51.06°C，而传统装置分别为55.31°C和49.69°C。在10%负载下，TWPCSS的每日产水量达到0.885千克，而CSS为0.640千克，产水量提高了38.28%。与5%负载相比，产水量提高了14.79%。在年产量方面，TWPCSS从CSS的192千克/0.25平方米提升到了265.5千克/0.25平方米。经济分析表明，TWPCSS的回收期（4.05个月）比CSS（4.30个月）更短，且单位水成本（0.0160美元/升）也更低。同时，CO?的减少效果提高了2.3倍。

在材料方面，TWP纳米颗粒表现出显著的光热增强效果，不仅提升了淡水产量，还促进了电子废弃物的回收和环境可持续性。这种材料的使用为太阳能脱盐装置提供了一种新颖且可持续的解决方案，同时降低了对昂贵纳米材料的依赖。与传统的纳米材料相比，TWP具有更低的成本和更高的可获得性，同时其使用过程也更加环保。

在系统设计上，本文开发了一种基于云的IoT框架，用于实时监测太阳能蒸馏装置的关键运行参数。该系统包括校准传感器和Wi-Fi连接的微控制器（ESP8266 NodeMCU），实现了实验数据的实时传输和处理。温度监测使用DS18B20防水数字温度计，其测量范围为-55°C至+125°C，精度为±0.5°C。数据通过HTTPS传输到Google Sheets数据库，实现平台无关的数据可视化和分析。系统还具备自动警报功能，当水位低于3厘米时，会发送电子邮件通知，确保装置的连续运行。

此外，系统还具备高可靠性，即使在间歇性电力或网络故障的情况下也能保持运行。通过内置存储和小型UPS（不间断电源）实现数据存储和处理。传感器的校准和验证确保了数据的准确性和可重复性。

研究结果表明，TWP纳米颗粒的使用不仅提高了太阳能蒸馏装置的性能，还提供了经济和环境双重优势。在环境方面，TWP纳米涂层显著提高了CO?的减少效果，达到传统装置的2.3倍。这表明，TWP不仅可以作为一种低成本的光热增强材料，还具有重要的环境意义，有助于实现碳中和目标。

此外，研究还探讨了TWP纳米涂层与其他材料的比较。与钛纳米颗粒相比，TWP的使用成本更低，同时其光热增强效果与钛纳米颗粒相当，甚至优于一些其他纳米材料。例如，TWP在10%负载下的产水量提高了38.28%，而钛纳米颗粒的使用效果为25-30%。与氧化石墨烯和活性炭混合物相比，TWP的增强效果为38.28%，而混合物的增强效果为42%。这表明，TWP是一种具有竞争力的材料，特别是在考虑成本和可持续性的情况下。

在经济分析中，尽管TWP涂层的太阳能蒸馏装置（TWPCSS）的建造成本略高于传统装置（CSS），但其回收期更短，单位水成本更低。这意味着，虽然初始投资有所增加，但长期来看，TWPCSS具有更高的经济效益和更低的运营成本。此外，TWP的使用不仅减少了材料成本，还促进了电子废弃物的回收，为循环经济提供了新的途径。

本文的研究成果表明，TWP纳米颗粒和基于云的IoT框架的结合，为太阳能脱盐技术提供了一种可行的、可扩展的解决方案。这种技术不仅提高了淡水产量和热性能，还实现了低成本和高效率的脱盐过程。通过使用TWP，太阳能蒸馏装置的性能得到了显著提升，同时减少了对昂贵纳米材料的需求，降低了环境影响。IoT系统的引入，使得数据采集和分析更加自动化和高效，确保了实验数据的准确性和可重复性。

未来的研究方向可以包括对更大规模太阳能蒸馏装置在不同气候条件下的长期性能评估，以及探索不同比例和应用方法的TWP涂层，以最大化太阳能吸收和涂层的耐用性。此外，可以考虑将机器学习模型与数据采集系统相结合，开发预测算法，以实时调整运行参数，进一步提高效率和淡水产量。同时，可以进一步研究TWP在其他太阳能应用中的潜力，如太阳能热水系统和太阳能发电，以实现更广泛的应用。

总之，本文通过引入TWP纳米颗粒和基于云的IoT系统，为太阳能脱盐技术提供了一种创新的解决方案。这种技术不仅提高了装置的性能，还实现了成本节约和环境效益，为解决全球水资源短缺问题提供了新的思路。