将消费后的铝和玻璃废弃物升级转化为氢气和沸石：特性分析、动力学建模及田口优化方法的应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Upcycling post-consumer Aluminum and glass waste into Hydrogen and Zeolite: Characteristics, Kinetic modeling and Taguchi optimization

本研究提出一种可持续的废旧铝罐与玻璃共处理新方法，通过低成本的NaOH溶液实现氢气与沸石的双重产出。采用正交实验法优化关键参数，最佳条件（1M NaOH，60℃，L/S=65mL/g）下铝转化时间仅需18分钟，并成功将副产物铝酸钠与玻璃转化为高纯度P型及FAU型沸石，为循环经济提供高效资源回收方案。

　　这项研究提出了一种新颖且可持续的方法，利用低成本、商业可用的氢氧化钠（NaOH），从消费后废弃的铝和玻璃材料中同时生产氢气和沸石。该方法不仅解决了铝和玻璃废弃物处理的问题，还为清洁燃料和高附加值材料的生产提供了可行的路径。通过碱性水解铝食品容器，研究团队实现了氢气的高效生成，并通过优化反应条件，进一步提升了整个过程的可持续性。

铝作为一种广泛使用的材料，具有良好的可回收性，其回收过程相较于原始生产能够节省高达95%的能源，显著减少温室气体排放，符合全球去碳化的目标。随着疫情后消费行为的变化，例如外卖、送餐和家庭烹饪的增加，对轻质、耐用和卫生的包装材料需求不断上升，这进一步推动了铝罐回收市场的增长。2024年，铝罐回收市场的价值已达到约37.3亿美元，预计到2034年将超过59亿美元。铝在食品包装和储存中的应用日益广泛，其耐腐蚀性、无限可回收性和优良的食品保鲜性能使其成为现代食品系统不可或缺的一部分。然而，这种依赖也意味着必须提高铝废料的回收效率，以减少其对环境的影响。

氢气被认为是清洁能源的一种，广泛应用于燃料电池、环保型交通工具、家庭供暖系统，甚至航空领域。除了直接的应用，氢气还为长期的二氧化碳减排提供了可能，例如通过将二氧化碳氢化生成有价值的碳氢化合物。在众多氢气生产方法中，金属与水反应被认为是最有前景的方式之一。在这些反应中，氢气通过水分子与反应性金属（如铝或镁）的化学相互作用生成。金属氧化并破坏水中的H–O键，释放出氢气。反应效率受到温度、pH值、催化剂以及金属表面氧化层的影响，其中氧化层可能会抑制反应的发生。

近年来，已有许多研究探讨了利用铝废料进行氢气生产的可能性。例如，Yolcular等人研究了通过水解废弃铝加工切屑生成氢气的方法，发现通过球磨与氯化钠结合、在高温下操作、调整氢氧化钠浓度以及使用铝合金，可以显著提高反应效率。另一项由Musicco等人进行的综述比较了不同的氢气生成方法，重点分析了铝氧化层对反应的抑制作用，并提出了增强反应效率的策略。David等人指出，铝氧化层会降低反应效率，但加入碱性溶液如氢氧化钠或氢氧化钾可以有效去除该层，从而提高氢气产量，同时避免碳排放。Li等人研究了铝废渣与水蒸气在高温下的反应，观察到氢气生成速度的加快。Singh等人则探讨了不同碱性溶液和温度对铝废渣氢气生成的影响。此外，Gupta等人展示了通过控制电化学腐蚀在水溶液中从铝基废料中按需生产氢气的可行性，使用的是来自铝合金（Al 6063）的粉尘废料。研究表明，氢氧化钠浓度（0.75–5M）和温度（38.8–49.9°C）对反应速率和整体氢气生成效率有显著影响，并通过ICP、重量损失和SEM分析验证了这些结论。

除了氢气生产，铝废料还成为合成沸石的宝贵原料。沸石在催化、吸附和离子交换等领域有广泛应用。利用铝废料不仅有助于减少环境污染，还为传统铝源提供了一个经济可行的替代方案。通常，该过程涉及从废料材料中提取铝，如铝罐或工业废料，通过碱性或酸性处理生成氧化铝或其衍生物。这些铝化合物随后与硅源在水热条件下结合，形成高纯度、具有所需结构特性的沸石。已有研究证明，铝废料可以成功转化为多种类型的沸石，包括沸石A、X、Na-P和ZSM-5，这些沸石在水处理和气体分离等应用中表现出色。此外，一项近期研究还报告了通过仅使用煤灰（CFA）制备的介孔硅合成ZSM-5沸石，避免了额外的硅或氧化铝来源。这种方法不同于传统的依赖昂贵且对环境有害化学品的工艺，而是通过提升煤灰的价值，实现了成本的降低和废物的减少。所得的ZSM-5沸石具有高纯度、比表面积达455.24 m2/g，并通过XRD、SEM、TEM、FTIR、TGA和BET等技术确认了其结构特征。

本研究是首次将消费后铝食品容器和玻璃废料作为双重资源，用于氢气和高附加值沸石材料的集成生产。通过采用商业可用的、低成本的氢氧化钠，并在60°C条件下进行沸石合成，研究团队开发了一种能源效率高、可持续性强的工艺，将碱性水解用于氢气生成与沸石合成相结合。此外，通过应用Taguchi稳健设计（L9正交阵列），研究团队系统地优化了关键反应参数，包括氢氧化钠浓度、温度和液固比，以减少铝的转化时间。最后，研究团队对合成的沸石材料进行了物理化学性质的表征。

在本研究中，铝源来自突尼斯地区的铝食品包装废料。在使用前，食品铝容器经过水和洗涤剂清洗，干燥后切割成小块。所使用的铝厚度为0.65 mm。用于沸石合成的硅源则来源于破碎的废弃荧光灯玻璃。研究过程中采用了低等级的商业氢氧化钠颗粒，以降低成本并确保该工艺在实际废物处理中的可行性。

氢气的回收过程基于铝在氢氧化钠溶液中的溶解反应。该反应在温和条件下进行，能够有效生成氢气。研究通过实验探讨了不同反应温度下氢气生成随时间的变化趋势。使用0.25 g的铝废料作为初始材料，理论上最大氢气产量可达250 mL。反应温度在20–60°C之间变化，其中60°C的温度能够显著提高氢气生成效率。研究团队通过系统优化，确定了最佳的反应条件：1M的氢氧化钠浓度、60°C的温度以及65 mL/g的液固比，实现了铝废料的完全转化，并在18分钟内完成反应。通过动力学建模，研究发现化学动力学而非扩散效应主导了该反应过程。表面分析和交互图进一步表明，在较高的氢氧化钠浓度和温度条件下，反应速率呈现协同增强的趋势。

研究还表明，通过碱性水解得到的铝酸钠溶液作为副产品，与玻璃废料结合后，能够成功转化为高价值的P型和FAU型沸石。这不仅展示了该方法在资源回收方面的潜力，也体现了其作为“废物变资源”策略的强大能力。该集成过程不仅提高了氢气生产的效率，还将工业废料转化为功能性材料，为实现循环经济提供了可行的解决方案。通过该方法，不仅能够减少铝提取和加工过程中的环境影响，还能创造出有价值的产物，为可持续发展做出贡献。这种策略有助于提高资源利用效率，减少废物产生，同时满足工业对可持续资源的需求。

在铝废料的回收和利用过程中，研究团队采用了系统化的实验设计，以确保结果的可靠性和可重复性。通过使用Taguchi L9正交阵列，研究团队能够高效地筛选和优化多个关键参数，如氢氧化钠浓度、温度和液固比。这种优化方法不仅提高了反应效率，还降低了实验成本，使该方法更具实际应用价值。此外，研究团队对合成的沸石材料进行了详细的物理化学性质分析，包括其结构、比表面积、孔径分布以及表面形貌，以确保其在工业应用中的性能和适用性。

在本研究中，铝废料的回收过程不仅关注氢气的生成，还注重其在沸石合成中的应用。这种双重回收策略为解决铝和玻璃废料处理问题提供了新的思路，同时也为清洁能源和高附加值材料的生产提供了技术支持。通过该方法，铝废料不仅被转化为有用的资源，还减少了对环境的负担，为实现可持续发展目标提供了可行的路径。该方法的实施需要考虑多种因素，包括反应条件的控制、材料的预处理以及副产品的回收利用，以确保整个过程的高效性和经济性。

研究团队通过实验验证了该方法的可行性，并发现其在多个方面具有显著优势。首先，该方法使用了低成本、商业可用的氢氧化钠，降低了生产成本。其次，通过优化反应条件，研究团队能够显著缩短铝的转化时间，提高氢气的生成效率。此外，该方法在处理过程中能够同时生成高价值的沸石材料，实现了资源的高效利用。通过将碱性水解与沸石合成相结合，研究团队开发了一种集成的、可持续的工艺，为未来工业应用提供了重要的参考。

在铝废料的回收过程中，研究团队特别关注了如何在不产生碳排放的情况下提高反应效率。通过使用碱性溶液，如氢氧化钠，能够有效去除铝表面的氧化层，从而加速反应过程。这种方法不仅提高了氢气的产量，还减少了对环境的污染。此外，研究团队还发现，通过调整反应温度和液固比，可以进一步优化反应效率，提高氢气的生成速度。这些发现为未来铝废料的高效回收和利用提供了重要的指导。

在沸石合成方面，研究团队通过实验验证了铝废料与玻璃废料的结合在合成高价值沸石中的应用潜力。通过将铝酸钠溶液与玻璃废料结合，研究团队成功制备了P型和FAU型沸石。这些沸石在结构和性能上均表现出色，适用于多种工业应用。通过该方法，研究团队不仅实现了铝废料的回收利用，还为玻璃废料的处理提供了新的思路，使其成为高附加值材料的来源。

综上所述，本研究提出了一种创新的、可持续的工艺，将消费后铝食品容器和玻璃废料转化为氢气和高价值沸石材料。该方法不仅解决了铝和玻璃废料的处理问题，还为清洁能源和高附加值材料的生产提供了可行的路径。通过系统优化反应条件，研究团队提高了反应效率，缩短了处理时间，并确保了产物的高质量。该方法的实施对于推动循环经济、减少环境污染以及实现可持续发展目标具有重要意义。未来，该方法有望在工业领域得到广泛应用，为可持续能源生产和先进材料合成提供支持。