废热转热：深共晶溶剂中飞灰分散体的热物理与流变性质

《Molecules》：Waste-to-Heat: Thermophysical and Rheological Properties of Fly Ash Dispersions in Deep Eutectic Solvents

　　

深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvents，DESs）已成为有前景的传热流体。将近零成本的废弃物衍生颗粒引入DESs可在支持循环经济原则的同时提升其热物理性能。据研究人员所知，这是首篇关于城市生活垃圾焚烧飞灰（Fly Ash，FA）用于DES基传热流体的报道。本研究考察以氯化胆碱/乙二醇（ChCl/EG）为DES、摩尔比1:5与1:10制备的分散体在25 °C下的热物理、流变、形貌与稳定性质。分散体含2–20 wt% FA，经超声处理制备，未做颗粒研磨或加表面活性剂，采用扫描电镜–能谱（SEM–EDS）、激光衍射、多重光散射、瞬态热线法与旋转流变仪表征。FA加载量增加使热导率线性上升，ChCl/EG（1:10）在20 wt%时最大提升19%，ChCl/EG（1:5）提升13%。粒径分析显示低浓度（2–5 wt%）超声后有效解团聚，高浓度逐渐再团聚。所有分散体呈牛顿液体行为，黏度随FA浓度上升但低于90 mPa·s。初始3 h内FA越高稳定性越差，ChCl含量越高稳定性越好。结果表明废弃物衍生FA在DES基传热流体中具有潜力，支持废转热（waste-to-heat）概念。

论文解读：《Molecules》刊载的“废转热：深共晶溶剂中飞灰分散体的热物理与流变性质”

研究背景方面，全球人口与工业化使能源需求持续增长，换热器、太阳能集热器和汽车冷却系统所用传统传热流体（Heat-Transfer Fluids，HTFs）如水、乙二醇（Ethylene Glycol，EG）和油类因本征热导率低而受限。纳米流体虽受关注，但微米级分散体因成本低、工艺简单仍具吸引力。循环经济背景下，飞灰（Fly Ash，FA）作为垃圾焚烧和燃煤大宗残渣，多被填埋，环境与经济压力较大。FA含金属/类金属氧化物、盐与残碳，可作为商用固体添加剂低成本替代物。已有研究多聚焦FA在水或水/EG体系，深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvents，DESs）具低蒸气压、可调控物化性质和氢键结构，却鲜见FA用于DES基传热流体。因此研究人员以城市生活垃圾焚烧FA为分散相，构建ChCl/EG基分散体，服务废转热（waste-to-heat）与循环经济。

主要关键技术方法上，样本为波兰Kraków的Ekospalarnia Kraków市政垃圾焚烧厂烟气处理系统FA，过250 μm筛后直接使用。表征依靠扫描电镜–能谱（SEM–EDS）看形貌元素，激光衍射测体积粒径分布，Turbiscan多重光散射算稳定性指数（Turbiscan Stability Index，TSI），瞬态热线法测热导率，同心圆筒旋转流变仪测黏度与流动行为；制备用超声均质器处理10 min，无表面活性剂。

研究结果如下。2.1 FA表征：SEM显示原料FA为不规则、高团聚、粗糙多孔颗粒；EDS显示富C、O、Ca、Cl，与生活垃圾焚烧FA特征一致。激光衍射表明原料Dv(50)=21.3 μm、span=3.74；2–5 wt%超声后粒径显著减小即有效解团聚，更高加载量因颗粒间作用再团聚；ChCl/EG（1:5）低浓度粒径更小，超声使span降至2.04–2.73。

2.2 分散体稳定性：3 h内TSI随时长和FA加载量上升，代表初期失稳；ChCl/EG（1:5）因黏度与氢键网络更强而TSI更低、更稳定。背散射（Backscattering，BS）剖面显示上部信号降、下部信号增，说明重力沉降为主，20 wt%更明显，无明确整体絮凝证据。

2.3 热导率：两体系热导率随FA近似线性增加；文献块体FA为0.6–1.7 W·m^–1·K^–1，DES约0.22–0.23。ChCl/EG（1:10）20 wt%达0.261 W·m^–1·K^–1（提升19%），ChCl/EG（1:5）达0.249 W·m^–1·K^–1（提升13%）。经验模型λ=f(x,r)拟合R²=0.984。低ChCl/高EG体系因分子迁移性强平均热导率高出约5.0%；更小纳米FA体系增益更大，但本研究微米FA制备更简单廉价。

2.4 流变性质：0.5–500 s^–1内全体系牛顿行为，升/降曲线重合即无触变性；黏度随FA单调升，20 wt%时ChCl/EG（1:10）87.8 mPa·s、ChCl/EG（1:5）89.9 mPa·s，均低于90 mPa·s。模型μ=f(x,r)的R²=0.996。ChCl/EG（1:5）因氢键网络强而黏度始终更高。相较金属氧化物纳米流体，FA分散体至20 wt%仍未成网络故不离模剪切变稀。

讨论部分总结：研究人员指出FA提供额外导热通路，固液界面受DES氢键/离子环境影响但定量未测；粗糙多孔形貌可能增大接触面积但未被量化。稳定性受沉降主导，高ChCl改善初期稳定但不等于长期稳定。热导率提升低于水基纳米FA，主因粒径大、比表面积小、DES黏度高；然而免磨、免表面活性剂、废材利用和黏度可控使其具工程性价比。未来应测比热、泵功、对流换热与环境安全。

结论部分翻译：据研究人员所知，本研究首次报道市政生活垃圾焚烧FA用于DES传热。微米FA可作ChCl/EG基DES低成本分散相，替代常规氧化物填料并支撑废转热概念。主要结论为：FA使两体系热导率线性升，1:10在20 wt%与25 °C最大提19%（0.261 W·m^–1·K^–1），1:5提13%（0.249 W·m^–1·K^–1），低黏1:10热导率更高。所有分散体至20 wt%仍牛顿、无触变，25 °C黏度低于90 mPa·s。无稳定剂下3 h初期失稳随FA加重，1:5因黏度和氢键网络TSI更低、初期更稳。增强热导、适中黏度、较好初期稳定、无表面活性剂简制与废弃材料共用，凸显DES基FA分散体作低成本传热流体潜力。后续需评长期稳定、比热容、泵功、对流换热及现实条件环境安全。