Из старых лопастей ветротурбин получили карбид кремния и графен

Почему лопасти сложно перерабатывать

Лопасти ветротурбин рассчитаны более чем на два десятилетия работы под воздействием ветра, ультрафиолета и перепадов температур. Но после списания прочный композит трудно переработать, и значительная часть таких отходов оказывается на полигонах.

По мере вывода из эксплуатации турбин, установленных во время роста ветроэнергетики в начале 2000-х годов, объем отходов увеличивается. В Китае, Европе и США ежегодно образуются тысячи тонн списанных лопастей. Ограничения на захоронение композитных отходов дополнительно стимулируют поиск способов их переработки.

Команда Университета Цинхуа предложила использовать компоненты самих лопастей для получения новых материалов. Стекловолокно содержит соединения кремния, а связующая смола служит источником углерода.

Как работает мгновенный джоулев нагрев

Исследователи за считанные секунды нагревали фрагменты лопастей примерно до 2000 °C с помощью мгновенного джоулева нагрева. При высокой температуре углерод реагирует с диоксидом кремния, образуя карбид кремния — твердое и термостойкое соединение. Часть оставшегося углерода преобразуется в графен.

Таким образом, из трудноперерабатываемого композита получают смесь материалов, которую можно использовать как добавку к полимерной смоле.

Что показали испытания добавки

Введение полученной смеси карбида кремния и графена в новую смолу улучшило ее характеристики. При добавлении 0,3% по массе жесткость при растяжении выросла на 27%, а прочность на изгиб — на 9%. При концентрации добавки 0,1% теплопроводность увеличилась на 41%.

Исследователи рассматривают возможность применения такой смолы в производстве новых лопастей ветротурбин. Это позволило бы возвращать материалы списанных изделий в тот же производственный цикл. Пока речь идет о потенциальном применении, а не о внедренной промышленной схеме.

Экономика процесса и масштабирование

По оценке Хао Би из Университета Цинхуа, переработка предложенным методом может приносить около 80 долларов прибыли на тонну отходов за счет стоимости получаемых карбида кремния и графена. Для сравнения он приводит затраты на пиролиз — около 460 долларов за тонну, а на переработку с применением растворителей — около 1800 долларов за тонну.

Эти оценки не означают, что промышленная рентабельность уже подтверждена: команда продолжает работу над масштабированием процесса. Исследователи также рассматривают возможность его применения к композитным отходам аэрокосмической, автомобильной и электронной промышленности.

Результаты исследования опубликованы в журнале Chem Circularity.