報(bào)廢潮來了，風(fēng)機(jī)葉片咋整？
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侯相林（左）、鄧天昇在查看反應(yīng)條件。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所供圖
風(fēng)力發(fā)電機(jī)也被稱為“白色巨人”，它們高高聳立在荒野、山巔和海岸線，源源不斷地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。最令人矚目的就是其巨大的葉片——這些長達(dá)上百米、重達(dá)數(shù)十噸的龐然大物，不僅造價(jià)高昂，且難以回收利用。
從風(fēng)電機(jī)組服役年限來看，到2025年，我國將迎來一大波風(fēng)機(jī)葉片報(bào)廢潮；到2030年，我國將有超過3萬臺(tái)風(fēng)電機(jī)組面臨換新；而到2035年這一數(shù)字將超過9萬臺(tái)。
過期的預(yù)浸料、制造過程中產(chǎn)生的下腳料、測試材料以及達(dá)到使用壽命的材料，全都面臨著回收難題。如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直困擾著整個(gè)風(fēng)電行業(yè)。
中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所（以下簡稱山西煤化所）研究員侯相林團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年研究，終于掌握了“拆解”風(fēng)機(jī)葉片主要材質(zhì)——熱固性碳纖維樹脂復(fù)合材料的辦法，讓這種最“頑固”的固體廢料回歸本源，補(bǔ)齊了風(fēng)機(jī)葉片綠色回收最關(guān)鍵一環(huán)。
“終極材料”堅(jiān)不可摧
葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，占風(fēng)機(jī)成本的20%~30%，所用的復(fù)合材料既有較輕的重量，也有較高的強(qiáng)度，還具有抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能。
風(fēng)機(jī)廠商在葉片外殼上通常采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強(qiáng)度更高的碳纖維。這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)極其堅(jiān)固，而且空氣動(dòng)力性好，可以使葉片更輕、更長，讓風(fēng)機(jī)吸收更多的風(fēng)能。
熱固性樹脂在葉片中占比超三成，相當(dāng)于混凝土建筑中的填充物，碳纖維、玻璃纖維等材料則相當(dāng)于混凝土中的鋼筋，占比約七成。兩者結(jié)合，堅(jiān)不可摧。
其中，熱固性樹脂有個(gè)外號——“終極材料”。它是一種高分子聚合物材料，在聚合過程后，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能重復(fù)加工成型，所以回收利用幾乎是不可能完成的任務(wù)。
侯相林舉例說，普通的熱塑性塑料，如農(nóng)田里的地膜，自然降解需要200~400年，其分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，而熱固性樹脂的分子鏈為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一個(gè)剛性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
前者像竹竿，是線性的；后者像不銹鋼梯子，是立體的。以熱固性樹脂為基礎(chǔ)制成的復(fù)合材料單位的密度只有鋼鐵的1/4，同等重量的材料的力學(xué)性能卻是金屬的好幾倍。
“終極材料”的“實(shí)力”可見一斑。
回收技術(shù)需求高漲
風(fēng)機(jī)葉片的壽命約為20~25年，我國本世紀(jì)初新建的一批風(fēng)電機(jī)組即將面臨退役，加之受風(fēng)電搶裝潮影響和原材料的限制，今年葉片市場甚至供不應(yīng)求，回收這種高價(jià)值材料的技術(shù)需求越來越大。
對于這種材料，由于不可降解，填埋會(huì)向環(huán)境緩慢釋放少量芳烴物質(zhì)，焚燒更不可取，會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，唯有走綠色回收利用這一途徑。
有的企業(yè)嘗試用熱塑性樹脂代替熱固性樹脂制造復(fù)合材料，有的企業(yè)只能回收復(fù)合材料里的一部分玻璃纖維。但風(fēng)電作為一個(gè)新興行業(yè)，風(fēng)機(jī)葉片實(shí)際處理經(jīng)驗(yàn)很少，真正要做到產(chǎn)業(yè)化，至少還需20年。
記者采訪了解到，國內(nèi)諸多風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)為了處理好生產(chǎn)加工葉片產(chǎn)生的廢料，會(huì)拿出3000元/噸左右的處理費(fèi)給專業(yè)公司，而后者只是將固廢切割破碎，將樹脂和木質(zhì)粉料按一定比例混合后經(jīng)熱擠壓成型，制成板材，用于公園的板凳、圍欄。
熱固性樹脂并沒有因此消失，所謂的“專業(yè)處理”也僅僅是半處理，而且給今后的回收造成了更大困難。
2020年9月1日，《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》頒布實(shí)施，要求產(chǎn)生工業(yè)固體廢物的單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件對工業(yè)固體廢物加以利用。愈發(fā)收緊的固廢處理政策，給專業(yè)從事固廢研究的侯相林團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)契機(jī)。
“這幾年，國內(nèi)在本世紀(jì)初裝機(jī)的一大批風(fēng)電機(jī)組面臨集中退役，回收風(fēng)電葉片里的復(fù)合材料應(yīng)該提上日程了?！焙钕嗔终f，“國外研究團(tuán)隊(duì)也在緊鑼密鼓開展相關(guān)研究，特別是風(fēng)電技術(shù)很強(qiáng)的大公司，明知道葉片有很高的價(jià)值，但對回收卻一籌莫展?！?nbsp;
實(shí)際上，侯相林開展葉片材料回收研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于葉片大規(guī)模退役的時(shí)間。他所負(fù)責(zé)的山西煤化所311課題組多年來瞄準(zhǔn)熱固性樹脂開發(fā)利用方向，產(chǎn)出一系列研究成果及專利，蘊(yùn)含了多項(xiàng)國際領(lǐng)先技術(shù)，形成了一套極具競爭優(yōu)勢的化學(xué)降解綜合開發(fā)工藝，生產(chǎn)出大量高價(jià)值化學(xué)品。
這無疑使教科書里的“終極材料”從此不再“終極”。
從暴力破解到精巧拆除
從2019年開始，侯相林團(tuán)隊(duì)成員、山西煤化所研究員鄧天昇和在讀博士生武少弟從十余種催化劑中挑選出性能最優(yōu)的，全新的催化體系在10千克級別的高壓反應(yīng)釜中連續(xù)運(yùn)行超過300小時(shí)，得到了試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
今年，“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂回收利用”項(xiàng)目獲北京地區(qū)高校大學(xué)生優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)三等獎(jiǎng)。這項(xiàng)技術(shù)就是降解碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，致力于從風(fēng)機(jī)葉片中回收高價(jià)值的碳纖維。
碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)多、品質(zhì)好，但是回收時(shí)，優(yōu)點(diǎn)全部變成“絆腳石”。
侯相林團(tuán)隊(duì)采用定向解聚法處理復(fù)合材料，通過特定溶劑及催化劑體系，在較溫和的條件下將高分子在特定的鍵位“拆解”開，形成長鏈熱塑高分子或樹脂合成單體。這一方法國內(nèi)首創(chuàng)，也是學(xué)術(shù)界普遍承認(rèn)的實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的好方法。
不同于傳統(tǒng)以小分子降解產(chǎn)物為目標(biāo)的“以破為主”的回收思路，該團(tuán)隊(duì)提出選擇性斷鍵降解回收熱固性樹脂的新思路，并利用配位不飽和或弱配位的金屬離子選擇性地?cái)嗔褬渲瘜W(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)了熱固性樹脂基復(fù)合材料的高效降解和全成分回收。
例如，利用水相體系配位不飽和的鋅離子，選擇性地?cái)嗔循h(huán)氧樹脂的碳氮鍵，實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的高效降解及循環(huán)利用。
回收高價(jià)值碳纖維最重要的一步是降解或溶解碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聚合物組分，回收高價(jià)值化學(xué)品?！拔覀冊趯?shí)驗(yàn)室階段取得了一部分成績，現(xiàn)在準(zhǔn)備進(jìn)行中試放大。從數(shù)據(jù)指標(biāo)看，環(huán)氧樹脂降解率大于99%，回收率大于95%，碳纖維回收率大于96%，纖維強(qiáng)度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強(qiáng)度指標(biāo)、模量與原絲相差無幾。”侯相林表示。
據(jù)介紹，回收的樹脂產(chǎn)物可制成環(huán)氧瀝青，進(jìn)一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場售價(jià)數(shù)千元至上萬元。高價(jià)值化學(xué)品使得回收技術(shù)“含金量十足”，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
鄧天昇評價(jià)道，這套技術(shù)有兩大優(yōu)點(diǎn)，較溫和的條件下實(shí)現(xiàn)樹脂降解，耗能少；特定位點(diǎn)選擇性斷鍵，產(chǎn)物可控，價(jià)值更高。其他回收方法與這種方法相比，前者是暴力破解，后者是精巧拆除。
從廢棄PET到纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，從纖維增強(qiáng)不飽和樹脂到乙烯基樹脂，從聚氨酯材料到密胺樹脂，以熱固性樹脂為主要回收對象的環(huán)保技術(shù)，在侯相林團(tuán)隊(duì)的系列技術(shù)加持下，已經(jīng)可以通過化學(xué)回收制備十余種高價(jià)值化學(xué)品。
“經(jīng)過十多年的專注科研，我們有信心與企業(yè)合作擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，早日‘變廢為寶’，提取出更多有價(jià)值的化學(xué)品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。”侯相林說。
《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-09-13 第3版 能源化工 原標(biāo)題為《為“白色巨人”拆解“終極材料”》)
編輯 | 趙路
排版 | 志海
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