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水稻实验室找到更好的方法来处理难以回收的材料

将玻璃纤维增强塑料转化为碳化硅的工艺

by 凯特·苏克尔
大米新闻特刊

玻璃纤维增强塑料 (GFRP) 是一种坚固耐用的复合材料,广泛用于从飞机零件到风车叶片的所有领域。然而,正是这些特性使其足够坚固,可以用于许多不同的应用,这使得它难以处理⎯因此,大多数GFRP废物一旦达到其使用寿命,就会被埋在垃圾填埋场中。

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James Tour(左)和Yi Cheng(摄影:Jeff Fitlow/Rice University)

根据发表在《自然可持续性》上的一项研究,莱斯大学的研究人员和合作者开发了一种新的节能升级再造方法,将玻璃纤维增强塑料(GFRP)转化为碳化硅,广泛用于半导体、砂纸和其他产品。

“GFRP被用来制造非常大的东西,在大多数情况下,我们最终将飞机的机翼结构或风力涡轮机的风车叶片埋在垃圾填埋场中,”T.T.和W.F.Chao教授,化学和材料科学和纳米工程教授James Tour说。“以这种方式处理GFRP是不可持续的。到目前为止,还没有很好的方法可以回收它。

随着监管机构要求修改和改进报废车辆回收实践的压力越来越大,迫切需要更好的方法来管理 GFRP 废物。虽然有些人试图开发使用焚烧或溶剂分解来消除GFRP的方法,但在Tour实验室工作的博士后研究助理和Rice Academy初级研究员Yi Cheng表示,这种过程并不理想,因为它们是资源密集型的,并导致环境污染。

“这种材料在玻璃纤维表面有塑料,焚烧塑料会产生大量有毒气体,”程说。“试图溶解GFRP也是有问题的,因为它会从溶剂中产生大量的酸或碱废物。我们想找到一种更环保的方式来处理这种材料。

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闪焦耳加热是一种将电流通过中等电阻材料以快速将材料加热到极高温度并将其转化为其他物质的技术。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

图尔的实验室已经因使用闪焦耳加热开发新的废物处理和回收应用而成为头条新闻,闪焦耳加热是一种将电流通过中等电阻材料的技术,以将其快速加热到极高的温度并将其转化为其他物质。图尔说,当他从国防高级研究计划局的同事那里了解到GFRP处置所涉及的问题时,他认为这种涡轮加热可以将GFRP转化为碳化硅,广泛用于半导体和砂纸。

“我们已经知道,如果我们通过闪焦耳加热来加热金属氯化物和碳的混合物,我们可以得到金属碳化物⎯,在一次演示中,我们制造了碳化硅,”图尔说。“因此,我们能够利用这项工作来提出一种将GFRP转化为碳化硅的工艺。

这种新工艺将GFRP研磨成塑料和碳的混合物,并在必要时添加更多的碳以使混合物导电。然后,研究人员使用两个电极对其施加高压,使其温度达到1,600-2,900摄氏度(2,912-5,252华氏度)。

“这种高温促进了塑料和碳向碳化硅的转变,”图尔解释说。“我们可以制造两种不同的碳化硅,它们可用于不同的应用。事实上,其中一种碳化硅作为电池负极材料显示出卓越的容量和倍率性能。

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Yi Cheng 是博士后研究助理、莱斯学院初级研究员和《自然可持续性》研究的共同主要作者。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

虽然这项初步研究是在实验室的台秤上进行的概念验证测试,但Tour及其同事已经在与外部公司合作,以扩大该过程的规模以更广泛地使用。升级再造GFRP的运营成本不到每公斤0.05美元,比焚烧或溶剂分解便宜得多,而且更环保。

图尔说,需要时间⎯和一些好的工程⎯来适当地扩大这种新的闪蒸升级再造方法。他说,他很高兴他的实验室能够开发出一种可持续的方法,将GFRP垃圾转化为碳化硅宝藏。

“这种GFRP是一种废物,通常最终进入垃圾填埋场,现在你可以把它变成可以帮助人类的可用产品,”他说。“这正是我们支持循环经济所需的方法。我们需要找到方法,从各种不同的应用中提取废物,并将它们转化为新产品。

该研究得到了空军科学研究办公室(FA9550-22-1-0526),美国陆军工程兵团(W912HZ-21-20050)和莱斯大学的支持。

同行评议论文:

废玻璃钢闪蒸升级再造为碳化硅 |自然可持续性 |DOI:

作者: Yi Cheng, Jinhang Chen, Bing 邓, Weiyin Chen, Karla J. Silva, Lucas Eddy, Gang Wu, Ying Chen, Bowen Li, Carter Kittrell, Shichen Xu, Tengda Si, Angel Martí, Boris Yakobson, Yufeng Zhao and James Tour

https://www.nature.com/articles/s41893-024-01287-w

图片下载:

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图片说明:James Tour(左)和Yi Cheng(摄影:Jeff Fitlow/Rice University)

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图片说明:闪焦耳加热是一种技术,它使电流通过中等电阻材料,以快速将材料加热到极高的温度并将其转化为其他物质。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

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图片说明:Yi Cheng 是博士后研究助理、莱斯学院初级研究员和《自然可持续性》研究的共同主要作者。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

链接:

James M Tour Group: https://www.jmtour.com/

化学系:https://chemistry.rice.edu/

马蒂研究小组:https://martigroup.rice.edu/

雅科布森研究小组:https://biygroup.blogs.rice.edu/

材料科学与纳米工程系:msne.rice.edu

George R. Brown 工程学院:https://engineering.rice.edu

威斯自然科学学院:https://naturalsciences.rice.edu/

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.rice.edu/news/2024/rice-lab-finds-better-way-handle-hard-recycle-material