在乙二醇/氢氧化钠体系中,对退役风力涡轮机叶片中的玻璃纤维进行温和化学回收:工艺范围与性能保持

时间:2026年5月27日
来源:Journal of Environmental Chemical Engineering

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刘森祥|冯瑞雪|马素霞教育部煤炭与电力清洁智能控制重点实验室,太原理工大学电气与动力工程学院,中国太原 030024摘要随着早期一代风力涡轮机的逐步退役,将产生大量报废的风力涡轮机叶片(WTB),这迫切需要改进玻璃纤维的回收方法,并更好地了解废弃液体的特性。本文评估了一种基于乙二

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刘森祥|冯瑞雪|马素霞
教育部煤炭与电力清洁智能控制重点实验室,太原理工大学电气与动力工程学院,中国太原 030024

摘要

随着早期一代风力涡轮机的逐步退役,将产生大量报废的风力涡轮机叶片(WTB),这迫切需要改进玻璃纤维的回收方法,并更好地了解废弃液体的特性。本文评估了一种基于乙二醇(EG)和氢氧化钠(NaOH)的溶剂分解方法,用于处理环氧树脂基的WTB复合材料。实验在密封的批次反应器中进行,通过改变反应温度(160–220 ℃)、保持时间(2–6小时)和NaOH添加量(相对于EG的质量百分比1–3%)来研究其效果。通过单纤维拉伸测试评估了纤维的再利用潜力,并结合结构分析、表面化学分析、光谱分析和形态学分析进行了验证;废弃液体的变化则通过傅里叶变换红外光谱和非吹扫有机碳测量方法进行了研究。拉伸强度的保留率与处理强度的非单调变化相关。原始纤维的平均强度为1710.5 MPa,而在200 ℃下处理6小时、NaOH添加量为1%的纤维,其强度保留率为84.8%,相当于原始服役老化WTB纤维的84.8%。XRD分析确认了非晶态E玻璃网络得以保留,表明性能变化主要由表面效应主导。通过将XPS测得的C/Si变化与C1s/Na特征以及SEM/FTIR结果相结合,本研究区分了三种典型的处理情况:有机物质去除不完全、树脂大量降解伴随可能的碱性残留物或二次表面沉积,以及表面较为清洁且沉积物有限的情况。液相FTIR和基线校正后的NPOC(ΔNPOC)提供了超出溶剂空白值的溶解有机物质含量的客观测量结果。总体而言,表面处理、热重分析(TGA)和液相指标共同确定了EG/NaOH处理的实验室规模工艺窗口。在测试条件下,200 ℃/6小时/1% NaOH的处理方式显示出最高的平均拉伸强度保留率和显著的树脂衍生有机物质去除率;而220 ℃/4小时/1% NaOH的处理方式虽然温度更高时间更短,但强度保留率也较为可观。在扩大规模或得出可持续性结论之前,还需要进一步进行溶剂回收、能源、技术经济性和生命周期方面的评估。

引言

风能已成为全球部署最快的可再生能源技术之一,在全球脱碳战略中发挥着关键作用[1]、[2]、[3]。虽然这种扩张对低碳电力供应至关重要,但也带来了与风力涡轮机组件(尤其是叶片)报废管理相关的日益严峻的挑战。预计未来几十年内将积累大量退役的风力涡轮机叶片(WTB),中国预计将在2025年左右迎来首次大规模退役高峰[4]、[5]。如果继续采用填埋和简单焚烧的方式处理这些废弃物,WTB将占用大量填埋空间,并可能产生温室气体和有害排放物,从而削弱风能的环境效益[6]、[7]、[8]。因此,开发高效且可持续的WTB回收技术对于风能产业的循环管理至关重要。
WTB主要由纤维增强聚合物复合材料制成,通常包含嵌入热固性树脂基体中的玻璃纤维或碳纤维[9]。由于其优异的粘附性和耐久性,环氧树脂被广泛用于大型叶片[10]。然而,热固性树脂的永久交联三维结构使得熔化再处理变得不可能,简单的溶解方法在服役后也几乎无效,这极大地限制了高价值增强纤维和嵌入有机碳资源的回收[11]、[12]。先前的研究表明,回收的叶片纤维可以作为重要的二次资源,有助于减少环境负担,并抵消生产原始纤维和树脂所需的能源[13]、[14]。
WTB的传统报废处理方法包括填埋、共焚烧、机械回收、热处理和化学回收。由于风力涡轮机叶片体积庞大且降解缓慢,不建议采用填埋方式;而焚烧若控制不当可能会释放有害气体[15]、[16]、[17]。机械回收(如粉碎和研磨)通常会产生主要用于填充的粉末或短片段,但所得产品的性能往往下降,且高价值再利用的可能性有限[17]、[18]。热处理方法(如热解和流化床处理)可以分解树脂基体并释放纤维,是较为成熟的技术选择[19]、[20]、[21]。然而,高温处理可能导致玻璃纤维表面损伤和强度下降,同时会产生焦油/油类物质和复杂的气体产物,增加工艺复杂性、环境负担和安全成本。生命周期分析表明,单独采用机械或热处理方法可能难以在大规模叶片废弃物处理中实现环境性能和经济可行性的理想平衡[11]、[22]。
化学回收(溶剂分解)被认为是一种有前景的替代方案,因为它可以在定制的溶剂/催化剂系统中选择性地断裂聚合物网络,在相对温和的条件下实现树脂解聚,同时提高回收纤维的质量[12]。超临界/亚临界水和醇基溶剂已被广泛用于碳纤维增强聚合物(CFRP)的回收,通常能够快速分解树脂并产生相对纯净的碳纤维[23]、[24]、[25]、[26]。然而,这些方法通常需要苛刻的条件(高温和高压),且主要针对高价值的CFRP,这限制了其在大量玻璃纤维增强聚合物(GFRP)主导的WTB废弃物中的应用范围。
为了降低处理难度,近期研究探索了温和温度下的解聚策略和多元醇基溶剂系统。例如,过氧乙酸、弱有机酸和路易斯酸/碱催化剂已被用于断裂环氧树脂网络中的键合,在优化条件下回收的纤维能够保持大部分机械完整性[27]、[28]。此外,多元醇(尤其是乙二醇(EG)由于其高沸点和强亲核性,在聚酯和环氧树脂的溶剂解聚中表现出优异的性能。在EG或EG/水系统中可以实现高树脂去除率,同时保持纤维强度。Yildirir等人[29]使用EG/水系统实现了高效的CFRP树脂去除和高质量气体的同时产生;Kim等人[30]证明,在常压下水系统中,通过精心设计的反应条件可以显著降低CFRP回收的环境影响。然而,现有证据主要集中在CFRP上,而对于占WTB结构大多数的GFRP,在基于EG的碱性催化下的研究相对较少。
在这项研究中,开发了一种适用于退役GFRP的温和温度EG/NaOH溶剂分解方法,并阐明了关键参数如何影响树脂分解、纤维再利用潜力以及废弃液体中的杂质含量。尽管以往的研究经常强调树脂去除效率,但对于富含二氧化硅的WTB材料,仍有两个问题尚未得到充分探讨:(i)反应强度如何影响表面状态,使其在持久性有机残留物和碱性相关残留物/可能的表面沉积物之间转变;(ii)如何以简单的方法将表面状态和液相有机物质含量与再利用性能联系起来。
与许多使用模型CFRP样品或实验室制备的层压板的研究不同,本研究使用的是实际服役过的、全尺寸的WTB层压板作为原料,从而反映了真实的填料和富含玻璃的基体。实验在比亚临界/超临界系统更温和的条件下系统地改变了反应温度(160–220 ℃)、保持时间(2–6小时)和NaOH添加量(1–3%)。通过将拉伸强度保留率与XPS、FTIR、SEM、TGA和液相NPOC结果进行关联,本研究确定了评估WTB溶剂分解过程中纤维质量和废弃液体中有机物质含量的实验室规模工艺窗口。

章节摘录

原材料

退役的WTB复合材料废弃物来自中国宁夏的中卫市。叶片材料被机械切割成小块,然后进一步切成约3厘米长的条状(图1),以便在EG中膨胀和进行后续的溶剂分解。WTB原料的无机元素组成通过X射线荧光(XRF)光谱分析,并以氧化物的标准化含量形式在表1中报告。需要注意的是,XRF结果主要反映了

结果与讨论

图3显示了EG/NaOH处理后的固体产物。处理后,WTB原料的原始完整性减弱,最初的块状样品分解成了聚集的纤维束,表明树脂基体发生了降解,玻璃纤维被释放出来。由于未进行定量体积测量,这里的讨论仅限于观察到的宏观分解和纤维释放现象。
为了明确不同

环境与生命周期考虑

先前的生命周期评估(LCA)研究表明,风力涡轮机叶片回收的环境性能很大程度上取决于所选择的报废处理方式、回收产品的质量、能源需求以及工艺整合程度。填埋和焚烧通常只能实现有限的资源回收,而机械回收、热处理和化学回收方法在回收的纤维或填料能够重新用于有用应用时,可能具有更高的循环利用潜力[45]。

结论与展望

本研究评估了一种用于退役WTB的EG/NaOH液相溶剂分解方法,阐明了反应温度(160–220 ℃)、保持时间(2–6小时)和碱添加量(1–3%)如何影响树脂分解、纤维再利用潜力以及废弃液体的变化。溶剂分解后,叶片结构减弱并分解成了聚集的纤维束,从而实现了纤维的释放。
拉伸结果结合表面分析、结构分析和TGA结果表明

CRediT作者贡献声明

马素霞:负责监督和资金获取。刘森祥:撰写初稿、开展实验和数据管理。冯瑞雪:方法设计、资金获取和概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山西省基础研究计划青年项目(项目编号202303021222014)和山西省综合能源系统重点实验室启动基金(项目编号IES202505)的支持。

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