報廢潮來了，風機葉片咋整？
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侯相林（左）、鄧天昇在查看反應條件。中國科學院山西煤炭化學研究所供圖
風力發(fā)電機也被稱為“白色巨人”，它們高高聳立在荒野、山巔和海岸線，源源不斷地將風能轉化為電能。最令人矚目的就是其巨大的葉片——這些長達上百米、重達數(shù)十噸的龐然大物，不僅造價高昂，且難以回收利用。
從風電機組服役年限來看，到2025年，我國將迎來一大波風機葉片報廢潮；到2030年，我國將有超過3萬臺風電機組面臨換新；而到2035年這一數(shù)字將超過9萬臺。
過期的預浸料、制造過程中產(chǎn)生的下腳料、測試材料以及達到使用壽命的材料，全都面臨著回收難題。如何實現(xiàn)風機葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直困擾著整個風電行業(yè)。
中國科學院山西煤炭化學研究所（以下簡稱山西煤化所）研究員侯相林團隊經(jīng)過十多年研究，終于掌握了“拆解”風機葉片主要材質——熱固性碳纖維樹脂復合材料的辦法，讓這種最“頑固”的固體廢料回歸本源，補齊了風機葉片綠色回收最關鍵一環(huán)。
“終極材料”堅不可摧
葉片是風力發(fā)電機的核心部件之一，占風機成本的20%~30%，所用的復合材料既有較輕的重量，也有較高的強度，還具有抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能。
風機廠商在葉片外殼上通常采用玻璃纖維增強樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強度更高的碳纖維。這些復合材料結構極其堅固，而且空氣動力性好，可以使葉片更輕、更長，讓風機吸收更多的風能。
熱固性樹脂在葉片中占比超三成，相當于混凝土建筑中的填充物，碳纖維、玻璃纖維等材料則相當于混凝土中的鋼筋，占比約七成。兩者結合，堅不可摧。
其中，熱固性樹脂有個外號——“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)結構不能重復加工成型，所以回收利用幾乎是不可能完成的任務。
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，其分子鏈為線型結構，而熱固性樹脂的分子鏈為體型網(wǎng)狀結構，是一個剛性的三維網(wǎng)絡結構。
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制成的復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性能卻是金屬的好幾倍。
“終極材料”的“實力”可見一斑。
回收技術需求高漲
風機葉片的壽命約為20~25年，我國本世紀初新建的一批風電機組即將面臨退役，加之受風電搶裝潮影響和原材料的限制，今年葉片市場甚至供不應求，回收這種高價值材料的技術需求越來越大。
對于這種材料，由于不可降解，填埋會向環(huán)境緩慢釋放少量芳烴物質，焚燒更不可取，會產(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合材料，有的企業(yè)只能回收復合材料里的一部分玻璃纖維。但風電作為一個新興行業(yè)，風機葉片實際處理經(jīng)驗很少，真正要做到產(chǎn)業(yè)化，至少還需20年。
記者采訪了解到，國內諸多風電機組制造企業(yè)為了處理好生產(chǎn)加工葉片產(chǎn)生的廢料，會拿出3000元/噸左右的處理費給專業(yè)公司，而后者只是將固廢切割破碎，將樹脂和木質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》頒布實施，要求產(chǎn)生工業(yè)固體廢物的單位應當根據(jù)經(jīng)濟、技術條件對工業(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隊提供了一個契機。
“這幾年，國內在本世紀初裝機的一大批風電機組面臨集中退役，回收風電葉片里的復合材料應該提上日程了?！焙钕嗔终f，“國外研究團隊也在緊鑼密鼓開展相關研究，特別是風電技術很強的大公司，明知道葉片有很高的價值，但對回收卻一籌莫展。”
實際上，侯相林開展葉片材料回收研究遠遠早于葉片大規(guī)模退役的時間。他所負責的山西煤化所311課題組多年來瞄準熱固性樹脂開發(fā)利用方向，產(chǎn)出一系列研究成果及專利，蘊含了多項國際領先技術，形成了一套極具競爭優(yōu)勢的化學降解綜合開發(fā)工藝，生產(chǎn)出大量高價值化學品。
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，侯相林團隊成員、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釜中連續(xù)運行超過300小時，得到了試驗關鍵數(shù)據(jù)。
今年，“碳纖維增強環(huán)氧樹脂回收利用”項目獲北京地區(qū)高校大學生優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊三等獎。這項技術就是降解碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，致力于從風機葉片中回收高價值的碳纖維。
碳纖維增強環(huán)氧樹脂的優(yōu)點多、品質好，但是回收時，優(yōu)點全部變成“絆腳石”。
侯相林團隊采用定向解聚法處理復合材料，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。這一方法國內首創(chuàng)，也是學術界普遍承認的實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的好方法。
不同于傳統(tǒng)以小分子降解產(chǎn)物為目標的“以破為主”的回收思路，該團隊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斷裂樹脂化學鍵，實現(xiàn)了熱固性樹脂基復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，選擇性地斷裂環(huán)氧樹脂的碳氮鍵，實現(xiàn)了碳纖維增強環(huán)氧樹脂的高效降解及循環(huán)利用。
回收高價值碳纖維最重要的一步是降解或溶解碳纖維增強復合材料中的聚合物組分，回收高價值化學品?！拔覀冊趯嶒炇译A段取得了一部分成績，現(xiàn)在準備進行中試放大。從數(shù)據(jù)指標看，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%，纖維強度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強度指標、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，進一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場售價數(shù)千元至上萬元。高價值化學品使得回收技術“含金量十足”，預期經(jīng)濟效益十分可觀。
鄧天昇評價道，這套技術有兩大優(yōu)點，較溫和的條件下實現(xiàn)樹脂降解，耗能少；特定位點選擇性斷鍵，產(chǎn)物可控，價值更高。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到纖維增強環(huán)氧樹脂，從纖維增強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，在侯相林團隊的系列技術加持下，已經(jīng)可以通過化學回收制備十余種高價值化學品。
“經(jīng)過十多年的專注科研，我們有信心與企業(yè)合作擴大生產(chǎn)規(guī)模，早日‘變廢為寶’，提取出更多有價值的化學品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。”侯相林說。
《中國科學報》 (2021-09-13 第3版 能源化工 原標題為《為“白色巨人”拆解“終極材料”》)
編輯 | 趙路
排版 | 志海
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