Reciclaje de resina y fibra de residuos de palas de turbinas eólicas mediante moléculas pequeñas

Jul 07, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9270 (2023) Citar este artículo

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La energía eólica tiene un importante potencial de crecimiento y aplicabilidad a escala global, pero aproximadamente el 2,4% de las palas de las turbinas eólicas deben ser desmanteladas anualmente. La mayoría de los componentes de las palas se pueden reciclar; sin embargo, las palas eólicas rara vez se reciclan. En el presente estudio, se presentó un método alternativo que involucra una técnica asistida por moléculas pequeñas basada en una reacción dinámica que disuelve materiales compuestos de desecho que contienen grupos éster para reciclar palas de turbinas eólicas al final de su vida útil. Este proceso eficaz requiere temperaturas inferiores a 200 °C y el componente principal, es decir, la resina, se puede disolver fácilmente. Este método se puede aplicar para reciclar materiales compuestos, como palas de turbinas eólicas y compuestos de fibra de carbono que comprenden fibras y resinas. Dependiendo del residuo se puede alcanzar hasta el 100% del rendimiento de degradación de la resina. La solución utilizada para el proceso de reciclaje se puede reutilizar varias veces y se puede reutilizar para obtener componentes a base de resina y crear un circuito cerrado para este tipo de material.

El viento es una fuente de energía totalmente renovable con infinitos recursos y tecnología eficiente para su aprovechamiento. Europa, China y las turbinas eólicas marinas establecieron nuevos récords en 2020, instalando más de 93 GW para un total de 742,7 GW1. La UE proyecta que las nuevas construcciones aumentarán la capacidad de energía eólica de 205 GW2 a 323 GW en 2030. La energía eólica suministra el 15% de la electricidad de la UE y, en 2030, suministrará el 30%. Entre 2020 y 2030, muchas turbinas eólicas de la era del año 2000 deberán ser desmanteladas y desmanteladas3,4. Alemania, España y Dinamarca tenían entre el 41% y el 57% de las turbinas eólicas instaladas en Europa con un tiempo de explotación de más de 15 años en 20205,6. En 2021, la potencia total de 4 GW de turbinas eólicas (6000 turbinas) podrá ser desmantelada debido a la expiración del soporte de 20 años7. Anualmente se reemplazan el 2,4% de todas las palas de aerogeneradores en Europa8. Los materiales compuestos de gran tamaño, como las palas eólicas, rara vez se reciclan9,10,11,12,13, y muchas palas desmanteladas y depositadas en vertederos dañan el medio ambiente, lo que resulta en una pérdida de energía química y potencial material para el reciclaje.

Las palas de las turbinas eólicas poseen una composición compleja que contiene revestimientos termoplásticos, compuestos termoestables/vidrio y fibra de carbono14, fibra de carbono, madera de balsa y adhesivos15. Esta composición dificulta mucho la separación de materiales y la reutilización posterior de las fracciones separadas16,17,18,19. Un kW adicional de energía eólica instalada requiere entre 12 y 15 kg de compuestos, incluidos los materiales de las aspas20. Los polímeros termoestables reticulados de los compuestos de la capa exterior no se pueden fundir ni remodelar, lo que hace que incluso las primeras etapas del reciclaje sean problemáticas21,22,23,24,25,26. Los investigadores han desarrollado métodos de reciclaje de compuestos termoestables mecánicos27,28,29,30, térmicos31 y químicos32,33,34,35,36. Las técnicas de reciclaje térmico de pirólisis y gasificación tienen calificaciones TRL de 9 y 5/6, respectivamente37,38. Desafortunadamente, las condiciones de pirólisis con temperaturas superiores a 500 °C pueden dañar las fibras al retener residuos de oxidación, carbón o estructura química. Además, no siempre resulta económico y su idoneidad depende de la tecnología utilizada. Si el proceso de conversión térmica se va a realizar como un proceso autotérmico, se deben utilizar algunos o todos los volátiles emitidos por el proceso. Como resultado, se pierden algunos, si no la mayoría, de los compuestos orgánicos recuperables de dicha corriente. Además, los procesos de conversión térmica producen mezclas complejas que requieren procesos adicionales de alta temperatura como destilación, hidrodesoxigenación o hidrocraqueo antes de su uso. La solvólisis, utilizada en este trabajo, recupera fibras limpias e intactas y reutiliza la resina, lo que podría cerrar el ciclo de los compuestos de resina reforzados con fibras39. Debido a la alta temperatura (aún más baja que la pirólisis o la gasificación) y las condiciones de alta presión, que permiten recolectar y reintroducir volúmenes importantes de solventes, esta técnica es ineficiente y consume mucha energía. Este método ofrece la mejor relación costo-valor de los artículos a pesar de un TRL de 5/626,40.

Según un plan de diseño de experimentos (DOE), el WTBW, el GFC y el CFC se solvolizaron a 100-190 °C durante 1-3 h bajo 0-60 bar de N2 inerte en un reactor discontinuo Parr 4650 con una capacidad de 500 ml químicamente. Oligómeros de vidrio reciclado, fibra de carbono y resina epoxi. Todas las pruebas se llevaron a cabo mediante la matriz de diseño experimental de un diseño compuesto central (CCD), y los datos se analizaron mediante análisis de varianza (ANOVA) para determinar qué factores tienen un efecto estadísticamente significativo en la eficiencia de eliminación de resina. Como catalizador, se añadió al proceso guanidina bicíclica fuertemente básica (TBD). Se probaron varias cantidades de TBD (proporción molar de 0,015 o 0,025 a una proporción molar fija de 1:1 de EG: NMP) para analizar su efecto catalítico en el proceso de reciclaje.

La principal novedad presentada en este artículo es la identificación de variables que afectan estadísticamente de manera significativa el proceso de eliminación de resina de la matriz de composites reforzados con fibra de vidrio y de carbono. Además, utilizando un enfoque de diseño de experimentos (DOE), se determinaron y optimizaron las condiciones del proceso. El método presentado tiene la importante ventaja de poder reutilizar la mezcla de reacción varias veces. Algunos componentes de residuos compuestos, en particular los derivados de residuos de turbinas eólicas, contienen poliestireno, que puede separarse mediante sedimentación de la mezcla de reacción que contiene etilenglicol y n-metilpirrolidona. Además, pruebas preliminares han demostrado que la condensación en la mezcla de reacción puede usarse para separar precursores de resina epoxi. En comparación con informes anteriores41,42,43, el método presentado permite recuperar fibras de carbono y vidrio con mayor eficiencia y sin degradación adicional. Además, se pueden separar monómeros y dímeros, que son componentes de los residuos compuestos que se procesan.

Este es el primer informe sobre la disolución de elementos epoxi industriales de palas de turbinas eólicas y desechos compuestos comerciales a bajas temperaturas y presiones. Este método reduce en gran medida la cantidad de residuos compuestos y también se revela la degradación del polímero termoestable.

Se utilizaron compuestos comerciales de fibra de carbono (Fig. 1d, e) y palas de turbina eólica (suministradas en láminas con dimensiones de aproximadamente 25 × 30 cm; Fig. 1a) como muestras de desechos en el proceso de solvólisis. Las muestras se recortaron en tiras finas (~ 0,5 cm) para capturar el perfil de la hoja (Fig. 1b). Se cortaron muestras más pequeñas (0,5 × 1 cm) de las tiras para solvólisis (Fig. 1c). El GFC y el CFC fueron solvólisis tal como se recibieron.

Residuos compuestos de palas de turbinas eólicas: a) tal como se reciben; (b) después de cortar en tiras; c) muestra para pruebas de solvólisis; y de una lámina de fibra de carbono: (d) compuesto de fibra de carbono; e) muestra para pruebas de solvólisis.

Se utilizaron los siguientes productos químicos en el proceso de solvólisis y para la síntesis de resina a partir de la corriente de productos de solvólisis: etilenglicol (EG; peso molecular [MW] = 62,07 g/mol), 1-metil-2-pirrolidinona (NMP; MW = 99,13 g /mol), TBD (PM = 139,20 g/mol), epiclorhidrina (EPI; PM = 92,52 g/mol), isopropanol (i-Pr), hidróxido de sodio (NaOH), ácido acético, carbonato de propileno (PC; PM = 102,09 g/mol) y triacetato de glicerol (TAG; PM = 218,21 g/mol). Todos los reactivos se adquirieron en Sigma‒Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.) y se utilizaron tal como se recibieron.

Las muestras de prueba se analizaron utilizando la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) de Thermo Nicolet, modelo IS50. Los espectros de muestra se registraron con un tamaño de paso de 0,05/cm y el rango de 400 a 4000/cm. Todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente y se adquirieron un total de 64 exploraciones para cada muestra considerada. El procesamiento espectral se realizó con la ayuda de OMNIC versión 9.

Además, para comprender mejor la composición de la matriz de resina, las muestras se sometieron a pirólisis analítica mediante el Pyrolyzer EGA/PY-3030D Multi-Shot Pyrolyzer para análisis Py-GC/MS (Frontier Laboratories Ltd, Fukushima Japón). La temperatura de pirólisis se fijó en 500 °C, mientras que la temperatura del horno de GC se elevó gradualmente de 45 a 275 °C a una velocidad de 5 grados Celsius por minuto. Una porción de los vapores de la muestra generados en el horno se dividió (en una proporción de 1/50), y una porción se envió a la columna a un caudal de 1,91 ml/min y una presión de 27,3 kPa, mientras que el resto se ventilado. Los vapores se separaron usando un cromatograma de gases Shimadzu QP-2010 Ultra Plus (Japón) con una columna capilar de temperatura programada y se analizaron a 70 eV usando un espectrómetro de masas Shimadzu MS-QP2010SE. Se utilizó la columna capilar Zebron ZB-5 de Phenomenex (con una fase estacionaria de 5 por ciento de difenilo y 95 % de dimetilpolisiloxano, una longitud de columna de 30 m, un diámetro interior de columna de 0,32 mm y un espesor de 0,10 m). El espectrómetro de masas debe configurarse con los siguientes ajustes: calentador de fuente de iones 250 °C, temperatura de interfaz 300 °C, vacío 10–5 Pa, rango m/z 45–300 y velocidad de escaneo 1428. Publicación de Shimadzu (NIST17.0) Se utilizó un software de ejecución para examinar más a fondo los cromatogramas y espectros de cada experimento.

Además, las muestras estudiadas fueron sometidas a análisis de RMN: fracciones solubles, separadas durante la extracción con cloroformo en un aparato Soxhlet; los productos del proceso de solvólisis y el producto de condensación de uno de estos últimos con epiclorhidrina. Los espectros de RMN 1H y RMN 13C se registraron a 25 °C con la ayuda de un espectrómetro Varian de 600 MHz en CDCl3 como disolvente. Se utilizó tetrametilsilano (TMS) como referencia interna.

El reciclaje químico se realizó a 100–190 °C durante 60–180 min bajo 30–60 bar de una atmósfera inerte de N2 en un reactor discontinuo Parr 4650 de 500 ml con el catalizador de transesterificación, TBD, etilenglicol y 1-metil-2-pirrolidinona. en una proporción molar de 1:1. Bajo cada conjunto de condiciones de solvólisis, se utilizaron 1 g de muestra y 20 ml de solución. Para evitar el sobrecalentamiento, el reactor discontinuo Parr 4650 se calibró antes de cada prueba. Después de cada experimento, la muestra se filtró para extraer los residuos de fibra. Después de la filtración, la muestra líquida se analizó mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) y el residuo sólido del filtro se lavó, secó y pesó. Después de pesar el contenido de la muestra de fibra, se quemó para analizar el contenido de las cenizas. El rendimiento de degradación de la resina (RDY) del proceso de solvólisis se determinó utilizando la ecuación. (1),

donde w1 es el peso de la muestra antes de la solvólisis, w2 es el peso de la muestra después de la solvólisis y w0 es el peso de la resina epoxi antes de la solvólisis42.

Después de la optimización de las condiciones del proceso, la solvólisis se amplió a un reactor discontinuo despresurizado de 2 L con un condensador de reflujo y un suministro de nitrógeno. La muestra líquida después de la solvólisis se sometió a una reacción de adición para investigar el potencial de recuperación de resina de los materiales compuestos. Específicamente, se agregaron 50 ml de productos de solvólisis líquidos, 20,0 ml de EPI y 10,0 ml de i-Pr a un matraz de triple boca de 100 ml equipado con un condensador de reflujo, un termómetro y un gotero para la reacción de adición. Para asegurar una mezcla completa, la mezcla de reacción se calentó a 50 °C durante 5 min. La reacción de adición se dejó proseguir durante 15 min a 67–70 °C añadiendo 1,5 ml de NaOH (0,15 mol). Después de enfriar a 55 °C, se añadieron 15,5 ml de NaOH a la mezcla de reacción y se produjo la condensación durante 90 min. Después de la condensación completa, se añadió agua a la mezcla, que luego se calentó a 80 °C durante 10 minutos para disolver el cloruro de sodio generado. Después de 30 minutos, la mezcla de reacción se añadió a un embudo de decantación para separar la fase acuosa de la fase orgánica.

La degradación de la red resina-compuesto es un paso crucial en el reciclaje de materiales compuestos de desecho. La Figura 2 muestra el mecanismo del enfoque de disolución asistida por moléculas pequeñas. El disolvente de reciclaje comprende EG y disolvente orgánico (es decir, NMP) en una relación molar de 1:1, junto con diversas cantidades del catalizador de transesterificación (es decir, TBD) que oscilan entre 0,015 y 0,025 moles. El proceso de intercambio de enlaces de tipo transesterificación ocurre entre grupos hidroxi en el solvente y grupos éster en el material compuesto de resina. EG rompe los enlaces éster en la red polimérica, lo que hace que el sustrato termoestable se disuelva en oligómeros y monómeros. Se utilizó un modelo de capa superficial con tres capas (capa sólida hinchable, capa de gel y capa de polímero puro) para caracterizar la cinética de disolución del polímero termoendurecible (Fig. 2)44. La difusión del disolvente orgánico (es decir, NMP) acelera el hinchamiento de la resina termoestable, lo que permite que cantidades significativas de EG y TBD entren en la red polimérica. Se forma una capa de gel más gruesa en la capa superficial, donde se produce la reacción de intercambio de enlaces y la superficie de la resina se erosiona gradualmente.

El proceso de solvólisis implica una reacción de intercambio de enlaces entre los grupos hidroxi en el disolvente y los enlaces éster en la red resina-compuesto.

El método de reciclaje de compuestos de residuos asistido por moléculas pequeñas incluye dos pasos básicos: (1) la solución de reciclaje disuelve la resina del compuesto de residuos y (2) el compuesto de residuos a base de carbono o fibra de vidrio se elimina de los productos. En el primer paso, la solución cambia de transparente a amarilla y naranja oscura luego de la reacción entre el catalizador de transesterificación, la resina y otros químicos presentes en las muestras, como se muestra en la Fig. 3.

Solución de solvólisis durante las pruebas (a) sin muestra, (b) con muestra de álabe de turbina después de 1 h, (c) con muestra de álabe de turbina después de 3 h, (d) con compuesto de fibra de carbono después de 1 h, (e) con carbono -compuesto de fibras después de 3 h,

Se llevaron a cabo un total de 29 experimentos de solvólisis en diversas condiciones de procesamiento, de acuerdo con el diseño experimental, es decir, utilizando un rango de temperatura de 100 a 190 °C, un rango de presión de 0 a 60 bar y un rango de duración de 1 a 3 h. y un rango de concentración de catalizador TBD de 0,015 a 0,025 mol. Debido a la profunda penetración de moléculas pequeñas, el sustrato polimérico termoestable eventualmente se deteriora. A altas temperaturas también se disolvieron polímeros con puntos de fusión bajos. Luego del proceso de disolución, la muestra se filtró para separar el líquido de las fibras de vidrio, las cuales luego se lavaron con isopropanol, se secaron a 105 °C y se pesaron.

Según los resultados de estos 29 experimentos en diversas condiciones, las condiciones óptimas en términos de maximizar la eliminación de resina de las muestras compuestas WTB son las siguientes: temperatura de procesamiento = 190 °C, duración = 2,5–3 h, presión = 60 bar, y contenido de TBD = 0,025 mol (Fig. 4). El análisis realizado mostró efectos pequeños y estadísticamente significativos de la duración de la solvólisis y la concentración del catalizador (intervalo de confianza alfa = 0,05) sobre la desviación estándar del valor RDY; esta relación está relacionada con la composición variable de las muestras WTB analizadas. Específicamente, esta variabilidad se debe a la cantidad inconsistente de fibra de vidrio utilizada en la construcción compuesta.

Superficie de respuesta de la función de utilidad, suponiendo un RDY maximizado.

El plan experimental y el método ANOVA revelaron las variables estadísticamente significativas que afectan el proceso de solvólisis en este estudio. También evaluamos las interacciones entre las variables seleccionadas y determinamos si tenían efectos estadísticamente significativos sobre el grado de eliminación de resina de las muestras de WTB. Las condiciones de procesamiento optimizadas condujeron a rendimientos de eliminación de resina que oscilaron entre el 4,36 y el 34,43%. Los factores con efecto estadísticamente más significativo sobre el rendimiento de remoción de resina fueron la temperatura, la presión y el tiempo. ANOVA confirmó que existía una correlación negativa entre el tiempo y la presión y una correlación positiva entre el tiempo de reacción y la cantidad de catalizador. El impacto negativo de la interacción entre el tiempo de procesamiento y el aumento de la presión en el RDY podría evitarse realizando el proceso a presión atmosférica. En estas condiciones, existe un máximo local para el valor RDY y la interacción entre el tiempo de procesamiento y el aumento de la presión no afecta negativamente la eficiencia del procesamiento.

Después de la optimización de la solvólisis para WTBW, se aplicó el enfoque en cascada. En el caso de WTBW, el proceso en cascada duplicó con creces la tasa de eliminación de resina del material. Además, después del segundo paso, la cantidad total de resina RDY que se eliminó alcanzó el 80% (Fig. 5b). Se obtuvieron resultados comparables para el CFC utilizando residuos de WTBW que habían sido sometidos al proceso descrito solo una vez (32,5%; Fig. 5a).

Fibra de vidrio obtenida durante el proceso de solvólisis en condiciones óptimas (a) después de un paso y (b) después de un segundo paso, fibra de carbono obtenida durante el proceso de solvólisis en condiciones óptimas en la escala de 2 L: (c) después de 3 h, (d ) después de 6 h.

Después de eso, la solvólisis de compuestos comerciales de fibra de carbono se amplió a 2 L y se sacó de un reactor discontinuo sin presurizar. En este momento, el proceso de solvólisis se llevó a cabo en las mismas condiciones óptimas y al doble de tiempo, hasta 6 h. Después de eso, se obtuvieron muy buenos resultados, cerca del 100% de rendimiento de degradación de la resina. Estos resultados se presentan en las figuras 5c y d. Después del lavado se obtuvieron fibras muy claras.

Se pudo observar que después del lavado se obtuvieron fibras muy claras, lo que también se confirmó mediante análisis SEM-EDS (Fig. 6). SEM-EDS muestra claramente la superficie lisa de fibras de mayor escala.

Imágenes SEM-EDS de (a) compuesto de fibra de vidrio, (b) fibra de vidrio después del lavado y unificación.

Con base en Py-GC-MS y análisis de RMN, se encontró que en ambos casos las matrices compuestas contenían una fracción reticulada y no reticulada de resina epoxi, ácido 1,2-bencenodicarboxílico (ácido ftálico) y derivados del ácido ftálico, y en el caso de los residuos de palas de aerogeneradores también se incluyen estireno y poliestireno. Los principales compuestos identificados en el pirograma de las palas de los aerogeneradores fueron: estireno (3,05 min), ácido 1,2-bencenodicarboxílico (12,79 min), ciclopropilfenilmetano (21,97 min), 3-(2-feniletil)benzonitrilo (35,07 min) 1-docoseno (46,45 min) y heptacosano (49,44 min). Los resultados de la pirólisis analítica de los composites estudiados corresponden a resina epoxi y resina de poliéster insaturado45,46,47. Los espectros ATR-FTIR indican que con números de onda altos, el espectro FTIR contiene una banda de absorción a 3400 cm-1 atribuible al modo de estiramiento O-H de los grupos hidroxilo, lo que muestra la existencia de dímeros o especies de alto peso molecular. Las bandas a 3060/cm corresponden al modo de vibración de estiramiento C-H del grupo epóxido, mientras que las de 2960 y 2872/cm se relacionan con los modos de vibración de estiramiento –CH2 y –CH3 de cadenas aromáticas y alifáticas, respectivamente. Las bandas a 1722/cm se asignan al modo de estiramiento C=O. Algunas bandas de intensidad débil en 1600, 1493, 1452 y 1374/cm indican la presencia de grupos funcionales N-H de aminas, así como enlaces C-N de grupos amina e imida presumiblemente pertenecientes al catalizador y al modificador agregado al modificado. resina epoxi48. Además, la presencia de bandas en 1232, 1153 y 1063/cm confirma la existencia de vibraciones de estiramiento C – O – C y C – O debido al enlace éter. Los grupos epóxido en la resina se identifican por las características bandas de absorción inclinadas a 984 y 908 / cm, que están conectadas con la funcionalidad glicidil éter y el modo de vibración de estiramiento C – O del anillo de oxirano, respectivamente. Finalmente, se asignaron bandas a 742/cm a absorciones C – H fuera del plano de anillos aromáticos sustituidos.

Después de la licuefacción, los productos líquidos se analizaron mediante resonancia magnética nuclear para determinar su viabilidad para futuras aplicaciones. Los análisis de RMN se realizaron en las siguientes muestras: fracciones solubles de WTB, que se separaron durante la extracción con cloroformo en un aparato Soxhlet; productos de WTB y productos de condensación de solvólisis de WTB con EPI. Los espectros de RMN 1H y 13C a 25 °C se registraron en un espectrómetro Varian de 600 MHz utilizando CDCl3 como disolvente y tetrametilsilano (TMS) como referencia interna. Los exámenes de 1H-NMR de la porción soluble de las muestras de palas de turbinas eólicas revelaron la presencia de estireno, ácido 1,2-bencenodicarboxílico (ácido ftálico) y derivados del ácido ftálico (materiales suplementarios S 1a). Además, se detectó la fracción no reticulada de resina epoxi. En las muestras líquidas obtenidas tras el proceso de reciclaje (Materiales suplementarios Sb, c), se detectaron monómeros y dímeros tras el proceso de transesterificación. El bisfenol A, que es un sustrato utilizado en la producción de resinas epoxi, es uno de los compuestos más importantes identificados en las muestras analizadas.

Es importante señalar que la tecnología de fabricación de palas de aerogeneradores ha sufrido cambios a lo largo del tiempo, lo que ha provocado alteraciones en la composición, cantidad y variedad de resinas epoxi y aditivos utilizados. Pero las resinas epoxi como grupo se han mantenido inalteradas, como se puede afirmar.

Con base en los análisis químicos, se calculó que durante el proceso de licuefacción en condiciones optimizadas se eliminó el 80,04% de la matriz polimérica, es decir, 8,58 g, de la muestra de residuos compuestos de 30,06 g que contenía el 64,35% de las fibras (19,34 g). Sobre la superficie de la fibra quedaron 2,14 g de matriz polimérica sin disolver. El análisis de RMN permitió determinar que la muestra posterior a la licuefacción contenía una resina de poliéster insaturado que comprendía ftalato de bis(2-etilhexilo) y anhídrido maleico (sobre la base de análisis Py-GC-MS y RMN), que, cuando se convertía en un oligómero, se curó con estireno en una cantidad de 30 a 40% en peso. Esta cantidad fue confirmada mediante análisis Py-GC-MS. Este análisis arrojó un 39,46% de estireno en los productos de pirólisis del material compuesto. Debido a que las muestras analizadas eran residuos reales y no se disponía de información exacta sobre las materias primas utilizadas para la producción de las palas de la turbina eólica, en los resultados presentados a continuación se supuso que se podría haber utilizado un 30% en peso de estireno para cure la resina de poliéster insaturada, y no casi el 40% en peso, como lo muestra el análisis Py-GC-MS. Esto se debe a que, durante la pirólisis, parte del estireno también puede provenir de la descomposición del ftalato. Además, el análisis de RMN mostró que la relación molar del oligómero que contiene ftalato a NMP es 0,0054. Suponiendo una masa media de oligómero de 1107 g/mol, se calculó que hay casi 6 g de oligómero (5,978 g) en el producto líquido, lo que permite cerrar de forma bastante satisfactoria el balance de masa presentado en la Fig. 7. Por lo tanto, se puede concluir que la eficiencia de recuperación de los oligómeros (oligómero de ftalato, estireno y poliestireno) de la matriz polimérica en el caso estudiado fue aproximadamente del 80%.

Diagrama de Sankey para el proceso de solvólisis de compuestos (excluyendo la masa de solventes).

El método descrito anteriormente permite aislar 19,34 g de fibra de vidrio con un rendimiento del 90%, mientras que los 2,14 g residuales, equivalentes al 10%, representan la resina que es incapaz de disolverse en la matriz compuesta en las condiciones experimentales empleadas. Además, la técnica permitió el aislamiento de 8,58 g de oligómeros, lo que corresponde a un rendimiento del 80% en peso de la matriz polimérica en el residuo experimental (excluyendo la fibra de vidrio). La composición de oligómeros comprende oligómeros de estireno/poliestireno y ftalato, que constituyen aproximadamente el 30% y el 70% de la mezcla total, respectivamente.

La presencia de bisfenol An en los productos líquidos de solvólisis permitió probar la hipótesis de que se podría obtener una resina condensando bisfenol A con EPI sin purificar primero la mezcla de reacción. La obtención de una resina a partir de dicho intermediario demostraría que las resinas utilizadas en la industria pueden recuperarse y reutilizarse. La condensación de bisfenol A a partir de productos sólidos después de la solvólisis en presencia de EPI indicó que la policondensación podría producir un producto de transición de resina epoxi conocido como propoxato de bisfenol A. El espectro de RMN de los productos sólidos de condensación contiene señales atribuidas al poliestireno. Lo más probable es que el poliestireno se haya producido mediante la polimerización de estireno (que estaba presente en las muestras de WTB) en las condiciones de solvólisis aplicadas.

Existen en la literatura formas que pertenecen a procedimientos de reciclaje químico que utilizan como disolventes potenciales compuestos de bajo peso molecular diferentes al utilizado en este caso. Acetona, alcoholes de bajo peso molecular como alcohol etílico o 2-propanol, ácido acético, etilenglicol (EG), propilenglicol (PG), n-metilpirrolidona (NMP), carbonato de propileno (PC) y triacetato de glicerol (TAG). ) son ejemplos de estas moléculas. Para sugerir una técnica no presurizada que pudiera emplearse de manera más amplia y segura a mayor escala que los sistemas subcríticos o supercríticos, se omitieron de las comparaciones los solventes de bajo punto de ebullición y solo se evaluaron los solventes de alto punto de ebullición. La comparación también incluyó el carbonato de propileno, un disolvente relativamente seguro y de uso frecuente en la industria de los polímeros. A modo de comparación, se empleó una muestra de 1 g de residuos de palas de turbina eólica y las operaciones de solvólisis se llevaron a cabo en condiciones de proceso reproducibles: temperatura de 190 °C, tiempo de proceso de 3 h, con y sin presencia de un catalizador. Los resultados de los análisis comparativos se muestran en la Tabla 1.

Cuando se utiliza una proporción molar idéntica de etilglicol y carbonato de propileno, se descubrió que la mezcla resultante, incluso cuando se calienta, es bastante densa e impide gravemente la disolución adecuada del catalizador (TBD). En este caso fue necesaria una agitación forzada (EG/PC*) de toda la mezcla para lograr un resultado aceptable. Se ha observado que en el caso de los residuos de palas de turbinas eólicas, las resinas reticuladas utilizadas parecen ser demasiado estables para ser degradadas utilizando simplemente compuestos de bajo peso molecular, como puede demostrarse con algunos de los disolventes utilizados con éxito por otros investigador41,42,43. Los tiempos de proceso de hasta 16 h indicados en la literatura pueden ser un serio impedimento para la viabilidad del proceso de reciclaje. Además, la literatura42 no indica a qué presión se llevaron a cabo los procesos en algunos casos, ya que en el estudio se utilizó tanto etilenglicol como propilenglicol, que tienen puntos de ebullición de 197 °C y 188,2 °C, respectivamente, por lo que se recicla químicamente utilizándolos. Durante 16 h a 270 °C tuvo que realizarse bajo presión en un reactor adecuadamente adaptado.

Este estudio propone un enfoque de reacción flexible para el reciclaje de palas de turbinas eólicas residuales que sea eficaz y respetuoso con el medio ambiente. A temperaturas inferiores a 200 °C, una reacción de transesterificación disolvió eficientemente resinas termoestables que contenían ésteres en palas de turbinas eólicas de desecho y compuestos de fibra de carbono. Los materiales de fibra de vidrio y carbono que se obtuvieron se separaron fácilmente de la solución del producto. Los resultados del experimento mostraron que este método podría reciclar una amplia gama de compuestos genuinos de resina de fibra de vidrio y carbono con alta eficiencia (casi el 100%), incluidas palas de turbinas eólicas hechas de sustratos de resina de poliéster y anhídrido epoxi. Debido a que el concepto descrito en este documento se puede aplicar a otros tipos de polímeros sustrato que contienen ésteres, la incorporación de grupos éster en la red del polímero sustrato podría ser una estrategia prometedora para el reciclaje respetuoso con el medio ambiente. Es importante destacar que, después del procesamiento, la fracción líquida se puede utilizar para separar monómeros de resinas epoxi, como estireno y precursores de resina epoxi.

Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que este enfoque se utiliza para procesar una matriz compleja del mundo real de este tipo con un enfoque DOE complejo. Una vez completamente optimizada, esta tecnología podría usarse para recuperar las fibras de vidrio que componen el compuesto o para producir precursores de resina epoxi para usar en otros lugares. Nuestro estudio demostró que en el caso del compuesto WTB reticulado por estireno, sin estabilización, el estireno se autopolimeriza en la mezcla de posprocesamiento, lo que facilita su eliminación. La mezcla de posprocesamiento se puede reciclar hasta que se satura con el oligómero lixiviado y luego se regenera recuperando los oligómeros.

Con base en los hallazgos presentados aquí, las investigaciones futuras deberían concentrarse en optimizar aún más el proceso de solvólisis, como mediante el uso de una mezcla de solventes específica basada en la composición del compuesto, el uso de otros catalizadores de transesterificación o el cambio de la secuencia técnica. En este documento, el enfoque desarrollado también se compara con estrategias informadas anteriormente para el reciclaje químico de álabes de turbinas de vidrieras de desecho. En términos de reducir la cantidad de residuos producidos por las palas de los aerogeneradores y los compuestos de fibra de carbono, la estrategia utilizada en este estudio fue la más exitosa. Los científicos seguirán buscando otros posibles catalizadores que aceleren la descomposición de la matriz compuesta de resina epoxi a medida que avance la investigación sobre este tema. Además, futuras investigaciones se centrarán en determinar la viabilidad comercial de la solución presentada dependiendo del tipo de materiales de desecho.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles en el repositorio de datos de Mendeley49, “Reciclaje químico de palas de turbinas eólicas al final de su vida útil”, V1, https://doi.org/10.17632/7hjmb2bxdh.1, https:/ /data.mendeley.com/datasets/7hjmb2bxdh/1.

Residuos de palas de aerogeneradores

Compuestos de fibra de vidrio

Compuestos de fibra de carbono

Etilenglicol

1-Metil-2-pirrolidinona

1,5,7-Triazabiciclo[4.4.0]dec-5-eno

epiclorhidrina

isopropanol

Hidróxido de sodio

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Descargar referencias

Publicación respaldada por la Iniciativa de Excelencia - Programa Universitario de Investigación realizado en la Universidad Tecnológica de Silesia, 2021 “Disposición y recuperación de materias primas de palas de turbinas eólicas al final de su vida útil mediante procesos químicos” 08/020/SDU/10-21 -01. Este trabajo también contó con el apoyo de la Facultad de Ingeniería Energética y Ambiental de la Universidad Tecnológica de Silesia (investigación reglamentaria). Publicación financiada con la beca pro calidad del Rector. Universidad Tecnológica de Silesia, subvención número 08/020/RGJ23/0033.

Departamento de Protección del Aire, Facultad de Ingeniería Energética y Ambiental, Universidad Tecnológica de Silesia en Gliwice, 44-100, Gliwice, Polonia

Roksana Muzyka y Marcin Sajdak

Departamento de Tecnología de Calefacción, Ventilación y Eliminación de Polvo, Facultad de Ingeniería Energética y Ambiental, Universidad Tecnológica de Silesia en Gliwice, 44-100, Gliwice, Polonia

Szymon Sobek

Departamento de Química Orgánica, Bioorgánica y Biotecnológica, Facultad de Química, Universidad Tecnológica de Silesia en Gliwice, 44-100, Gliwice, Polonia

Anna Korytkowska-Wałach

Departamento de Optoelectrónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad Tecnológica de Silesia, 2 Krzywoustego St., 44-100, Gliwice, Polonia

Łukasz Drewniak

Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Birmingham, Edgbaston, Birmingham, B15 2TT, Reino Unido

Marcin Sajdak

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El manuscrito fue escrito gracias a las contribuciones de todos los autores. Todos los autores han aprobado la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Marcin Sajdak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Muzyka, R., Sobek, S., Korytkowska-Wałach, A. et al. Reciclaje de resina y fibra de residuos de palas de turbinas eólicas mediante disolución asistida por pequeñas moléculas. Informe científico 13, 9270 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36183-4

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Recibido: 12 de enero de 2023

Aceptado: 29 de mayo de 2023

Publicado: 07 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36183-4

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