Donma-çözülme: Emekli Rüzgar Bıçaklarında Elyaf-Rezin Ayrılması için Termal ve Kimyasal Geri Dönüşümüne Çevre Dostu Alternatif

Arka plan

Son yirmi yılda, rüzgar türbinleri küresel sürdürülebilirlik çabalarının temel taşı olarak yaygın olarak konuşlandırıldı. Öncelikle cam elyaf takviyeli epoksi (GRE) kompozitlerinden yapılmış rüzgar bıçakları, uzun süreli dayanıklılığı sağlamak için güçlü fiber-arayüzler ile tasarlanmıştır. Bununla birlikte, 20-25 yıllık hizmetten sonra, çevresel yaşlanma ve yorgunluğa bağlı arayüzey mikro çatlaklar hizmetten çıkarılmalarını gerektirir. Bu sıkı bağlanmış cam fiber epoksi (GF-epoksi) kompozitlerinin ayrılması zordur ve sonuç olarak, emekli bıçaklar genellikle geri dönüşümlü olmayan malzeme olarak sınıflandırılır ve bu nedenle yeniden kullanılabilir yüksek performanslı malzeme GRE kompozitlerinin büyük ekonomik faydalarına rağmen düzenli dolgulardır. 20 yıl önce kurulan rüzgar bıçakları, 2025 yılına kadar büyüyen bir hizmetten çıkarılan bıçak dalgasına yol açarak ömrünün sonuna ulaşmaya başladı.

Meydan okumak

Hizmetten çıkarılan bıçaklar için çeşitli ömür sonu (EOL) stratejileri arasında, geri dönüşüm, potansiyel yeniden kullanım için cam lifleri ve reçineyi geri alma kabiliyeti nedeniyle yaygın olarak en dairesel ve sürdürülebilir seçenek olarak kabul edilir. Mevcut termal ve kimyasal yöntemler, epoksi C-O bağlarını yüksek sıcaklıklarda veya agresif kimyasal tedavilerle kırarak GF-epoksi ayrılmasını sağlar. Cam lifleri ve epoksiyi ayırmada etkili olmakla birlikte, bu yöntemler cam elyaf bozulması, epoksi çözünmesi, yüksek enerji talebi, toksik emisyonlar ve karmaşık atık su yönetimi dahil olmak üzere önemli dezavantajlarla ilişkilidir. Bu çevresel yükler ve tedavi sonrası adımlar, rüzgar bıçaklarının büyük ölçekli dağıtımının fizibilitesini azaltır.

Şekil 1 Zorluk ve atılım

Atılım

Çalışmamız, hizmet dışı bırakılan rüzgar bıçaklarında GF-epoksiyi verimli bir şekilde ayırmak için sadece insanca bağlı sıcaklıklarda buz ve suya dayanan yeni, çevre dostu, uygun maliyetli ve teknik olarak uygulanabilir donma yöntemi önermektedir. Mevcut çalışma, ilk kez, GRE kompozitlerinde hedeflenen fiber-rezin ayrımı için hizmet dışı bırakılan bıçaklardaki önceden var olan mikro çatalları stratejik olarak yeniden tasarlar. Yöntemin performansı, arayüzey ayırma verimliliği (SEM, ağırlık değişimi, mikro-CT), malzeme bütünlüğü (FTIR, EDS, TGA), bu yaklaşımın pH, TOC ve mikroplastik içeriği ile bu erişimin çevresel güvenliği ve çevresel güvenliği dahil olmak üzere çok modlu karakterizasyon yoluyla değerlendirilir. Bu çalışma sadece GF-epoksi arayüz ayrımına odaklanmaktadır ve gelecekte önceden aşamalı GRE kompozitlerinin çok aşamalı geri dönüşüm çerçeveleri yoluyla tam fiber ıslahı planlanmıştır. Bu çalışma, sürdürülebilir teknolojilerin ilerletilmesi ve küresel çevresel zorlukları ele alan atık yönetimi çözümleri üzerindeki sıcak araştırma yönüyle uyumludur.

Genezi

Burada, cam elyaf takviyeli epoksi (GRE) kompozitlerinde fiber ve reçineyi ayırmak için yeni bir donma-çözünür bisiklet yöntemi öneriyoruz. Yöntemimiz, donma-çözünen ayrışma yoluyla doğal kaya bölme sürecinden esinlenmiştir. Doğada, su kayalarda önceden var olan mikro çatlaklara girer, soğuk döngüler sırasında donarken genişler ve çatlakları yayan sınır alanında basınç uygular ve sonuçta malzeme kırığına yol açar. Aynı prensip, GRE kompozitlerindeki bonca fiber-rezin arayüzlerine kullanılabilir.

Yorgunluk nedeniyle servis ömründen sonra emekli olması gereken rüzgar türbini bıçakları, tipik olarak cam lifler ve epoksi reçinesi arasındaki arayüzde veya yakınında mikro çatlaklar sergiler. Bu mikro çatlaklar yapının tam arızası için yeterince büyük olmasa da, bunlara su girişi için bir kanal sağlayacak kadar yeterlidir. Dahası, bu bıçaklar hafif olacak şekilde tasarlanmıştır, bazı boşluklar, köpürme ajanları veya diğer teknikler kullanılarak kompozit üretim sürecinde kasıtlı olarak oluşturulurken, diğerleri ise zayıf üretim uygulamaları nedeniyle istemeden oluşabilir. Bu mikro çatlaklar, operasyon sırasında oluşan boşluklar ve diğer yapısal kusurlarla birlikte, donma-çözülme döngüsü yoluyla lif-rezin ayrımı için etkili bir şekilde kullanılabilir.

Şematik göstermekiyon

Bu benzersiz donma-çözülme yaklaşımının Şekil 1'de gösterildiği gibi nasıl çalıştığını şematik olarak gösteriyoruz. Donma-çözülme yöntemi, çözme aşaması sırasında epoksi matris içindeki önceden var olan çatlaklara ve boşluklara su sızarak çalışır. Su bu kusurlara nüfuz ettikten sonra, donma fazı sırasında genişler ve lif-rezin arayüzünde mekanik stres uygular. Her donma-çözülme döngüsünde, çatlaklar giderek yayılır ve genişler, yakındaki boşluklarla bağlanır. Bu zincir reaksiyonu, daha fazla stres konsantrasyonuna neden olur, bu da cam liflerin reçineden daha kapsamlı çatlamasına ve nihai olarak bozulmasına neden olur.

Şekil 2 Donma-çözülme döngüsü ile çevre dostu elyaf-rezin ayrılmasının mekanizması. (a) Kompozit yapıda önceden var olan mikro çatlakları (siyah çizgiler) ve boşlukları veya hava ceplerini (daireler) gösteren şematik. (b) Çözülme sırasında su girişi (mavi oklar), ardından donma sırasında buz genişlemesi (kırmızı oklar), sınır duvarları üzerinde baskı uygulayarak yeni çatlakların (portakal bölgeleri) yol açar. (c) Çatlak yayılımı ve tekrarlanan donma -çözülme döngülerinden sonra kalıcı lif -rezin debond.

Çözüm

Çalışmamız, cam elyaf takviyeli epoksi (GRE) kompozitlerinde arayüz ayırma için yenilikçi ve sürdürülebilir bir donma-çözülme yöntemi önermekte ve özellikle hizmet dışı bırakılan rüzgar türbin bıçakları için kompozit atık geri dönüşümünde kritik bir zorluğu ele almaktadır. Araştırmamız, arayüzey çatlaklarını yaymak için ortam sıcaklıklarında içilebilir su kullanan ve en az ekipman gerektirirken toksik kimyasallar veya yüksek sıcaklıklar kullanılmadan cam fiber-epoksi ayrılmasını kolaylaştırabilen yeni, çevre dostu bir süreç göstermektedir. Çevresel değerlendirme, atık su nonutral pH, düşük TOC ve filtrelenebilir epoksi fragmanları sergilediğinden, hepsi WHO/EPA sınırları içinde önerilen geri dönüşüm işleminin güvenliğini daha da doğruladı. Bulgular, ikincil uygulamalarda yeniden kullanımlarının sağlanmasını ve kapalı döngü geri dönüşüm sistemini teşvik ederek, geri kazanılan malzemelerin kimyasal liçini veya bozulmasını göstermemektedir. Ayrıca, önerilen fiber-rest ayırma konseptimiz özellikle emekli kompozitler için geçerlidir ve rüzgar bıçağı yaşam sonu yönetiminde tam bileşenli iyileşme ve dairesel ekonomi uygulamasını amaçlayan çok fazlı geri dönüşüm çerçevelerine entegrasyon için güçlü potansiyel sunmaktadır. Evrensel olarak uyarlanabilir arayüz güdümlü fiber-rest ayırma mekanizmasına sahip olan önerilen yöntem, otomotiv, havacılık ve uzay ve deniz sektörlerinde kullanılan diğer fiber takviyeli kompozitlere de genişletilebilir ve çevresel sürdürülebilirlik ve ekonomik kapsayıcılığa yönelik küresel çabaları destekler.