碳纤维回收-寿命周期分析

碳纤维和玻璃纤维的使用越来越多,人们对其废物处理方法的认识也有所提高。每年从各种应用中收集的吨废料中都包含有价值的碳纤维和玻璃纤维。这些複合废料必须经济有效地回收利用,而不会造成不利的环境影响。这篇综述文章概述了现有的回收累积的包含碳纤维和玻璃纤维的複合废料的方法,重点是纤维的回收和了解其保留的特性。碳纤维和玻璃纤维通过重点主题进行评估,每个主题都与一种特定的处理方法有关:机械回收;热循环,包括流化床和热解;使用关键条件进行化学回收和溶剂分解。

这些材料在成熟的扇区-如飞机,能源,体育,基础设施,医疗,国防,电子,汽车是纤维增强的聚合物复合材料(FRPC)。尤其是碳纤维增强聚合物(CFRP)和玻璃纤维增强的聚合物(GFRP)是令人难以置信的适用由于它们杰出的材料性质。迄今为止,工业界一直在迅速利用这些材料,而没有对其处理方法的适当认识。几十年来,垃圾填埋和焚烧是复合工业采用的两种流行的处理方法。这些方法已导致增加的环境意识,以识别可持续dispose方法和提供一种解决方案,以防止废物累加

在最近的几十年中,各种研究评估了新复合材料的市场需求以及累积废物的量,以避免不可避免的负面影响。到2020年,美国纤维增强复合材料(FRC)市场的价值将达到120亿美元,年增长率为6.6%。同样,到同年,预计全球对碳纤维(CF)的年度需求将从72,000吨增加至14万吨,CFRP的全球收入预计将从282亿美元增加至487亿美元。为了满足对原始碳纤维(vCF)的如此巨大的需求,累积的CFRP废物应得到有效回收,以减少对环境的影响并满足需求。确实,将CFRP回收为有价值的资源是一个具有挑战性的问题,影响了基于纤维的回收行业的未来。

累积的复合废物比所需的新复合物更为突出。尽管对新型纤维复合材料的现有需求,每年仍将累积多达62,000吨未使用的报废(EoL)和CFRP生产废料[ 16 ]。飞机[ 19 ]和风能[ 20 ]占了其中的主要份额。在飞机领域,如果到2035年不进行回收,EoL CFRP的年估计价值将达到23,360吨。此外,由于现代航空的发展,估计以下世界地区的累积量可用于回收: 2050年:北美(162,083吨),欧洲(144,724吨)和亚洲(102,500吨)[ 19]。同样,到2050年,EoL风力涡轮机将累积483,000吨CFRP废物,其中包括北美(95,000吨),欧洲(190,000吨)和亚洲(146,000吨)[ 20 ]。此外,到同年,风能将取代传统的电力生产,并将占欧盟总电力消耗的50%[ 21 ]。但是,尽管采用绿色环保材料,但由GFRP制造的风力涡轮机叶片的使用寿命约为20年。这意味着到2030年,估计每年将累积100,000吨风力涡轮机叶片。另外,目前,只有少数回收技术可用来治疗如此巨大的数量[ 21,22]。风力涡轮机之后,废印刷电路板(WPCBs)代表全球增长最快的废物流[之一23 ],有助于一个显著份额整体电子废物和由27.4-45.55重量%的玻璃纤维(GF)[的24,25 ]。回收WPCB以回收GF是一个具有挑战性的过程,因为存在有毒重金属和有机化合物以及GF本身[ 26 ]。

英国记录的当前垃圾填埋率分别为CF的35%和GF的67%,只有20%的CF和13%的GF被回收,少量的2%CF和6%的GF被重新利用[ 27 ]。此外,如果从垃圾填埋场中回收并适当回收,则2000吨/年的CF废物(占美国制造的CF总量的20%),考虑到10欧元/千克,可价值高达1470万欧元的回收碳纤维(rCF)。作为rCF市场价格。到2020年,这个价值可能会急剧增加,超过5,000万欧元,这可以归因于全球vCF产量每年稳定增长15%[ 28 ]。为了开拓市场,应该用于CFRP和GFRP浪费的经济上可持续的循环模型[ 27,29,30],开放直接和间接的工作机会,为经济发展做出贡献[ 31 ]。

在目前的情况下,纤维的完全回收(直接结构回收方法)被认为有利于复合材料行业。通过这种方法回收的纤维由于对自然资源,能源和劳动力的使用率低,以及接近原始的纤维质量而具有附加的市场价值[ 1 ]。到目前为止,已经研究和建立了许多方法,尤其是基于机械,热和化学的回收方法,因为方法的选择取决于要回收的材料的类型和将要重复使用的应用程序[ 2 ]。而且,在各种方法中识别一种标准的回收方法是困难的。

在研究领域,回收CFRP和GFRP废物已逐渐成为人们关注的领域,如对过去20年的整体文献研究进行评估时所显示的(图1中突出显示) 。两种纤维的循环利用都在稳定增长。但是,在2011年之后,与CF回收相关的研究显示出指数级增长而没有任何偏差。确实,特别是专注于评论文章表明,以前的研究集中于CF或GF或其生命周期分析。但是,并非所有三个因素都合并到一个研究中。对于目前的情况,需要这样的评论文章来比较各种现象并确定研究差距。

本研究采用的方法是Green等人提出的标准叙述性评论结构。[ 32]。具有挑战性的文献搜索主要是在Scopus数据库中进行的,另外三个数据库被用作辅助支持平台,例如Web of Science,Science Direct和Research Gate。搜索仅限于最近20年。在搜索过程中,关键字包括“碳纤维”,“玻璃纤维”,“凯夫拉尔”,“ Twaron”,“废碳纤维”,“废玻璃纤维”,“废凯夫拉尔”,“废Twaron”,“回收” ,“回收”和“回收”。最后,根据对研究的标题,目标和新颖发现的分析,精心选择了相关文章。考虑到有关回收凯夫拉尔和Twaron废物这一主题的可用信息有限,因此从这项研究中都删除了这两种纤维。

但是,使用Microsoft Excel对CF废物(360篇文章)和GF废物(85篇文章)的回收利用下的所有相关文章进行了审查,并将它们整理到一个私有数据库中。根据以下标准进一步选择了物品:注重回收方法;再生纤维的机械性能;以及回收方法的经济和环境分析。偏离框架选择标准的文章被淘汰。总体而言,本文的研究范围缩小了,仅着眼于总结回收CF和GF废物的重要技术。基于回收清洁纤维的有效回收环境,回收纤维的特性以及回收过程的生命周期分析。最后,参考列表中使用了153篇文章。

总体而言,这篇评论文章将深入介绍可用于从其复合废物中回收碳纤维和玻璃纤维的回收方法的现状。这项研究还将基于以下因素(例如环境影响,商业价值,回收纤维的质量和工业规模的可回收性)优先考虑可用的回收方法。此外,该研究还强调了相关的工艺条件和所得纤维的特性,以证明有必要用再生纤维替代原始纤维。

寿命周期分析

与CF相比,GF贡献了全球最多的纤维生产,这意味着与CFRP废物相比,用于回收的GFRP废物百分比更高。出人意料的是,研究更多的回收废CFRP关注,由于其昂贵的价格范围和循环[后保留最大的机械特性的能力7,143。Hermansson等人的最新研究。[ 144 ]建议,将来,用木质素替代CF原料的聚丙烯腈(PAN)将降低回收CFRP废料时的能源使用和环境影响。

但是,从现有的CFRP废物回收方法来看,这些方法可以分为两种主要技术。便宜的选择;即垃圾填埋和焚化(方法1),其中的纤维无法回收,对环境造成很大的负面影响,包括因忽视宝贵的纤维而造成的经济损失。第二种类型的(方法2)是有利可图的纤维回收方法,例如机械,化学和热回收[ 4,48]。尽管第二种方法需要资本投资和特定技术来保持可持续性,但它对环境的影响较小,可以从废物复合物中最大程度地回收纤维。与第二种方法有关的研究也可以用于回收GFRP废物,因为两种形式的废物(CFRP和GFRP)都涉及相似的聚合物结构[ 48 ]。

通过比较各种回收方法,出现了LCA研究。在所有LCA指标中,三个例子,即全球变暖潜势(GWP),人类毒性(USETox)和酸化(AE)被确定为必不可少的[ 145 ]。但是,全球升温潜能值指标与环境变化直接相关。还应指出,回收成本和全球升温潜能值影响成反比。当全球升温潜能值降低时,成本也降低了[ 146 ]。为了分析GWP与成本之间的关系,Dong等人。[ 48 ]研究了CFRP在经济和环境方面的废物管理。研究强调,没有一种回收技术能够同时降低回收成本和全球升温潜能值的影响。

填埋和焚化的替代方法
工业规模的回收表明,通过机械回收来回收CF所需的能量(0.27–2.03 MJ / kg)低于制造vCF所需的能量(183–286 MJ / kg)。此外,与vCF制造相比,通过铣削过程进行机械回收对环境的影响较小[ 147 ]。除此之外,在将垃圾填埋场和焚化与机械回收方法进行比较时,垃圾填埋场要承受多种税收,并且由于其大量的碳排放,垃圾焚烧对环境具有很高的影响。与垃圾填埋和焚化相比,机械回收的碳足迹较低,即使机械回收涉及高回收成本且收益较低,但针对较高的rCF市场可以提高其收益[ 11]。此外,要采用风力涡轮机叶片[ 9 ]和EoL WPCB [ 8 ] 的即时rGF解决方案,可以采用机械回收利用,这将减少90%的垃圾填埋净影响[ 9 ]。

最近的研究试图比较热解[ 10,14 ],化学回收[ 12在CC],水[ 10,13 ]和EDF [ 10 ]与填埋和焚烧。这些研究主要集中于展示使用涉及纤维回收的回收方法的环境和经济价值。LCA指标有力地支持了垃圾填埋和焚烧过程中的热解。特别地,低环境影响和低能量消耗RCF,这甚至支持RCF在VCF [ 10,14 ]。ReCiPe中点方法的结果支持了垃圾填埋场的化学回收,所有可能的LCA指标平均为80%[12 ]。从CML-IA基线和ILCD 2011中点LCA方法的结果表明,在填埋和焚烧回收CFRP具有一25-30%的环境影响和25%的额外的能量消耗相比,在CC [循环使用水13 ]。

热解和化学回收过程
着眼于纤维回收的进一步回收工艺开发可以在方法中比较环境和经济方面,以确定支持可持续性的各种回收方法。Lee等人在2010年用CFRP代替了韩国的火车车体。[ 85 ]研究了环保回收方法的鉴定,并将化学回收与热解进行了比较。研究得出的结论是,与热解(47.88 MJ-eq)相比,化学循环的能源足迹(7.62 MJ-eq)少六倍,化学循环的温室气体(GHG)排放量(1196.22 g CO 2 -eq)为减少五倍(5916.08 g CO 2当量)。总体而言,这些发现支持了热解过程中化学物质的再循环。

类似地,来自La Rosa等人的LCA研究结果。[ 148 ]有利于使用化学回收利用来回收CF,与制造vCF相比,它消耗更少的能源并降低了对环境的影响。这项研究表明,减少产品制造过程中的材料和能源消耗可能会改变环境效益。EoL风力涡轮机叶片也有利于化学回收过程。但是,如果回收价值下降到47%或处理能量增加到35 MJ / kg以上,那么使用化学回收就毫无价值[ 9 ]。

使用SCF进行热解和溶剂分解
与李等人相反。[ 85 ],Khalil [ 149 ] 2018的研究使用GaBi LCA软件,显示了相反的结果,其中比较了通过热解的常规热解和使用超临界水(SCW)的溶剂解。研究表明,与热解相比,溶剂分解过程对人类健康的影响大78倍,对生态毒性的影响大76倍,碳足迹(全球变暖)的影响大17倍,臭氧消耗量大3倍。同样,定量证据证明,与使用SCW的溶剂分解法相比,通过热分解法回收CFRP具有积极的环境和人类健康价值。

此外,Khalil [ 150 ]使用GaBi LCA软件分析了不同的溶剂分解方法。该研究涉及超临界流体,例如水,甲醇,乙醇,1-丁醇,1-丙醇,丙酮,乙二醇和溶剂与水的二元混合物。结果表明,与在CC中使用纯溶剂相比,溶剂和水的二元混合物能够回收优质CF,并且具有较低的生产成本,对环境和人类健康的影响。另外,这可能是一种有希望的方法来关闭CFRP废物的生命周期循环。

流化床工艺
Meng等人对FBP的一些LCA研究。[ 16,151,152,153 ],在2017年和2018年,导致更好地理解的过程。研究表明,用rCF代替vCF可以使全球变暖潜能(GWP)降低33–51%,一次能源需求(PED)降低32–50%[ 153 ]。同样,在汽车(零部件)应用中用rCF代替传统材料(钢和铝)也显示出潜在的改善和环境效益[ 152 ]。除了对环境的好处外,假设的商业规模FBP设计还具有以下条件:100–6000吨/年的工厂产能和3–12 kg / h m 2进料速率可以以5美元/千克的速度回收CF,这意味着CF的回收成本占vCF总制造成本的15%。因此,很明显,再利用具有积极的环境成果和经济利益[ 151 ]。最后,当使用LCA指标将FBP与热解和化学循环进行比较时,FBP的PED,GWP和功耗更低。总体而言,通过适应FBP [ 16 ] 可以实现大量的环境和成本效益。