استفاده از گرمایش فلاش برای بازیافت گرافن با ارزش بالا از اجزای خودرو

26 مه 2022 -توسط مایک ویلیامز، دانشگاه رایس -کوین ویس، دانشجوی فارغ التحصیل رایس، ویال گرافن و نمونه هایی از پلی اورتان تقویت شده با گرافن ساخته شده توسط شرکت فورد موتور را در دست دارد. اعتبار: جف فیتلو

شیمیدانان دانشگاه رایس که با محققان شرکت خودروسازی فورد کار می کنند، قطعات پلاستیکی را از وسایل نقلیه در «پایان عمر» از طریق فرآیند گرمایش فلاش ژول به گرافن تبدیل می کنند.

یک SUV متوسط ​​حاوی 350 کیلوگرم (771 پوند) پلاستیک است که می‌تواند قرن‌ها در محل دفن زباله بماند، اما فرآیند  جدید بازیافت در اولین شماره مجله نیچر، مهندسی ارتباطات، گزارش شده است.

هدف پروژه به رهبری جیمز تور شیمیدان رایس و دانشجوی فارغ التحصیل و نویسنده اصلی کوین ویس، استفاده مجدد از گرافن برای ساخت فوم پلی اورتان تقویت شده برای وسایل نقلیه جدید بود. آزمایشات نشان داد فوم تزریق شده با گرافن 34 درصد افزایش در استحکام کششی و 25 درصد افزایش در جذب نویز با فرکانس پایین دارد. این تنها با 0.1 درصد وزنی یا کمتر از گرافن است.و وقتی آن ماشین جدید قدیمی شد، فوم را می توان دوباره به گرافن تبدیل نمود .

تور گفت: «فورد 10 پوند زباله پلاستیکی مخلوط را از یک مرکز خرد کردن خودرو برای ما ارسال کرد. گل آلود و مرطوب بود. ما آن را فلاش کردیم، گرافن را به فورد برگرداندیم، آنها آن را در کامپوزیت های فوم جدید قرار دادند و هر کاری که قرار بود انجام دهد را انجام داد.

او گفت: “سپس آنها کامپوزیت های جدید را برای ما ارسال کردند و ما آنها را فلاش زدیم و دوباره آنها را به گرافن تبدیل کردیم.” “این یک نمونه عالی از بازیافت دایره ای است.”

محققان از مطالعه ای استناد کردند که تخمین می زند میزان پلاستیک استفاده شده در وسایل نقلیه تنها در شش سال گذشته 75 درصد به عنوان وسیله ای برای کاهش وزن و افزایش مصرف سوخت افزایش یافته است.

تور گفت که جداسازی پلاستیک های پایان عمر مختلط بر اساس نوع برای بازیافت یک مشکل طولانی مدت برای صنعت خودرو بوده است و به دلیل قوانین زیست محیطی بالقوه در مورد وسایل نقلیه فرسوده، این موضوع حیاتی تر می شود.

به گفته دبورا میلوفسکی، همکار فنی پایداری در فورد، که ایالات متحده هر سال 10 تا 15 میلیون وسیله نقلیه را با بیش از 27 میلیون دستگاه در سراسر جهان خرد می کند، گفت: بسیاری از پلاستیک های مخلوط در نهایت سوزانده می شوند.

او گفت: “ما صدها ترکیب مختلف از رزین پلاستیکی، پرکننده و تقویت کننده روی وسایل نقلیه داریم که جداسازی مواد را غیرممکن می کند.” “هر برنامه دارای یک بارگذاری/مخلوط خاص است که از نظر اقتصادی نیازها را برآورده می کند.”

تور گفت: “اینها مانند بطری های پلاستیکی قابل بازیافت نیستند، بنابراین نمی توانند آنها را ذوب کرده و شکل آنها را تغییر دهند.” بنابراین، وقتی محققان فورد مقاله ما را روی فلاش ژول که پلاستیک را به گرافن گرم می‌کند، دیدند، با ما همکاری کردند.

گرمایش فلاش ژول برای ساخت گرافن، که توسط آزمایشگاه تور در سال 2020 معرفی شد، پلاستیک مخلوط شده و یک ماده افزودنی کک (برای هدایت) بین الکترودهای یک لوله بسته بندی می کند و آن را با ولتاژ بالا منفجر می کند. گرمای شدید و ناگهانی – تا نزدیک به 5000 درجه فارنهایت – عناصر دیگر را تبخیر می کند و گرافن توربواستراتی که به راحتی قابل حل شدن است را بر جای می گذارد.گرمایش فلاش مزایای زیست محیطی قابل توجهی را ارائه می دهد، زیرا این فرآیند به حلال نیاز ندارد و از حداقل انرژی برای تولید گرافن استفاده می کند.

آزمایشگاه برای آزمایش اینکه آیا پلاستیک مخلوط پایان عمر می تواند تبدیل شود یا خیر، “کرک” خرد کن ساخته شده از سپرهای پلاستیکی، واشر، فرش، تشک، صندلی و روکش درب وانت های F-150 پایان عمر را آسیاب کرد. بدون  اینکه شسته یا طبقه بندی اجزای اولیه به پودر ریز تبدیل شود.

آزمایشگاه پودر را در دو مرحله، ابتدا تحت جریان کم و سپس جریان بالا در بخاری سفارشی Wyss که برای آزمایش طراحی شده بود، فلاش زد.

پودری که بین 10 تا 16 ثانیه در جریان کم گرم می شود، یک پلاستیک بسیار کربن دار تولید می کند که حدود 30 درصد از حجم اولیه را تشکیل می دهد. 70 درصد دیگر به‌عنوان موم‌ها و روغن‌های غنی از هیدروکربن که Wyss پیشنهاد می‌کرد نیز قابل بازیافت هستند، خارج شد یا بازیابی شد.

سپس پلاستیک کربنی شده در معرض چشمک زدن با جریان بالا قرار گرفت و 85 درصد آن را به گرافن تبدیل کرد و در عین حال هیدروژن، اکسیژن، کلر، سیلیکون و ناخالصی های فلزی کمیاب را خارج کرد.

شانس گنجاندن تجزیه و تحلیل چرخه حیات (LCA) در پروژه تحقیقاتی رایس نیز برای Wyss جذاب بود. او گفت: “من تحت تاثیر پایداری هستم، و این جایی است که می خواهم در حرفه خود تمرکز کنم.”

LCA شامل مقایسه گرافن از قطعات ماشین فلاش شده با قطعات تولید شده با روش های دیگر و ارزیابی کارایی بازیافت بود. نتایج آنها نشان داد که گرمایش فلاش ژول گرافن را با کاهش قابل توجهی در انرژی، انتشار گازهای گلخانه‌ای و مصرف آب در مقایسه با روش‌های دیگر، حتی از جمله انرژی مورد نیاز برای تبدیل کرک خردکن پلاستیکی به پودر، تولید می‌کند.