В России производится порядка 480 тысяч тонн полимерных композитов в год. Материал, отличающийся сочетанием легкости и высокой прочности, особо популярен в ветроэнергетике, автомобиле- и авиастроении. При этом каждый год на захоронение или сжигание в стране направляются десятки тысяч тонн полимерных отходов. Их период разложения составляет сотни лет.
Специалисты Восточного научно-исследовательского углехимического института (ВУХИН, входит в госкорпорацию «Ростех») разработали технологию переработки композитных материалов, которая в перспективе может стать решением этой проблемы.
Сольволиз усовершенствован
Композиты состоят из двух или более компонентов — матрицы и жесткого армирующего наполнителя. В качестве наполнителя как правило выступают углеродные или стеклянные волокна, а роль матрицы играет полимер. Сочетание разных компонентов позволяет улучшить характеристики материала и делает его одновременно легким и прочным.
Так, углепластик в пять раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Помимо этого, композит из углеволокна в десятки раз прочнее, чем стандартные сорта стали и более устойчив к коррозии.
В то же время сочетание разных материалов создает трудности при переработке композитов. Соответствующие технологии уже есть, однако из-за своей сложности, дороговизны или недостаточной экологичности они пока не нашли массового применения.
Между тем, специалисты ВУХИН усовершенствовали технологию сольволиза — реакции обменного разложения между отходами композиционных материалов и растворителем. При классической технологии сольволиза в качестве растворителя выступают спирты и кислоты. Эти вещества дорогие, достаточно токсичные и требуют создания дорогостоящего оборудования, работающего под высоким давлением.
«Технологию ВУХИН отличает использование в качестве растворителя пеков — очень экономичных отходов коксового и нефтяного производств. Технология разложения в среде каменноугольного и нефтяного пека дает возможность проводить рециклинг волокон при низких температурах и атмосферном давлении. Также одно из преимуществ — низкое содержание канцерогенов», — сообщили «Эксперту» в ГК «Ростех».
В результате обменного разложения получаются углеродные, кварцевые, стеклянные и другие волокна, которые сохраняют все свои исходные свойства и могут использоваться повторно в производстве композиционных материалов. Например, из них снова можно будет создать лопасти ветрогенераторов или части планеров летательных аппаратов. Более дешевые вторичные волокна могут быть использованы в областях, где не нужны уникальные физико-технические характеристики и где препятствием для использования углеродных волокон ранее была их высокая стоимость. Например, при производстве нетканых материалов, сорбентов, добавок.
«Эта технология не только решит вопрос утилизации композиционных материалов, но и повысит экологичность предприятий химической отрасли за счет низкого выделения канцерогенов в процессе переработки, а также позволит дополнительно обеспечивать производства недорогими углеродными волокнами, столь необходимыми в гражданском секторе», — цитирует пресс-служба «Ростеха» исполнительного директора госкорпорации Олега Евтушенко.
В ВУХИН «Эксперту» сообщили, что для переработки 1 тонны полимерных композитов требуется закупить пек на сумму около 30 тысяч рублей. Прочие составляющие себестоимости переработки будут зависеть от особенностей конкретного производства: накладных расходов, мощности установки, уровня зарплат. По подсчетам специалистов, в результате переработки 1 тонны отходов вырабатывается сырье стоимостью порядка 100 тысяч рублей.
Пока новая технология еще не применяется на практике. Однако уже ведутся переговоры с регионами, имеющими нефтехимические производства. Так, разработку ВУХИН в июле обсудили в Казани на заседании совета директоров координационно-экспертного центра «Татнефтехиминвест-холдинг».
Лопасти из лопастей
Ветроэнергетику — один из самых экологически чистых источников энергии — часто критикуют за трудности с утилизацией лопастей турбин. Те лопасти, которые не используются повторно или не сжигаются, обычно оказываются на свалке. Это, в свою очередь, создает новые экологические проблемы.
По подсчетам Ассоциации возобновляемой энергетики России (АРВЭ), на начало 2022 года в стране действовало 1162 ветро-энергетических установки (ВЭУ). Это 3486 лопастей. Исходя из того, что из примерно 700 тысяч лопастей, которые сейчас функционируют по всему миру, ежегодно выходит из строя лишь 3,8 тысячи штук (0,54%), общий объем переработки в России будет составлять примерно 16–17 лопастей в год.
«Новая технология, предложенная “Ростехом”, будет востребована в России начиная с 2030 года — по мере наращивания мощности ветрогенерации», — сообщили «Эксперту» в АРВЭ. По данным ассоциации, большинство ВЭС, равно как и лопастей, могут использоваться в среднем 20–25 лет. При этом зачастую их демонтируют не из-за каких-либо повреждений, а для замены на более крупные и мощные конструкции. АРВЭ приводит в пример компанию «НоваВинд», которой принадлежит примерно треть всей ветряной мощности в России. Все лопасти этих ВЭУ эксплуатируются безаварийно и без замен почти десять лет.
В мире уже созданы технологии, которые позволяет экологично утилизировать лопасти.
«Например, датская компания Vestas разработала технологию, обеспечивающую переработку и повторное использование термореактивных композитов, применяемых для изготовления лопастей. По сути, эта технология открывает все возможности для создания полностью безотходной цепочки создания стоимости», — отметили в АРВЭ.
Технология Vestas, которую компания представила в прошлом году, предусматривает процесс переработки, состоящий из двух этапов. На первом этапе термореактивные композиты разбираются на волокно и эпоксидную смолу. На втором этапе при помощи химического процесса эпоксидная смола разделяется компоненты, которые затем можно будет снова использовать при производстве лопастей ветроустановки.
Для практического применения этой технологии в Дании был создан проект под названием CETEC (Circular Economy for Thermosets Epoxy Composites – «Экономика замкнутого цикла для термореактивных эпоксидных композитов»). В нем, помимо Vestas, участвуют Инновационный фонд Дании и научные организации. В течение трех лет CETEC должен представить готовое к промышленному внедрению решение. Однако до России эта технология вряд ли доберется в ближайшее время – Vestas уходит с российского рынка по политическим причинам. Поэтому собственные разработки российских ученых могут оказаться весьма кстати.
Стоит отметить, что ветроэнергетика — хотя и немаловажный, но далеко не самый крупный потребитель композитов. Композиционные материалы применяются в автомобильной и сельскохозяйственной технике, строительном секторе, железнодорожном машиностроении, кораблестроении, авиастроении, оборонной сфере. Как ранее писал «Эксперт», в перспективе до 2030 года потребление композитных материалов в большинстве регионов мира будет расти со среднегодовым темпом 6%, а в России — 9%.
