Thiêu kết lạnh có thể giải cứu các thành phần nhựa, gốm sứ, pin khỏi bãi chôn lấp
Yi-Chen Lan, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật hóa học tại bang Pennsylvania và là tác giả đầu tiên của bài báo xuất bản trên ChemSusChem, cầm một pin đồng xu chứa các chất điện phân tổng hợp được tái xử lý thông qua quá trình thiêu kết lạnh. Nhà cung cấp hình ảnh: Poornima Tomy/Penn State
Theo Enrique Gomez, phó trưởng khoa tạm thời về công bằng và hòa nhập, đồng thời là giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Kỹ thuật bang Pennsylvania, việc tái chế không nhất thiết ngăn chặn một vật phẩm cuối cùng bị đưa vào bãi rác. Thay vào đó, việc tái chế chỉ đơn giản là trì hoãn thời hạn sử dụng của nó. Ví dụ, chai nhựa được tái chế và sau đó biến thành thảm, cuối cùng sẽ bị đưa vào bãi rác khi thảm bị mòn và bị vứt đi.
Tuy nhiên, thiêu kết lạnh—quá trình kết hợp các vật liệu dạng bột thành dạng đặc ở nhiệt độ thấp thông qua áp suất sử dụng dung môi—cho phép vật liệu được tái chế nhiều lần.
Gomez cho biết: “Đó là ý tưởng của quá trình thiêu kết nguội: bạn có thể lấy hai hoặc nhiều vật liệu được dành cho bãi chôn lấp, kết hợp chúng và tạo ra vật liệu tổng hợp, đồng thời tái chế vật liệu tổng hợp nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất”.
Trong ba bài báo gần đây, Gomez và nhóm của ông đã phác thảo ba ứng dụng mới của quá trình thiêu kết nguội nhằm thúc đẩy quá trình tái chế trong khoa học vật liệu.
Trong một bài báo đăng trên tạp chí Material Horizons, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thiêu kết lạnh để kết hợp polypropylen—một loại nhựa phế thải thông thường khó tái chế do các vấn đề trong quá trình xử lý và phân loại—với vật liệu gốm. Kết quả là một hỗn hợp có thể được sử dụng để chế tạo vật liệu xây dựng kết cấu như vách thạch cao hoặc sàn ngoài trời.
Po-Hao Lai, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Nhựa thiêu kết lạnh với vật liệu gốm tạo ra vật liệu tổng hợp bền, chắc hoàn hảo để sử dụng trong xây dựng”. "Những vật liệu tổng hợp này có thể trải qua nhiều chu kỳ tái chế chỉ với việc bổ sung nước, mang lại nhu cầu năng lượng và nước thấp hơn so với vật liệu xây dựng thông thường."
Ngoài ra, theo các nhà nghiên cứu, việc tái chế truyền thống thường dẫn đến tái chế, trong đó chất lượng của vật liệu giảm dần sau mỗi chu kỳ tái chế, dẫn đến mất đi các đặc tính có giá trị. Bằng cách kết hợp chất thải nhựa với gốm sứ thành vật liệu tổng hợp, phương pháp này không chỉ giải quyết được những hạn chế của tái chế cơ học mà còn khắc phục được nhược điểm của gốm sứ như độ giòn.
Khi vật liệu xây dựng đã hết tuổi thọ, chúng có thể được nghiền lại trong quy trình thiêu kết nguội và tái sử dụng. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng nghiền lại và nung kết nguội hỗn hợp lên tới 10 lần.
Bryan Vogt cho biết: “Nếu bạn làm lại bộ bài của mình bằng cách sử dụng những vật liệu này và sau đó quyết định muốn thay đổi thiết kế của nó, bạn có thể chỉ cần khôi phục nó, mài và nung kết nguội rồi biến nó thành một thứ khác, chẳng hạn như mái hiên hoặc một chiếc ghế dài”. , giáo sư kỹ thuật hóa học và đồng tác giả của bài báo Chân trời Vật liệu.
Trong một nghiên cứu được công bố trên ChemSusChem, các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp thiêu kết lạnh cho các thành phần chất điện phân rắn và lỏng của pin thể rắn. Pin lithium thể rắn có mật độ năng lượng cao, an toàn, không bắt lửa và có thể được sử dụng trong xe điện, thiết bị đeo hoặc pin máy tính xách tay.
Trừu tượng đồ họa. Nhà cung cấp: ChemSusChem (2024). DOI: 10.1002/cssc.202301920
Yi-Chen Lan, nghiên cứu sinh tiến sĩ về kỹ thuật hóa học cho biết: “Các khiếm khuyết trong pin, chẳng hạn như các khoảng trống và vết nứt do căng thẳng cơ học đối với chất điện phân thể rắn trong pin, có thể chặn đường vận chuyển lithium-ion và khiến pin bị đoản mạch”. và là tác giả đầu tiên trên bài báo.
“Để tái chế các chất điện phân đã trải qua quá trình phân hủy cơ học, chúng tôi sử dụng phương pháp thiêu kết lạnh để làm đặc lại các cấu trúc vi mô và tái xử lý các chất điện phân tổng hợp bằng cách trộn gốm với polyme và muối lithium.”
Ý tưởng thiêu kết lạnh các chất điện phân lỏng cần thiết trong pin thể rắn xuất hiện vào năm 2018, khi một học giả sau tiến sĩ của Nhóm Gomez vô tình làm vỡ một mẫu chất điện phân lỏng trong một thí nghiệm.
Gomez cho biết: “Anh ấy quyết định tái xử lý mẫu chất điện phân thông qua quá trình thiêu kết lạnh và chúng tôi phát hiện ra rằng nó vẫn hoạt động tốt sau khi được tái xử lý”. “Lúc đó chúng tôi không nhận ra rằng đây là một khái niệm mà chúng tôi có thể khai thác và đó là lý do bài báo này ra đời”.
Theo Lan, việc tái xử lý và tái sử dụng chất điện phân được sử dụng trong các loại pin này sẽ giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm tác động đến môi trường theo thời gian, từ đó thúc đẩy khả năng tồn tại và tính bền vững của tất cả các loại pin thể rắn.
Trong một bài báo xuất bản trên MRS Communications, các nhà nghiên cứu đã nung kết lạnh một hỗn hợp để chế tạo tụ điện, một thành phần quan trọng của xe điện. Trong các thí nghiệm, họ đã kết hợp gốm bari titanat với Teflon hoặc polytetrafluoroethylene.
"Công việc của chúng tôi trong MRS Communications chứng minh tiềm năng tái chế vật liệu
Hongtao Sun, trợ lý giáo sư về kỹ thuật công nghiệp và sản xuất, đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Nó sẽ rất quan trọng đối với việc điện khí hóa phương tiện giao thông và do đó giảm lượng khí nhà kính”.
Quá trình thiêu kết nguội được phát triển vào năm 2016 bởi một nhóm các nhà nghiên cứu do Clive Randall, giám đốc Viện nghiên cứu vật liệu của bang Pennsylvania và là giáo sư nổi tiếng về khoa học vật liệu và kỹ thuật dẫn đầu.
Randall nói: “Chúng tôi hiện đang thấy nhiều nhóm nghiên cứu khác áp dụng quy trình thiêu kết nguội trên khắp thế giới trong các trường đại học, phòng thí nghiệm quốc gia và thậm chí trong ngành công nghiệp”.
"Tôi rất ngạc nhiên trước sự đa dạng của các ứng dụng đang nổi lên, nhưng nghiên cứu của Nhóm Gomez đã thiết lập con đường cho nền kinh tế tuần hoàn, một chiến lược cực kỳ quan trọng cần thiết cho một tương lai bền vững."
