综述：用于绿色未来的化学回收风力涡轮机叶片

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Chemical recycling wind turbine blades for green future

化学回收法为解决退役风电叶片（WTBs）难题提供新路径，综述其技术进展及材料应用，涵盖超临界流体、溶剂解、氧化解聚等创新工艺，强调回收玻璃纤维、碳纤维及树脂化学品在建筑、燃料领域的循环经济价值。

　　

Tassew Belete Bahru|Tekeste Dankala Kule|Netsanet Ayele Getachew|Habte Dulla Berry|Ce Wang|Ping Hu|Yong Liu

北京化工大学材料科学与工程学院先进功能聚合物复合材料重点实验室，中国北京100029

摘要

为了应对二氧化碳排放问题，各国政府都在努力创造可持续和更环保的环境。风能作为实现碳中和的绿色技术之一，正迅速受到重视。然而，越来越多的废弃风力涡轮机叶片（WTBs）带来了严峻的挑战。传统的回收方法由于材料回收性能不佳，导致回收材料的再利用率有限。化学回收方法在减少WTB废弃物污染和促进循环经济方面显示出巨大潜力，从而确保一个更绿色的未来。本文综述了化学回收方法的进展和关键分析，介绍了超临界流体溶解、溶剂分解、氧化液化、催化过程、电化学方法、热化学处理和水热处理等新型分类技术。同时，还探讨了回收材料（如玻璃纤维和碳纤维）在建筑领域的应用，以及树脂化学品在燃料生产和聚合物添加剂中的应用，为循环经济做出了贡献。通过解决当前的限制和未来的研究方向，本文为可持续的WTB废弃物管理提供了全面的路线图，符合全球可持续发展目标，有助于推动更绿色的风能发展。

引言

可再生能源作为环境可持续发展的基石，正受到前所未有的全球关注[1]。为了应对与化石燃料消耗相关的温室气体排放和气候变化问题[2]，世界各国政府推出了绿色倡议，以加速可再生能源技术的部署。这些努力旨在向无碳能源系统转型，许多国家力争在2050年前实现净零排放[[2], [3], [4], [5]]。在可再生能源中，风能在脱碳工作中发挥着关键作用，提供了一种清洁、丰富且可扩展的能源解决方案[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。

尽管自20世纪90年代以来，全球风力涡轮机的安装数量大幅增加，推动了低碳经济增长[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]，但风力涡轮机叶片（WTBs）的生命周期管理却成为一个新兴的环境问题。随着涡轮机部署规模的扩大，叶片废弃物的积累也在增加[18,19]。2023年，新增风力发电容量比2020年的记录增长了50%以上，反映了全球趋势的加速[20]。根据全球风能理事会2024年的报告，预计2023年至2028年间，陆上风电容量每年增长6.6%，海上风电容量每年增长28%，分别达到653吉瓦和138吉瓦。因此，预计到2030年WTB废弃物将达到3000万吨，到2050年将达到4300万吨[21,22]。

WTBs是复杂的多材料结构。大约85%的涡轮机（不包括基座）由可回收金属组成，而剩余的15%主要是纤维增强聚合物（FRP）复合材料，这些材料的回收难度较大[[23], [24], [25], [26], [27]]。典型的WTB结构包括玻璃纤维（GF）、碳纤维（CF）和热固性树脂（如聚酯、环氧树脂和聚氯乙烯）[5,22,[28], [29], [30], [31], [32]]。这些材料具有优异的机械性能和低密度，使其在大规模涡轮机设计中的承载应用中不可或缺[4,33]。然而，它们的固有耐久性和热固性交联化学结构也阻碍了回收，导致不可生物降解废弃物的增加[5,12,16,32,34]。

由于缺乏广泛采用的FRP基叶片回收途径，人们对WTB处置问题更加担忧，尤其是考虑到填埋和焚烧带来的环境风险[34,35]。虽然已经提出了一些策略来解决这一挑战，包括从一开始就设计可回收的叶片结构，但在商业规模上的应用仍然有限[23,30,36,37]。例如，Siqueira等人证明基于碳纳米管的纤维可以完全回收而不降低质量。相比之下，其他人开发了来自生物质聚酯的可扩展替代方案[36,37]。然而，这些技术仍不足以满足全球需求，凸显了迫切需要更可靠和工业可行的解决方案。

目前，主要有三种回收策略正在研究中：机械回收、热回收和化学回收[38,39]。机械回收包括将WTBs粉碎成小碎片，然后通过振动筛分分离纤维。然而，这一过程通常会导致纤维缩短和表面损坏，从而降低其在高性能应用中的再利用率[5,40]。热回收通常涉及在450-800°C下的热解或燃烧，旨在降解树脂基体并回收干净的纤维[16,41]。尽管这种方法能有效分离材料，但克服热固性材料的共价交联结构所需的高能量输入带来了经济和环境上的权衡[38,41]。

化学回收提供了一种更有针对性的方法，利用溶剂和活性物种来降解树脂基体并回收完整的纤维[9,42]。技术包括酸硝化、碱性水解、催化降解和氧化降解，通常在高温高压下进行[42,43]。溶剂与基体之间的相互作用使得选择性键断裂和树脂-纤维分离成为可能，常用的溶剂包括水、乙醇、甲醇、丙酮和有机酸混合物[39,44]。尽管仍在发展中，化学回收作为一种可扩展且环保的解决方案，在WTB生命周期管理中展现出巨大潜力。

近年来，发表了大量关于WTB回收的综述文章。然而，通过对ScienceDirect、Google Scholar、Web of Science和X-MOL等平台的文献进行综合调查，发现专门针对WTB化学回收的高质量综述仍然有限。与各种化学回收方法的大量研究相比，专门研究WTB化学回收的综述不足二十篇。大多数综述要么只涵盖部分主题，要么忽略了先进溶剂分解技术、催化降解机制和工业化策略等新兴领域。例如，Branfoot等人评估了用于WTB复合材料回收的溶剂分解方法，评估了其工业潜力，但未具体说明所用溶剂，也未涉及其他化学方法和回收材料的应用[45]。Tian等人专注于CF的回收和可回收树脂的化学回收，但仅限于CFRP，缺乏对其他复合材料或更广泛可持续政策联系的分析[46]。同时，Shen等人探讨了WTB回收的进展，强调了热回收和溶剂分解在循环经济中的应用，但缺乏对其他化学方法和回收材料应用的全面总结[47]。虽然这些综述讨论了WTB化学回收的关键方面，但缺乏整体视角。具体来说，它们没有深入讨论不同化学方法的性能评估和比较分析、大规模工业应用的挑战以及回收材料的实际用途。

为了实现真正的循环风能经济，推进WTB回收技术至关重要。向可持续、高产量处理方法的转变将在减轻环境影响、节约资源以及确保风能作为全球能源结构支柱的长期可行性方面发挥关键作用（图1）。

本文对当前的WTB化学回收策略进行了全面和深入的分析。首先研究了WTB的结构组成，阐明了材料成分如何影响化学回收途径和溶剂系统的选择和性能。特别关注了溶剂分解纤维增强聚合物复合材料的机制以及回收材料的最终质量，特别是在结构完整性和适用于高价值应用方面。除了技术效果外，本文还强调了化学回收方法的环境可持续性，包括能源消耗、过程排放和生命周期影响的评估。通过系统地评估这些因素，我们旨在明确化学回收在推动风能领域循环经济实践方面的潜力。指出了关键的研究空白，并讨论了新兴创新（如新型溶剂系统、工艺强化技术和适应性材料设计），这些方法有望提高回收效率同时最小化环境负担。最终，本文从材料科学、化学和环境工程的交叉角度提供了综合视角，强调了实现下一代WTB可扩展、可持续化学回收解决方案的机会和挑战。

部分摘录

风力涡轮机叶片复合材料

可再生能源的发展在很大程度上依赖于复合材料的进步，以确保其长期可行性[48]。叶片是风力涡轮机系统中最昂贵和最关键的组成部分[49]。因此，选择合适的材料进行叶片制造不仅对机械性能至关重要，也对评估生命周期（EoL）废弃物管理策略具有重要意义[9,49]。风力发电总成本的约15%归因于WTBs

风力涡轮机叶片的化学回收方法

化学回收技术的进步促进了使用化学方法进行聚合物回收[109]。与其他传统回收方法相比，化学回收可以将聚合物降解为其单体，这些单体可用于制造过程而不降低其质量[119]。然而，WTB的热回收和机械回收可能会受到低机械性能纤维的产生和其他污染的影响

从风力涡轮机叶片中化学回收的材料的应用

目前，在发达国家中，只有不到20%的塑料废弃物通过机械回收。然而，回收材料在降级过程中会失去价值。一种值得考虑的先进方法是升级回收（upcycling），即生产具有更高价值并被视为有价值原材料的材料[187]。化学回收技术的成功有助于实现全球环境目标，特别是在风能领域。循环经济的理念可以应用于

结论与展望

预计未来可再生能源将在全球范围内得到更广泛的应用，大量的废弃风力涡轮机将需要作为废弃物进行管理。回收对于实现更绿色的未来至关重要。材料科学、化学和化学工程的持续进步可能会带来提高回收效果、效率和经济性的发现。化学回收是处理WTB废弃物的一个有前景的方法

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

作者使用了Grammarly和ChatGPT进行语法检查。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家清洁能源与低碳能源研究所的资助（资助编号：NICE-RD-2024-086）。