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风电机组叶片（WWTB）资源化回收中，采用70℃下醋酸预处理2小时并干燥的工艺，显著提升环氧树脂热解效率达10%，活化能从269.85 kJ/mol降至214.92 kJ/mol，降解机制由三维扩散转为二维扩散，促进苯酚A等高价值化学组分选择性分解，回收率提升至58.73%。通过TG-FTIR-GC/MS和Py-GC/MS联用分析，结合人工神经网络优化，确定最佳预处理参数为70℃×2h干燥（Dry-WWTB）。该研究为低能耗、高附加值的风电叶片资源化提供技术路径。
陈思琪|刘京勇|陈志斌|陶乐瑶|陈欣|法提赫·埃文德里莱克|李良忠|王书斌|何瑶
中国广东省广州市510006，广东工业大学环境科学与工程学院资源综合利用与清洁生产重点实验室
摘要
风轮机叶片（WWTB）的低碳处理、高效资源回收和循环利用是风电行业面临的重大可持续性挑战。本研究通过热重分析-傅里叶变换红外光谱-气相色谱/质谱（TG-FTIR-GC/MS）和热解-GC/MS的互补分析，系统研究了醋酸预处理对WWTB复合材料热解降解、产物和动力学的影响。在70°C下用醋酸处理2小时，随后在65°C下烘干（Dry-WWTB）后，环氧树脂的降解速率提高了10%。热降解机制从三维扩散模型（WWTB）转变为二维扩散模型（Dry-WWTB），加速了扩散速率，并将表观活化能从269.85 kJ/mol（WWTB）降低到214.92 kJ/mol（Dry-WWTB）。膨胀破坏了环氧树脂网络，增加了C-O-C键的可用性。CO2产量的减少证明了这种结构变化促进了热解过程中的选择性分解路径。预处理显著提高了有价值化学原料的回收率。具体而言，通过将色谱峰面积归一化到所有挥发性物质的总面积，双酚A的相对含量从37.55%增加到58.73%。人工神经网络模型的优化表明Dry-WWTB是最佳的预处理方法。这些发现为开发更高效、低碳的资源回收策略提供了坚实的基础，以支持风电行业的循环经济发展。
引言
为了推动绿色和低碳发展，世界各国都在优先发展可再生能源。在这些能源来源中，风能由于其环境效益、丰富性和经济可行性，在全球能源系统转型中起着关键作用。截至2022年，全球风电累计装机容量已超过900吉瓦（Martulli等人，2025年）。除了在减缓气候变化方面的作用外，风电还能将消费者能源成本降低约19%（Manso-Morato等人，2025b年）。然而，这种扩张的可持续性受到风电涡轮机核心部件通常20-25年使用寿命的限制（Shi等人，2025年）。这一有限的使用寿命引发了日益严重的报废管理问题，预计到2050年全球将有4300万吨废弃叶片堆积（Liu和Barlow，2017年）。这一迫在眉睫的废物流对行业的长期可持续性构成了重要的科学和物流障碍。
风轮机叶片回收的核心挑战在于它们由轻质、高强度的热固性复合材料构成（Ekici等人，2025年）。这些材料通常包含聚合物基质（20-40 wt%）和增强纤维（40-70 wt%）。树脂稳定的三维交联结构提供了出色的抗疲劳性和环境稳定性，但也带来了显著的回收障碍。特别是，强纤维-基质界面键合使得分离变得复杂，而交联网络抵抗常规的解聚作用，需要能耗较高的回收过程。当前的可持续回收方法受到固有局限性的阻碍。首先，级联利用，如将叶片部分重新用于建筑材料（Zhang等人，2023年）或艺术品装置（Hasheminezhad等人，2024年），虽然延长了使用寿命，但最终只是推迟了最终处置问题。其次，机械回收涉及破碎和分离，需要相对较低的能量；然而，它仍会保留30-50 wt%的树脂残留物，从而降低最终材料的性能（Liu等人，2025b年；Liu等人，2025c年）。回收产物通常是玻璃纤维，通常被降级为混凝土骨料以改善声学和热性能并减少其高碳足迹（Hurtado-Alonso等人，2025年）。然而，这些应用仅限于低强度场景（Cheng等人，2025年；Manso-Morato等人，2025a年），并且由于残留的环氧树脂存在消防安全问题（Sorte等人，2024年），因此需要应用保护涂层和参数优化以确保长期耐久性。最后，化学回收方法，如传统的溶剂基技术，往往存在毒性风险并且需要较长的处理时间（6小时至6天）（Fan等人，2025年）。作为替代方案，亚临界或超临界流体技术可以减少溶剂的使用，但需要苛刻的操作条件（Folprechtová等人，2024年）。
在上述方法中，热解显示出将废物转化为油、气和炭的潜力（Iakovou等人，2024年）。然而，当前的研究主要集中在纤维回收上（Li等人，2024年；Lu等人，2025年；Rani等人，2022年）。这种方法的经济可行性受到原始玻璃纤维市场价格低（约1.6美元/千克）的挑战，这降低了回收材料的竞争力（Liu等人，2022年）。同时，聚合物基质（如环氧树脂和不饱和聚酯）的增值尚未得到充分重视。除了参数优化（Xu等人，2025年；Yang等人，2024年）外，热解过程还面临能量效率低和产品分布机制理解不足的挑战。为了解决这些瓶颈，膨胀预处理作为一种有前景的方法出现了。这种方法利用特定的化学试剂破坏交联的聚合物结构，结合了化学和热回收的优点。它可以显著提高热传递效率并降低热解活化能（Bai等人，2023年；Ma等人，2023年；Qiang等人，2021年；Song等人，2023年）。特别是，使用醋酸作为膨胀剂已被证明可以通过膨胀辅助低温热解提高废弃风轮机叶片中玻璃纤维的回收质量（Xu等人，2024年）。
在工业规模上，已经有一些试点规模的热解设施开始运行，旨在将废物转化为高价值化学品（Cheng等人，2025年）。相比之下，基于溶剂的分解和液相催化方法仍局限于实验室阶段，可用的工业数据有限。就能源消耗而言，传统热解能耗很高（21.2-22.2 MJ/kg），因为需要大量的能量进行加热。虽然基于溶剂的分解能耗略低（约19.2 MJ/kg）（Hao等人，2025年），但它受到反应时间长、运营成本高、安全风险大以及需要复杂的溶剂回收系统的限制。它使用温和的反应介质，通过回收最小化溶剂消耗，并将处理时间缩短至1-4小时，从而显著提高了整体效率。这种混合策略有效地平衡了能源需求和工艺实用性，显示出在工业应用中的良好经济潜力。
然而，膨胀剂选择、工艺参数与热解产物分布之间的关系尚未得到充分理解。此外，膨胀预处理对产物选择性的机制影响缺乏定量验证。为了解决这些差距，本研究采用了一种结合酸膨胀的热解策略，用于处理废弃风轮机叶片（WWTB）复合材料。通过热重分析结合傅里叶变换红外光谱和气相色谱/质谱（TG-FTIR-GC/MS）以及热解-GC/MS（Py-GC/MS），阐明了在不同预处理条件下的产物变化和热降解机制。此外，通过人工神经网络（ANN）模型联合优化确定了关键操作因素之间的相互作用效应。通过解决这些相互关联的问题，本研究旨在为WWTB的资源回收和增值提供可行且经济的技术途径。
小节片段
溶剂选择和膨胀协议
膨胀剂的选择取决于其通过分散力、极性相互作用和氢键穿透复合材料基质的能力（Trivedi等人，2024年）。这种相互作用使用汉森溶解度参数（HSP）进行定量评估，这是评估溶剂-树脂兼容性的标准指标。醋酸（HSP ≈ 21.4 MPa1/2）与典型的环氧树脂聚合物（HSP ≈ 20 MPa1/2）具有良好的兼容性（Xu等人，2024年）。这种热力学
膨胀参数的优化
在确定最佳膨胀条件之前，先对环氧树脂样品进行350°C下1小时的热解处理，然后进行醋酸膨胀预处理，以评估其对降解速率的影响（图1）。随着膨胀温度的升高，降解速率逐渐增加，但变化幅度有限（Δ ～1-6%），表明在测试范围内温度依赖性稳定。将膨胀时间延长至70°C下2小时，降解速率显著提高了10%。这表明
结论与未来方向
本研究全面表征了醋酸膨胀作为预处理方法对WWTB热解的增强效果，特别关注膨胀条件和热解温度如何影响降解行为、动力学参数和产物分布。从机制上讲，这种增强效果是由分子级重构、改性的孔结构和改善的热传递驱动的。在测试的样品中，70°C下处理2小时的Dry-WWTB被确定为最佳条件
CRediT作者贡献声明
陈志斌：验证、软件、正式分析、数据管理。刘京勇：写作 - 审稿与编辑、资源管理、方法论、研究、资金获取、概念化。陈思琪：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理。何瑶：方法论、数据管理。王书斌：资源管理、方法论。李良忠：资源管理、正式分析、数据管理。法提赫·埃文德里莱克：写作 - 审稿与编辑
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42477259、42277365）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2025A1515011026）的财政支持。我们感谢广东工业大学分析测试中心的杨春晓小姐在设备操作和分析指导方面的帮助。
