มหาวิทยาลัยไรซ์ นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาในวารสาร คาร์บอน, แสดงให้เห็นว่าเส้นใยคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT) สามารถรีไซเคิลได้โดยไม่สูญเสียโครงสร้างหรือคุณสมบัติ ซึ่งสนับสนุนความพยายามในการสร้างเศรษฐกิจหมุนเวียนที่ยั่งยืนมากขึ้น
การค้นพบนี้ทำให้เส้นใย CNT เป็นทางเลือกที่ยั่งยืนแทนวัสดุแบบดั้งเดิม เช่น โลหะ โพลีเมอร์ และเส้นใยคาร์บอนขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นเรื่องท้าทายในการรีไซเคิล
การรีไซเคิลถือเป็นความท้าทายในอุตสาหกรรมวัสดุมาอย่างยาวนาน การรีไซเคิลโลหะมักจะไม่มีประสิทธิภาพและใช้พลังงานมาก โพลีเมอร์มักจะสูญเสียคุณสมบัติหลังจากการแปรรูป และเส้นใยคาร์บอนไม่สามารถรีไซเคิลได้เลย เพียงแต่จะลดขนาดลงโดยการสับให้เป็นชิ้นสั้นๆ เท่านั้น
Matteo Pasquali, AJ Hartsook ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล, วัสดุศาสตร์และนาโนวิศวกรรมและเคมี, มหาวิทยาลัยไรซ์
เขากล่าวเสริมว่า “ในขณะที่เส้นใย CNT กำลังถูกขยายขนาด เราจึงถามว่าวัสดุใหม่เหล่านี้สามารถรีไซเคิลได้ในอนาคตหรือไม่และอย่างไร เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการจัดการขยะในเชิงรุกที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุเชิงวิศวกรรมอื่นๆ เข้าถึงการใช้งานจำนวนมาก เราคาดว่าการรีไซเคิลจะเป็นเรื่องยากและอาจนำไปสู่การสูญเสียทรัพย์สินอย่างมีนัยสำคัญ น่าแปลกที่เราพบว่าเส้นใยคาร์บอนนาโนทิวบ์มีศักยภาพเกินกว่าศักยภาพในการรีไซเคิลของวัสดุเชิงวิศวกรรมที่มีอยู่ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่สำคัญได้–
ทีมงานใช้กรดคลอโรซัลโฟนิกซึ่งเป็นตัวทำละลายในอุตสาหกรรมทั่วไปในการละลาย CNT เชิงพาณิชย์เกรดไฟเบอร์เพื่อผลิตเส้นใย CNT ที่ปั่นด้วยสารละลาย การประเมินผลกระทบของแหล่งวัสดุที่แตกต่างกันต่อกระบวนการผลิตเส้นใยและคุณสมบัติของเส้นใยเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการรีไซเคิลที่หมดอายุการใช้งานมักเกี่ยวข้องกับการรวมวัสดุจากผู้ผลิตหลายรายโดยใช้วิธีการผลิตที่แตกต่างกัน
เส้นใยที่ทำจาก CNT ประเภทต่างๆ จากผู้ผลิตหลายรายถูกแปรรูปเป็นเส้นใยบริสุทธิ์จากแหล่งเดียวที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงรีไซเคิลโดยการผสมกับกรดคลอโรซัลโฟนิก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เส้นใยทั้งสองละลายได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่ต้องแยกออกเป็นเฟสของเหลวที่แตกต่างกัน วัสดุที่ละลายซ้ำแล้วถูกปั่นเป็นเส้นใยรีไซเคิลแบบผสมซึ่งมีโครงสร้างและการจัดแนวเดียวกันกับเส้นใยบริสุทธิ์
ด้วยการใช้ท่อนาโนคาร์บอนจากแหล่งที่มาสองแหล่ง เรารับประกันว่ากระบวนการรีไซเคิลของเราเป็นตัวแทนของสภาพชีวิตจริง เส้นใยรีไซเคิลมีความแข็งแรงเชิงกล การนำไฟฟ้า การนำความร้อน และการจัดตำแหน่งที่เทียบเท่ากัน ซึ่งไม่เคยมีมาก่อนในด้านวัสดุเชิงวิศวกรรม
Michelle Durán-Chaves ผู้เขียนร่วมคนแรกและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา มหาวิทยาลัยไรซ์
การศึกษาระบุการค้นพบที่สำคัญหลายประการที่เน้นว่าเส้นใย CNT เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับแนวทางปฏิบัติที่ยั่งยืน สิ่งสำคัญที่สุดคือความสามารถในการรีไซเคิลได้อย่างสมบูรณ์ แตกต่างจากวัสดุแบบดั้งเดิม เช่น โพลีเมอร์และเส้นใยคาร์บอน ซึ่งจะลดคุณภาพในระหว่างการรีไซเคิล เส้นใย CNT ยังคงรักษาคุณสมบัติเดิมได้ 100 % หลังจากการรีไซเคิล
การรักษาคุณภาพนี้หมายความว่าเส้นใย CNT สามารถใช้และนำกลับมาใช้ใหม่ในการใช้งานที่มีความต้องการสูงได้โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ จึงช่วยยืดอายุการใช้งานและลดความต้องการวัตถุดิบใหม่
Ivan R. Siqueira ผู้เขียนร่วมคนแรกด้านการศึกษาและรองศาสตราจารย์ มหาวิทยาลัยสังฆราชคาทอลิก
ประสิทธิภาพของกระบวนการรีไซเคิลเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่ง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการรีไซเคิลเส้นใย CNT มีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการรีไซเคิลโลหะและโพลีเมอร์ทั่วไป ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานสูง สารเคมีอันตราย หรือการคัดแยกที่ใช้แรงงานมาก
ในทางตรงกันข้าม เส้นใย CNT สามารถรีไซเคิลได้โดยไม่ต้องคัดแยก เนื่องจากสามารถนำเส้นใยจากแหล่งต่างๆ มารวมกันเพื่อผลิตวัสดุรีไซเคิลคุณภาพสูงได้ กระบวนการรีไซเคิลที่ตรงไปตรงมานี้สามารถลดของเสีย การใช้พลังงาน และการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตได้อย่างมาก
ดูรัน-ชาเวสกล่าวเสริมว่า “ความสามารถในการรีไซเคิลเส้นใย CNT ได้อย่างสมบูรณ์มีผลกระทบในวงกว้างต่ออุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ ยานยนต์ และอิเล็กทรอนิกส์ เราหวังว่าสิ่งนี้สามารถปูทางไปสู่วัสดุคอมโพสิตที่สามารถรีไซเคิลได้อย่างสมบูรณ์ในเครื่องบิน ยานพาหนะ โครงสร้างพื้นฐานทางแพ่ง และอื่นๆ ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในหลากหลายภาคส่วน–
ผู้ร่วมเขียนรายงานวิจัย ได้แก่ Oliver Dewey ศิษย์เก่าระดับบัณฑิตศึกษาของ Rice ซึ่งปัจจุบันร่วมงานกับ DexMat; สตีเว่น วิลเลียมส์; เซดริก Ginestra ตอนนี้อยู่กับ LyondellBasell; Yingru Song ปัจจุบันเป็นนักศึกษาหลังปริญญาเอกที่ Purdue University; ศิษย์เก่าระดับปริญญาตรีของ Rice Juan De La Garza ขณะนี้อยู่กับ Axiom Space; และ Geoff Wehmeyer ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ Rice
งานวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของ Carbon Hub ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มที่นำโดยข้าวโดยมีเป้าหมายเพื่ออนาคตที่ปราศจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกโดยร่วมผลิตวัสดุคาร์บอนขั้นสูงและไฮโดรเจนที่สะอาดจากไฮโดรคาร์บอนอย่างมีประสิทธิภาพและยั่งยืน
การศึกษานี้ได้รับทุนจากสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงของกระทรวงพลังงาน สำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศ มูลนิธิ Robert A. Welch มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ มูลนิธิ Novo Nordisk Foundation CO2 ศูนย์วิจัย, ทุนมิตรภาพระดับบัณฑิตศึกษาของสถาบัน Ken Kennedy จาก Schlumberger และ Rice และทุนมิตรภาพ Riki Kobayashi จากแผนกวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลของ Rice
นักวิจัยข้าวเผยผลงานวิจัยเกี่ยวกับการรีไซเคิลท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งปูทางไปสู่วัสดุที่ยั่งยืน
เครดิตวิดีโอ: มหาวิทยาลัยไรซ์
อ้างอิงวารสาร:
ซิเกรา, IR, คุณที่ (2024) เส้นใยคาร์บอนนาโนทิวบ์รีไซเคิลได้ทั้งหมด คาร์บอน– doi.org/10.1016/j.คาร์บอน.2024.119899