La plastica rinforzata con fibra di vetro (GFRP), un materiale composito resistente e durevole, è ampiamente utilizzata in tutto, dalle parti degli aerei alle pale dei mulini a vento. Tuttavia, proprio le qualità che lo rendono sufficientemente robusto da poter essere utilizzato in così tante applicazioni diverse ne rendono difficile lo smaltimento; di conseguenza, la maggior parte dei rifiuti GFRP viene sepolta in una discarica una volta raggiunta la fine del ciclo di vita.

Secondo uno studio pubblicato su Nature Sustainability , ricercatori e collaboratori della Rice University hanno sviluppato un nuovo metodo di riciclo efficiente dal punto di vista energetico per trasformare la plastica rinforzata con fibra di vetro (GFRP) in carburo di silicio, ampiamente utilizzato nei semiconduttori, nella carta vetrata e in altri prodotti.

"Il GFRP viene utilizzato per realizzare oggetti molto grandi e, nella maggior parte dei casi, finiamo per seppellire le strutture alari degli aeroplani o le pale eoliche di una turbina eolica intera in una discarica", hanno affermato James Tour, T.T. e W.F. Chao Professor e professore di chimica e di scienza dei materiali e nanoingegneria. "Smaltire il GFRP in questo modo è semplicemente insostenibile. E fino ad ora non esisteva un buon modo per riciclarlo."

Con la crescente pressione da parte delle agenzie di regolamentazione affinché rivedano e migliorino le pratiche di riciclaggio per i veicoli a fine vita, esiste una forte necessità di metodi migliori per gestire i rifiuti GFRP.

Mentre alcuni hanno provato a sviluppare approcci che utilizzano l’incenerimento o la solvolisi per eliminare il GFRP, Yi Cheng, un ricercatore associato post-dottorato e Junior Fellow della Rice Academy che lavora nel laboratorio del Tour, ha affermato che tali processi sono tutt’altro che ideali perché richiedono molte risorse e provocare contaminazione ambientale.

"Questo materiale ha plastica sulla superficie della fibra di vetro e l'incenerimento della plastica può generare molti gas tossici", ha detto Cheng. "Anche provare a dissolvere il GFRP è problematico in quanto può generare molti residui acidi o basici dai solventi. Volevamo trovare un modo più rispettoso dell'ambiente per gestire questo materiale."

Il laboratorio di Tour ha già fatto notizia per lo sviluppo di nuove applicazioni per lo smaltimento e il riciclaggio dei rifiuti utilizzando il riscaldamento flash Joule, una tecnica che fa passare una corrente attraverso un materiale moderatamente resistivo per riscaldarlo rapidamente a temperature eccezionalmente elevate e trasformarlo in altre sostanze.

Tour ha detto che quando ha saputo dei problemi legati allo smaltimento del GFRP dai colleghi della Defense Advanced Research Projects Agency, ha pensato che questo tipo di turbo-riscaldamento avrebbe potuto trasformare il GFRP in carburo di silicio, ampiamente utilizzato nei semiconduttori e nella carta vetrata.

"Sapevamo già che se riscaldassimo la miscela di cloruro di metallo e carbonio mediante riscaldamento flash Joule, avremmo potuto ottenere il carburo di metallo ⎯ e in una dimostrazione abbiamo prodotto il carburo di silicio", ha detto Tour. "Così siamo stati in grado di sfruttare questo lavoro per ideare un processo per trasformare il GFRP in carburo di silicio."

Questo nuovo processo macina il GFRP in una miscela di plastica e carbonio e prevede l’aggiunta di altro carbonio, quando necessario, per rendere la miscela conduttiva. I ricercatori quindi applicano alta tensione utilizzando due elettrodi, portando la sua temperatura fino a 1.600–2.900 gradi Celsius (2.912–5.252 Fahrenheit).

"L'elevata temperatura facilita la trasformazione della plastica e del carbonio in carburo di silicio", ha spiegato Tour. "Possiamo produrre due diversi tipi di carburo di silicio, che possono essere utilizzati per diverse applicazioni. In effetti, uno di questi tipi di carburo di silicio mostra capacità e prestazioni di velocità superiori come materiale per l'anodo della batteria."

Sebbene questo studio iniziale fosse un test di prova su scala di laboratorio in laboratorio, Tour e colleghi stanno già lavorando con aziende esterne per ampliare il processo per un uso più ampio. I costi operativi per riciclare il GFRP sono inferiori a 0,05 dollari al chilogrammo, molto più economici dell'incenerimento o della solvolisi e più rispettosi dell'ambiente.

Ci vorrà tempo – e una buona ingegneria – per ampliare adeguatamente questo nuovo metodo di flash upcycling, ha detto Tour. Si è detto entusiasta del fatto che il suo laboratorio sia riuscito a sviluppare un modo sostenibile per trasformare i rifiuti GFRP in un tesoro di carburo di silicio.

"Questo GFRP è un prodotto di scarto che di solito finisce in una discarica e ora puoi trasformarlo in un prodotto utilizzabile che può aiutare l'umanità", ha affermato. "Questo è esattamente il tipo di approccio di cui abbiamo bisogno per sostenere un'economia circolare. Dobbiamo trovare modi per sfruttare i prodotti di scarto provenienti da un'ampia varietà di applicazioni diverse e trasformarli in nuovi prodotti."

Ulteriori informazioni: Yi Cheng et al, Riciclo rapido di rifiuti di plastica rinforzata con fibra di vetro in carburo di silicio, Sostenibilità della natura (2024). DOI:10.1038/s41893-024-01287-w

Fornito dalla Rice University