作者 ｜ 李清波

侯相林（左）、鄧天昇在查看反應條件。中國科學院山西煤炭化學研究所供圖

風力發電機也被稱為“白色巨人”，它們高高聳立在荒野、山巅和海岸線，源源不斷地将風能轉化為電能。最令人矚目的就是其巨大的葉片——這些長達上百米、重達數十噸的龐然大物，不僅造價高昂，且難以回收利用。

從風電機組服役年限來看，到2025年，我國将迎來一大波風機葉片報廢潮；到2030年，我國将有超過3萬台風電機組面臨換新；而到2035年這一數字将超過9萬台。

過期的預浸料、制造過程中産生的下腳料、測試材料以及達到使用壽命的材料，全都面臨着回收難題。如何實現風機葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直困擾着整個風電行業。

中國科學院山西煤炭化學研究所（以下簡稱山西煤化所）研究員侯相林團隊經過十多年研究，終于掌握了“拆解”風機葉片主要材質——熱固性碳纖維樹脂複合材料的辦法，讓這種最“頑固”的固體廢料回歸本源，補齊了風機葉片綠色回收最關鍵一環。

“終極材料”堅不可摧

葉片是風力發電機的核心部件之一，占風機成本的20%~30%，所用的複合材料既有較輕的重量，也有較高的強度，還具有抗腐蝕、耐疲勞等優異性能。

風機廠商在葉片外殼上通常采用玻璃纖維增強樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強度更高的碳纖維。這些複合材料結構極其堅固，而且空氣動力性好，可以使葉片更輕、更長，讓風機吸收更多的風能。

熱固性樹脂在葉片中占比超三成，相當于混凝土建築中的填充物，碳纖維、玻璃纖維等材料則相當于混凝土中的鋼筋，占比約七成。兩者結合，堅不可摧。

其中，熱固性樹脂有個外号——“終極材料”。它是一種高分子聚合物材料，在聚合過程後，這種交聯結構不能重複加工成型，所以回收利用幾乎是不可能完成的任務。

侯相林舉例說，普通的熱塑性塑料，如農田裡的地膜，自然降解需要200~400年，其分子鍊為線型結構，而熱固性樹脂的分子鍊為體型網狀結構，是一個剛性的三維網絡結構。

前者像竹竿，是線性的；後者像不鏽鋼梯子，是立體的。以熱固性樹脂為基礎制成的複合材料單位的密度隻有鋼鐵的1/4，同等重量的材料的力學性能卻是金屬的好幾倍。

“終極材料”的“實力”可見一斑。

回收技術需求高漲

風機葉片的壽命約為20~25年，我國本世紀初新建的一批風電機組即将面臨退役，加之受風電搶裝潮影響和原材料的限制，今年葉片市場甚至供不應求，回收這種高價值材料的技術需求越來越大。

對于這種材料，由于不可降解，填埋會向環境緩慢釋放少量芳烴物質，焚燒更不可取，會産生有毒氣體，唯有走綠色回收利用這一途徑。

有的企業嘗試用熱塑性樹脂代替熱固性樹脂制造複合材料，有的企業隻能回收複合材料裡的一部分玻璃纖維。但風電作為一個新興行業，風機葉片實際處理經驗很少，真正要做到産業化，至少還需20年。

記者采訪了解到，國内諸多風電機組制造企業為了處理好生産加工葉片産生的廢料，會拿出3000元/噸左右的處理費給專業公司，而後者隻是将固廢切割破碎，将樹脂和木質粉料按一定比例混合後經熱擠壓成型，制成闆材，用于公園的闆凳、圍欄。

熱固性樹脂并沒有因此消失，所謂的“專業處理”也僅僅是半處理，而且給今後的回收造成了更大困難。

2020年9月1日，《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》頒布實施，要求産生工業固體廢物的單位應當根據經濟、技術條件對工業固體廢物加以利用。愈發收緊的固廢處理政策，給專業從事固廢研究的侯相林團隊提供了一個契機。

“這幾年，國内在本世紀初裝機的一大批風電機組面臨集中退役，回收風電葉片裡的複合材料應該提上日程了。”侯相林說，“國外研究團隊也在緊鑼密鼓開展相關研究，特别是風電技術很強的大公司，明知道葉片有很高的價值，但對回收卻一籌莫展。”

實際上，侯相林開展葉片材料回收研究遠遠早于葉片大規模退役的時間。他所負責的山西煤化所311課題組多年來瞄準熱固性樹脂開發利用方向，産出一系列研究成果及專利，蘊含了多項國際領先技術，形成了一套極具競争優勢的化學降解綜合開發工藝，生産出大量高價值化學品。

這無疑使教科書裡的“終極材料”從此不再“終極”。

從暴力破解到精巧拆除

從2019年開始，侯相林團隊成員、山西煤化所研究員鄧天昇和在讀博士生武少弟從十餘種催化劑中挑選出性能最優的，全新的催化體系在10千克級别的高壓反應釜中連續運行超過300小時，得到了試驗關鍵數據。

今年，“碳纖維增強環氧樹脂回收利用”項目獲北京地區高校大學生優秀創業團隊三等獎。這項技術就是降解碳纖維增強環氧樹脂複合材料，緻力于從風機葉片中回收高價值的碳纖維。

碳纖維增強環氧樹脂的優點多、品質好，但是回收時，優點全部變成“絆腳石”。

侯相林團隊采用定向解聚法處理複合材料，通過特定溶劑及催化劑體系，在較溫和的條件下将高分子在特定的鍵位“拆解”開，形成長鍊熱塑高分子或樹脂合成單體。這一方法國内首創，也是學術界普遍承認的實現循環經濟的好方法。

不同于傳統以小分子降解産物為目标的“以破為主”的回收思路，該團隊提出選擇性斷鍵降解回收熱固性樹脂的新思路，并利用配位不飽和或弱配位的金屬離子選擇性地斷裂樹脂化學鍵，實現了熱固性樹脂基複合材料的高效降解和全成分回收。

例如，利用水相體系配位不飽和的鋅離子，選擇性地斷裂環氧樹脂的碳氮鍵，實現了碳纖維增強環氧樹脂的高效降解及循環利用。

回收高價值碳纖維最重要的一步是降解或溶解碳纖維增強複合材料中的聚合物組分，回收高價值化學品。“我們在實驗室階段取得了一部分成績，現在準備進行中試放大。從數據指标看，環氧樹脂降解率大于99%，回收率大于95%，碳纖維回收率大于96%，纖維強度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強度指标、模量與原絲相差無幾。”侯相林表示。

據介紹，回收的樹脂産物可制成環氧瀝青，進一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場售價數千元至上萬元。高價值化學品使得回收技術“含金量十足”，預期經濟效益十分可觀。

鄧天昇評價道，這套技術有兩大優點，較溫和的條件下實現樹脂降解，耗能少；特定位點選擇性斷鍵，産物可控，價值更高。其他回收方法與這種方法相比，前者是暴力破解，後者是精巧拆除。

從廢棄PET到纖維增強環氧樹脂，從纖維增強不飽和樹脂到乙烯基樹脂，從聚氨酯材料到密胺樹脂，以熱固性樹脂為主要回收對象的環保技術，在侯相林團隊的系列技術加持下，已經可以通過化學回收制備十餘種高價值化學品。

“經過十多年的專注科研，我們有信心與企業合作擴大生産規模，早日‘變廢為寶’，提取出更多有價值的化學品，創造更大的環保效益和經濟效益。”侯相林說。

《中國科學報》 (2021-09-13 第3版 能源化工 原标題為《為“白色巨人”拆解“終極材料”》)

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