Как отделить отслужившие свой срок солнечные модули с помощью ультразвуковой кавитации
Аккумулятор FIAMM FG 22703
Исследовательская группа разработала метод без использования растворителей, основанный на ультразвуковой кавитации, для отделения отслуживших свой срок фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния. Метод позволяет полностью отделить стекло и передний слой из этиленвинилацетата, а также частично высвободить фрагменты кристаллического кремния. Предложенный подход обеспечивает эффективность отделения на уровне 82,2 % по массе, что делает ультразвуковую кавитацию экологичной альтернативой переработке фотоэлектрических модулей.
Два метода без использования растворителей
Исследователи из немецкого Института керамических технологий и систем Фраунгофера (IKTS) и турецкого Эгейского университета разработали новый подход к разделению фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния (c-Si) по окончании срока службы. Он основан на использовании ультразвуковой кавитации для полного отделения стекла и переднего слоя из этиленвинилацетата (ЭВА), а также для частичного отделения фрагментов c-Si от заднего слоя ЭВА.
Ультразвуковая кавитация возникает, когда высокочастотные звуковые волны проходят через жидкость, образуя крошечные пузырьки, которые быстро формируются и схлопываются. При схлопывании пузырьков возникает сильное локальное давление и выделяется тепло, что приводит к мощному механическому и химическому воздействию. Это может приводить к возникновению ударных волн, микроструй и локальному нагреву, которые разрушают твердые вещества или удаляют загрязнения. Ультразвуковая кавитация широко используется для очистки хрупких предметов, ускорения химических реакций, улучшения эмульгирования и диспергирования наночастиц. По сути, она использует схлопывание пузырьков для создания мощных микроскопических сил, которые применяются для очистки, смешивания или обработки материалов.
«В этом исследовании ультразвуковая кавитация рассматривается как альтернативный метод расслаивания без использования растворителей, — рассказал автор исследования Аслы Биртюрк. — Это второй метод из серии экологичных способов расслаивания поливинилиденфторида без использования растворителей, разработанных во время моей работы над докторской диссертацией под руководством профессора Мелиха Сонера Челикташа. Первый метод, разработанный в 2024 году, обеспечил массовую эффективность расслаивания на уровне 98,4 % с использованием только дистиллированной воды без каких-либо химических растворителей».
Биртюрк добавила, что оба исследования представляют собой экспериментальную оценку процессов, в ходе которой изучаются экологичные методы расслоения фотоэлектрических модулей, отслуживших свой срок. «Есть потенциал для дальнейшего масштабирования этих экспериментальных методов с лабораторного до пилотного уровня с учетом оценки жизненного цикла (ОЖЦ), оптимизации рабочих параметров для применения в промышленных масштабах и повышения коэффициента извлечения критически важного сырья (КВС)», — добавила она.
В своем последнем исследовании ученые начали с подготовки небольших фрагментов фотоэлектрических модулей из карбида кремния размером 2,5 см × 2,5 см и весом 25 г. Их поместили в стеклянный реактор с рубашкой, содержащий 100 мл дистиллированной воды, нагретой до 85 °C. Ультразвуковую кавитацию проводили с помощью ультразвукового датчика с частотой 20 кГц и амплитудой 50 %. Образцы подвергались ультразвуковой кавитации в течение 20, 40 и 60 часов с промежуточными проверками в конце каждого часа.
Кроме того, группа исследователей использовала методы вычислительной гидродинамики (CFD), чтобы понять, как кавитация физически взаимодействует с материалами. Для определения характеристик материалов они также использовали сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (ЭДС) и инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье. Для оценки воздействия процесса на окружающую среду была проведена оценка жизненного цикла.
«Примечательно, что расслоение можно было добиться без каких-либо химических добавок, в основном за счет механического воздействия, — говорит Биртюрк. — Особенно обнадеживающими оказались результаты, связанные с деформацией этиленвинилацетата и сопутствующим снижением выбросов. Это одновременно и неожиданность, и нет, но мы продемонстрировали эффект расслоения без использования химикатов в двух отдельных статьях».
Исследователь добавил, что «при использовании этого метода эффективность расслаивания по массе составила 82,2 %. Процесс основан на механическом ослаблении межфазного слоя этиленвинилацетата, и экспериментальные результаты показывают, что деформация этиленвинилацетата играет доминирующую роль в качественном разделении. Оценка жизненного цикла показала, что чистый положительный эффект от выбросов составляет -5,75 кг эквивалента CO₂, что свидетельствует об экологическом потенциале этого подхода».
Результаты исследования были представлены в статье «Ультразвуковой метод без использования растворителей для расслоения отслуживших свой срок фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния», опубликованной в журнале Sustainable Materials and Technologies.