إن أكثر الصناعات تعقيداً من الألياف الكربونية، هي صناعات تدور حولها ثورة تتراوح بين الفضاء الجوي والسيارات والطاقة الريحية والمعدات الرياضية، وذلك بفضل نسبة القوة إلى الوزن الاستثنائية وقابلية التحمل، وهذه المواد تتيح للمهندسين أن يصمموا أخف وطائرة أكثر كفاءة من حيث الوقود، وسرعة السيارات، وطول مدة استخدام المواد الرياضية، غير أن الممتلكات ذاتها التي تجعل من ألياف الكربون مركبة إلى حد كبير، ومقاومة فعالة.

لماذا إعادة تدوير الكربون

إن الألياف الكربونية هي مادة كثيفة الطاقة تنتج، حيث أن عمليات التصنيع غالبا ما تتطلب درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية. كما أن البصمة الكربونية للألياف الكربونية البكر كبيرة، مما يجعل من جديد استخدامه كحد أدنى من التأثير البيئي العام، كما أن السوق العالمية للمركبات المركبة من الألياف الكربونية آخذة في الاتساع بسرعة، مدفوعة بالطلب على الوزن الخفيف في قطاعي النقل والطاقة المتجددة.

التحديات الراهنة في إعادة تدوير مركبات الكربون المفلورة

والتحدي الأساسي في إعادة تدوير ألياف الكربون يكمن في تصميمها ذاته، إذ أن المادة المركبة هي مزيج من ألياف الكربون التي تُدرج في مصفوفة متعددة، وهي راتنج حراري مثل الأوكسي أو البوليستر أو المحتوي على الفينيل، مما يجعل راتنجات الحرارة التي تمر برد فعل كيميائي لا رجعة فيه أثناء العلاج، مما يعني أنه لا يمكن إعادة صهرها وإعادة تشكيلها مثل مصفوفة الرغاوي.

كما أن النهج التقليدية لإعادة التدوير لها عيوب كبيرة. Mechanical recycling]، التي تنطوي على قذف أو تقطيع المركبات إلى جسيمات أصغر، هي الطريقة الأبسط، ولكنها غالباً ما تؤدي إلى اختصار شديد في الألياف ومنتج ملوث منخفض القيمة، وتميل المواد المستعادة إلى تدميرها كحشوة بدلاً من تعزيزات، مع وجود خصائص ميكانيكية أقل بكثير من تلك.

أساليب إعادة التدوير المبتكرة

وعلى مدى العقد الماضي، أحرز تقدم كبير في تطوير أساليب إعادة التدوير التي تحافظ على جودة الألياف وتجعل العملية أكثر قابلية للاستمرار اقتصاديا، وتركز هذه الابتكارات على كسر مصفوفة الراتنج بصورة انتقائية مع ترك الألياف الكربونية سليمة ونظيفة.

التحلل الحراري

أما عمليات إعادة التحلل الحراري فهي في الوقت الراهن أكثر تكنولوجيات إعادة التدوير الصناعي بالنسبة لمركبات الألياف الكربونية، وتشمل هذه العملية النفايات المركبة إلى درجات الحرارة تتراوح بين 400 درجة مئوية و000 1 درجة مئوية في جو خال من الأوكسجين أو محدود، وتتسبب الطاقة الكثيفة في حدوث تضخم في الحرارة الميكانيكية وتراكم كميات كبيرة من الغازات السائلة - الغازات السائلة - الغازية - الغازات الهيدروكربونية

Solvosis

ويُعرف أيضاً بـ " إعادة تدوير المواد الكيميائية " ، ويستخدم المذيبات - سواء في ظروف دون حرجة أو حرجة - لتحلل مصفوفة الرش، وتُستخدم هذه العملية عادة في درجات حرارة مرتفعة (200-400-جيم) وفي الضغط (حتى 200 بار) مع معالجة مذيبات مثل المياه أو الكحول أو الكبريتات.

إعادة تدوير ميكانيكي مع التدقيق

وفي حين أن إعادة التدوير الميكانيكي التقليدي تنتج منتجات منخفضة القيمة، فإن الابتكارات الأخيرة تجمع بين تقنيات الفرز والطحن المتقدمة مع الفصل المستهدف، وكثيرا ما يسمى [المركبة الميكانيكية ذات الحجم المنخفض]، أو التي تُستخدم فيها مواد الصبغة الميكانيكية ذات الصبغة الخافضة للصدمات، أو التي تُستخدم فيها مواد الارتطام الميكانيكية المنخفضة.

Microwave-Assisted Pyrosis

بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية التحلل الحراري التي تستخدمها الموجات الدقيقة، هي تغير مستجد في التحلل الحراري التقليدي الذي يستخدم طاقة الموجات الدقيقة لتسخين المركب من الداخل، وهذه الطريقة التي تسخن فيها كميات كبيرة من الطاقة تكون أسرع وأكثر كفاءة من حيث الطاقة، حيث تخفض في معظم الأحيان فترات المعالجة من ساعات إلى دقائق، والميزة الرئيسية هي أن ألياف الكربون هي موصلات ممتازة لحجم الريح

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وبالإضافة إلى هذه الأساليب المتبعة، يجري استكشاف موجة من تكنولوجيات إعادة التدوير في الجيل القادم في المختبرات الأكاديمية والصناعية في جميع أنحاء العالم، وتهدف هذه النهج إلى معالجة الثغرات المتبقية في نوعية الألياف وكفاءة الطاقة والقدرة على التصعيد الاقتصادي.

التحلل الانزيمي

إن التحلل الانزيمي يتيح وسيلة متنامية وملائمة للبيئة لإعادة تدوير مركبات التحلل الحراري، والفكرة هي استخدام أنواع معينة من الحفزات البيولوجية التي يمكن أن تحفز على التحلل الهيدرولي أو تحليل السلاسل المتعددة الكلورات في ظروف مائية (درجة الحرارة والضغط المتباينة، والهيدروجيني المحايد).

تكنولوجيا الفولط الخارق

والإضافة إلى مبادئ التحلل الذاتي، واستخدامات السوائل الخارقة للطبيعة تتجاوز نقطة حرجة حيث تظهر كل من خصائص شبيهة بالغاز وشبه السائلة، وثاني أكسيد الكربون الفائق الأهمية (السيارات السائلة) جذابة بشكل خاص لأنه غير سمي وغير قابل للنكهة وغير قابل للاشتعال، وشديد الارتداد الكيميائي.

إعادة تدوير التصنيع الإضافي

ومن الاتجاهات الواعدة في ألياف الكربون المعاد تدويرها استخدامها في التصنيع المضاف، وتحديداً في تصنيع الألياف الصخرية، والاختلاقات المغناطيسية الجاهزة للخيوط، والارتباطات الاصطناعية، والاختصار في عمليات الصنع، والاختلاط الميكانيكية ذات البصمات الاصطناعية، أو البوليمرات الميكانيكية المتطورة

المنافع الاقتصادية والبيئية

(أ) في حالة إعادة تدوير الألياف الكربونية، حيث أصبحت التكنولوجيا مُختلفة تنافسياً، ومن منظور اقتصادي، يمكن بيع ألياف الكربون المعاد تدويرها على خصم يتراوح بين 20 و5 في المائة مقارنة بالنسيج العذري، حيث تُفتح المواد الخام باهظة التكلفة، كما في السلع الاستهلاكية، ومكونات السيارات على نطاق واسع، وإصلاح الهياكل الأساسية، مع زيادة حجم التدوير، وزيادة تكاليف التجهيز

تطبيقات الصناعة ودراسات الحالات الإفرادية

أما الانتقال من البحوث المختبرية إلى الممارسة الصناعية، فثمة مثال رئيسي هو الشراكة بين أجهزة إعادة تصميم الألياف الكربونية والمركبات الكربونية الإلكترونية، التي أثبتت بنجاح استخدام ألياف الكربون المعاد تدويرها في مكونات كابينة الطائرات غير الهيكلية، مثل القذائف الخلفية للمقاعد والجداول الجانبية، حيث تُحدّد المواد الدقيقة من حرائق ودخان وسمية (FST) مع الحد من الوزن والتكاليف.

خاتمة

وتُحدث النهج المبتكرة لإعادة تدوير ألياف الكربون المركبة، وتُحدّد ما كان يُدرّب النفايات إلى مورد قيّم، وتُحدّد طرائق مثل التحلل الحراري، والتحلل الرئوي، والفرز الميكانيكي الدقيق، وإعادة التدوير المزودة بموجات متعددة، وتُحدّد في بعض الحالات من عوامل الإنتاج ذات الجودة العالية، وحتى من مكونات المصفوفة المثبطة.