Odpady papierowe, do których zaliczają się wyrzucone torby papierowe, karton, gazety i inne opakowania papierowe, wywierają duży wpływ na środowisko w porównaniu z ich odpowiednikami wykonanymi z bawełny i tworzyw sztucznych. Ich spalanie w dramatyczny sposób przyczynia się do globalnego ocieplenia oraz do potencjalnej ekotoksyczności związanej z ich produkcją.
Naukowcy z Nanyang Technological Universityw Singapurze (NTU Singapore) opracowało technikę przekształcania makulatury z jednorazowych opakowań, toreb i pudeł kartonowych w kluczowy składnik baterie litowo-jonowe.
Obecna innowacja, która daje szansę na recykling odpadów i zmniejszenie naszej zależności paliwa kopalne przyspieszając nasze przejście na gospodarkę o obiegu zamkniętym, zielone materiały i czystą energię, odzwierciedla zaangażowanie NTU w minimalizowanie naszego wpływu na środowisko, co jest jednym z czterech wielkich wyzwań stojących przed ludzkością, którym Uniwersytet stara się sprostać poprzez swój plan strategiczny NTU 2025.
Naukowcy zastosowali proces zwany karbonizacją, aby przekształcić papier w czysty węgiel. Korzystając z tego procesu, zamienili włókna papieru w elektrody, z których można zrobić akumulatory zasilające telefony komórkowe, sprzęt medyczny i pojazdy elektryczne.
Następnie naukowcy zwęglili papier, wystawiając go na działanie wysokich temperatur. To redukuje go do czystego węgla, pary wodnej i olejów, które można wykorzystać biopaliwo. Ponieważ karbonizacja zachodzi bez dostępu tlenu i wytwarza minimalną ilość dwutlenku węgla, jest to bardziej przyjazna dla środowiska metoda utylizacji papieru siarczanowego niż spalanie, które uwalnia wiele gazy cieplarniane.
Anody węglowe opracowane przez zespół badawczy wykazały również lepszą wytrzymałość, zdolności adaptacyjne i właściwości elektrochemiczne. Według badań laboratoryjnych anody są co najmniej dwukrotnie trwalsze od anod stosowanych we współczesnych bateriach telefonicznych i mogą wytrzymać 1,200 ładowań i wyładowań. Wyprodukowane przez NTU akumulatory anodowe były w stanie lepiej znosić obciążenia fizyczne niż ich konkurenci, pochłaniając nawet pięciokrotnie lepszą energię kruszenia.
Co więcej, nowo opracowana metoda jest mniej energochłonna. Wykorzystuje tanie materiały odpadowe i oczekuje się, że obniży koszty ich wytwarzania.
Adiunkt Lai Changquan ze Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Kosmicznej NTU, który kierował projektem, powiedział: „Papier jest wykorzystywany w wielu aspektach naszego codziennego życia, od pakowania prezentów, sztuki i rzemiosła, po niezliczone zastosowania przemysłowe, takie jak opakowania o dużej wytrzymałości, opakowania ochronne i wypełnianie pustych przestrzeni w budownictwie. Niewiele jednak robi się, aby go zagospodarować po jego unieszkodliwieniu, poza spalaniem, które generuje wysoki poziom emisji dwutlenku węgla ze względu na ich skład. Nasza metoda nadawania drugiemu życia papierowi Kraft Paper poprzez zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania na urządzenia takie jak pojazdy elektryczne i smartfony pomogłaby ograniczyć emisję dwutlenku węgla i zmniejszyć zależność od metod wydobywczych i przemysłu ciężkiego”.
Naukowcy z NTU połączyli i wycięli laserem kilka cienkich arkuszy papieru siarczanowego, aby utworzyć różne topologie sieci, z których niektóre przypominały kolczastą piatę, w celu utworzenia anod węglowych. Następnie papier spalono w temperaturze 1200 stopni Celsjusza w piecu beztlenowym, aby przekształcić go w węgiel, tworząc anody.
Współautor badania, pan Lim Guo Yao, inżynier naukowy ze Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Kosmicznej NTU, powiedział: „Nasze anody wykazywały połączenie zalet, takich jak trwałość, amortyzacja i przewodność elektryczna, których nie można znaleźć w dostępnych obecnie materiałach. Te właściwości strukturalne i funkcjonalne pokazują, że nasze anody na bazie papieru kraftowego stanowią zrównoważoną i skalowalną alternatywę dla obecnych materiałów węglowych i znalazłyby wartość ekonomiczną w wymagających, wysokiej klasy, wielofunkcyjnych zastosowaniach, takich jak rodząca się dziedzina akumulatorów strukturalnych.
Adiunkt Lai Changquan ze Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Kosmicznej NTU, który kierował projektem, powiedział: „Nasza metoda przekształca powszechny i wszechobecny materiał – papier – w inny, niezwykle trwały i cieszący się dużym zainteresowaniem. Mamy nadzieję, że nasze anody zaspokoją szybko rosnące zapotrzebowanie świata na zrównoważony i bardziej ekologiczny materiał do produkcji akumulatorów, których produkcja i niewłaściwa gospodarka odpadami mają negatywny wpływ na nasze środowisko.
Podkreślając znaczenie pracy wykonanej przez zespół badawczy NTU, profesor Juan Hinestroza z Katedry Projektowania Skoncentrowanego na Człowieku Uniwersytetu Cornell w USA, który nie był zaangażowany w badania, powiedziany"Ponieważ papier kraft jest produkowany w bardzo dużych ilościach i podobnie utylizowany na całym świecie, uważam, że kreatywne podejście zapoczątkowane przez naukowców z NTU Singapore ma ogromny potencjał oddziaływania w skali globalnej. Każde odkrycie, które umożliwi wykorzystanie odpadów jako surowca do produkcji produktów o wysokiej wartości, takich jak elektrody i pianki, jest rzeczywiście ogromnym wkładem. Myślę, że ta praca może otworzyć nową drogę i zmotywować innych badaczy do znalezienia ścieżek transformacji innych substratów na bazie celulozy, takich jak tekstylia i materiały opakowaniowe, które są wyrzucane w dużych ilościach na całym świecie”.
Referencje czasopisma:
- Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Wyjątkowe właściwości pochłaniania energii i odporność na ściskanie funkcjonalnych pianek węglowych, uzyskiwanych w skalowalny i zrównoważony sposób z papieru kraft wytwarzanego metodą addytywną. Produkcja dodatkowa, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
