A sinterização a frio pode resgatar plástico, cerâmica e componentes de baterias de aterros sanitários
Yi-Chen Lan, estudante de doutorado em engenharia química na Penn State e primeiro autor de um artigo publicado na ChemSusChem, possui uma célula tipo moeda de bateria que contém eletrólitos compostos reprocessados por meio de sinterização a frio. Crédito:Poornima Tomy/Penn State A reciclagem não impede necessariamente que um item acabe em aterro, de acordo com Enrique Gomez, reitor associado interino de equidade e inclusão e professor de engenharia química na Penn State College of Engineering. Em vez disso, a reciclagem simplesmente atrasa o fim da sua vida útil. Garrafas plásticas que são recicladas e depois transformadas em carpete, por exemplo, acabam indo parar no aterro quando o carpete se desgasta e é jogado fora.
No entanto, a sinterização a frio – o processo de combinação de materiais à base de pó em formas densas a baixas temperaturas através da aplicação de pressão utilizando solventes – permite que os materiais sejam reciclados continuamente.
“Essa é a ideia da sinterização a frio:você pode pegar dois ou mais materiais que foram destinados ao aterro, combiná-los e criar um compósito, e reciclar o compósito repetidas vezes, sem perda de desempenho”, disse Gomez.
Em três artigos recentes, Gomez e sua equipe descrevem três novos usos para a sinterização a frio que promovem a reciclagem na ciência dos materiais.
Em um artigo publicado em Materials Horizons , os pesquisadores usaram a sinterização a frio para combinar polipropileno – um resíduo plástico comum que é difícil de reciclar devido a problemas de processamento e classificação – com um material cerâmico. O resultado foi um compósito que poderia ser usado para fazer materiais de construção estruturais, como drywall ou decks externos.
"A sinterização a frio de plástico com materiais cerâmicos produz compósitos fortes e resistentes, perfeitos para uso na construção", disse Po-Hao Lai, estudante de doutorado em engenharia química e primeiro autor do artigo. “Esses compósitos podem passar por múltiplos ciclos de reciclagem apenas com a adição de água, oferecendo menor demanda de energia e água em comparação com materiais de construção convencionais”.
Além disso, a reciclagem tradicional muitas vezes leva ao downcycling, onde a qualidade do material diminui a cada ciclo de reciclagem, resultando na perda de propriedades valiosas, segundo os pesquisadores. Ao combinar resíduos plásticos com cerâmica em compósitos, o método não só aborda as limitações da reciclagem mecânica, mas também supera as desvantagens da cerâmica, como a fragilidade.
Quando os materiais de construção atingem o fim de sua vida útil, eles podem ser triturados novamente no processo de sinterização a frio e reutilizados. Os pesquisadores demonstraram proficiência em reafiação e sinterização a frio do compósito até 10 vezes.
“Se você refazer seu deck usando esses materiais e depois decidir que deseja mudar seu design, você pode simplesmente recuperá-lo, triturá-lo e sinterizá-lo a frio, e transformá-lo em outra coisa, como uma varanda ou um banco”, disse Bryan Vogt. , professor de engenharia química e co-autor do artigo Materials Horizons.
Em um estudo publicado no ChemSusChem , os pesquisadores aplicaram sinterização a frio aos componentes eletrolíticos sólidos e líquidos de baterias de estado sólido. As baterias de lítio de estado sólido são densas em energia, seguras, não inflamáveis e podem ser usadas em veículos elétricos, dispositivos vestíveis ou baterias de laptop.
Resumo gráfico. Crédito:ChemSusChem (2024). DOI:10.1002/cssc.202301920
"Defeitos nas baterias, como vazios e rachaduras causadas por estresse mecânico nos eletrólitos de estado sólido das baterias, podem bloquear as vias de transporte de íons de lítio e levar a bateria a um curto-circuito", disse Yi-Chen Lan, estudante de doutorado em engenharia química. e primeiro autor do artigo.
“Para reciclar eletrólitos que sofreram degradação mecânica, utilizamos sinterização a frio para redensificar as microestruturas e reprocessar eletrólitos compósitos misturando cerâmicas com polímeros e sais de lítio.”
A ideia de sinterizar a frio os eletrólitos líquidos necessários em baterias de estado sólido surgiu em 2018, quando um pós-doutorado do Grupo Gomez quebrou acidentalmente uma amostra de eletrólito líquido durante um experimento.
"Ele decidiu reprocessar a amostra de eletrólito por meio de sinterização a frio e descobrimos que funcionou tão bem depois de ser reprocessada", disse Gomez. "Na época, não percebíamos que esse era um conceito que poderíamos explorar e foi aí que nasceu este artigo."
O reprocessamento e reutilização dos eletrólitos utilizados nessas baterias leva a um menor consumo de energia e a um menor impacto ambiental ao longo do tempo, o que, por sua vez, promove a viabilidade e a sustentabilidade de todos os tipos de baterias de estado sólido, segundo Lan.
Em artigo publicado na MRS Communications , os pesquisadores sinterizaram a frio um composto que vai para os capacitores, que são componentes importantes dos veículos elétricos. Nos experimentos, eles combinaram a cerâmica titanato de bário com Teflon, ou politetrafluoroetileno.
"Nosso trabalho na MRS Communications demonstra o potencial de reciclagem de materiais que serão cruciais para a eletrificação dos transportes e, portanto, para a redução dos gases de efeito estufa", disse Hongtao Sun, professor assistente de engenharia industrial e de manufatura e coautor correspondente do artigo.
A sinterização a frio foi desenvolvida em 2016 por uma equipe de pesquisadores liderada por Clive Randall, diretor do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State e distinto professor de ciência e engenharia de materiais.
“Estamos vendo agora muitos outros grupos de pesquisa adotarem o processo de sinterização a frio em todo o mundo, em universidades, laboratórios nacionais e até mesmo na indústria”, disse Randall.
“Fiquei impressionado com a diversidade de aplicações que estão surgindo, mas a pesquisa do Grupo Gomez estabelece um caminho para uma economia circular, uma estratégia extremamente importante e necessária para um futuro sustentável.”
