光伏组件废弃太阳能玻璃作为辅助胶凝材料的回收利用

《Resources, Conservation and Recycling》：Recycling solar glass from photovoltaic module as supplementary cementitious material

　　

太阳能发电产业到2050年将产生数千万吨的废弃光伏组件，其中玻璃约占其质量的75%。本研究将废弃粉磨太阳能玻璃作为辅助胶凝材料（SCM）进行回收利用，同时应对光伏废弃物管理和传统火山灰材料供应萎缩的问题。太阳能玻璃以非晶态为主，但与传统的钠钙玻璃相比，其Mg含量较高，Fe含量较低。粉磨太阳能玻璃的反应性主要受细度和表面孔体积控制，较细的太阳能玻璃表现出最高的溶解度和ASTM C1897反应活性。含粉磨太阳能玻璃的水泥净浆还能细化孔隙结构，通过火山灰反应消耗氢氧化钙，并实现长期强度恢复。此外，微量元素浸出量低于法规限值，验证了其作为安全SCM的可行性。因此，将废弃太阳能玻璃转化为SCM可减轻废弃物管理负担，增加建筑行业SCM供应，同时促进可持续的产业共生。

论文解读：光伏组件废弃太阳能玻璃作为辅助胶凝材料的回收利用

《Resources, Conservation and Recycling》发表的这项研究，针对全球太阳能光伏产业快速发展带来的巨量废弃组件问题，探索了将废弃太阳能玻璃粉磨后作为辅助胶凝材料（SCM，Supplementary Cementitious Material）的可行性。研究背景方面，全球光伏装机量从2010年的40 GW激增至2024年的1.9 TW，而这些组件寿命通常为25至30年，预计到2050年全球将产生6000万至7800万吨废弃光伏组件，其中玻璃约占总质量的75%。传统上，这类钠钙硅玻璃（soda-lime-silica glass）可通过闭路循环再熔制新玻璃，但光伏面板分离过程中混入的聚合物和晶体硅杂质，以及用于提高透光度的澄清剂锑（Sb）使再熔化过程存在环境风险。同时，混凝土行业依赖的传统SCM（如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉（GGBFS））因能源结构转型而供应日益减少。因此，研究人员提出将废弃太阳能玻璃开路回收，粉磨后作为SCM部分替代水泥，这既能解决光伏废弃物管理难题，又能缓解SCM短缺，促进能源与建筑行业的产业共生（industrial symbiosis）。

研究人员从美国德克萨斯州一家回收企业获取了经锤磨和筛分工艺分离得到的高品质太阳能玻璃碎料，制备了两种不同细度的粉磨太阳能玻璃（SG1和SG2），并以符合ASTM C1866-25标准的市售粉磨钠钙玻璃火山灰（Ref）作为参照。采用ASTM C595 1L型水泥，以10%和20%质量分数替代水泥制备净浆，水胶比为0.45。通过X射线荧光光谱（XRF）分析化学组成，激光衍射法测粒度分布，气体吸附法（BET）测比表面积与孔结构，X射线衍射（XRD）表征矿物相，等温传导量热法测水化放热，热重分析（TGA）定量氢氧化钙（CH）和结合水，压汞孔隙度测定法（MIP）分析孔隙结构，扫描电镜-能谱（SEM-EDS）观察微区反应，并采用ASTM C1897-20标准进行R³反应活性测试，在碱性环境（0.1 N NaOH）中开展溶解实验，最后通过改性毒性浸出程序（TCLP）评估重金属浸出风险。

研究结果如下：

3.1 太阳能玻璃特性

3.1.1 元素与矿物表征

XRF和XRD分析表明，两种太阳能玻璃的主要氧化物组成与参照玻璃相近，均以满足ASTM C1866M-25对GS型（ground soda-lime-silica glass）的要求为主，但SO₃含量因XRF校准误差可能偏高。XRD仅显示非晶弥散峰，表明玻璃以非晶态为主。热重分析（TGA）的烧失量（LOI）显示SG1为1.4%，SG2为0.8%，Ref为0.5%，说明太阳能玻璃中存在轻微聚合物污染，建议放宽ASTM标准中对LOI低于0.5%的限制。

3.1.2 粒度分布与比表面积

激光衍射显示SG1和Ref比SG2或水泥更细。BET比表面积测定表明Ref最高（1.64 m²/g），SG1次之（1.45 m²/g），水泥再次，SG2最低。气体吸附还测得SG1具有比Ref更高的孔体积（V_P）和平均孔径（D），这归因于实验室球磨工艺和太阳能玻璃本身较高的韧性。

3.1.3 粉磨太阳能玻璃的反应活性

依据ASTM C1897-20，SG1的7天放热量（347 J/g SCM）和结合水含量均为最高，Ref居中（281 J/g），SG2最低（214 J/g）。尽管Ref的比表面积略大于SG1，但SG1表现出更高的反应活性，说明比表面积或粒度不足以单独解释反应性差异，需结合溶解行为分析。

3.1.4 碱性介质中的玻璃溶解

在pH 13的0.1 N NaOH溶液中，SG1和Ref的Ca溶解量相近，SG1的Al溶解略低（因其Al₂O₃含量0.67%低于Ref的0.99%）。初期Ref的Si溶解较高，但18小时后SG1的Si溶解持续超过Ref达14天。非桥氧（NBO）计算显示两者相近，因此SG1更高的Si溶解主要归因于其更高的表面孔体积，这也解释了其更高的火山灰反应活性。

3.2 粉磨太阳能玻璃作为SCM在水泥净浆中的性能

3.2.1 水化动力学

等温量热显示，所有含玻璃样品的水化放热随替代率增加而提高，细玻璃（SG1、Ref）的提升幅度大于粗玻璃（SG2）。细玻璃提高了峰值放热速率（SG1和Ref在20%替代时分别增加5.3%和4.7%），并加速了硫酸盐消耗时间，这源于更细颗粒Na释放更快和填充效应（seeding effect）。主放热峰的宽度增加，与硫酸盐失衡和铝酸盐相加速水化有关。

3.2.2 水化产物相发展

XRD和TGA分析证实，含玻璃净浆未产生异常晶相。细玻璃（SG1、Ref）在91天时的氢氧化钙（CH）峰强度明显低于对照组，TGA定量显示91天CH含量顺序为SG1最低、Ref次之、SG2最高，与ASTM C1897-20反应活性排序一致。SEM-EDS观察到玻璃颗粒周围形成水化产物环，Ca/Si比从颗粒向外递增，直接证明了太阳能玻璃通过火山灰反应溶解SiO₂并生成C-(A-)S-H凝胶。此外，细玻璃样品在3天时半碳铝酸盐（hemicarboaluminate）生成量增加，91天时转化为更稳定的单碳铝酸盐（monocarbonate）。

3.2.3 孔隙率、抗压强度与浸出性能

压汞孔隙度测定法（MIP）表明，早期（3天）因稀释效应，含玻璃净浆的总孔隙率和临界孔径（critical pore diameter）均高于对照组；但到91天，SG1样品的孔隙结构得到最显著细化，总孔隙率降至26.5%，低于Ref的30.6%。抗压强度发展与反应性和孔隙细化完全一致：SG1在91天时代替了因水泥稀释造成的强度损失，实现强度恢复。改性毒性浸出程序（TCLP）测试显示，所有含太阳能玻璃净浆的微量元素浸出浓度远低于法规限值，甚至低于仪器的检测限，证实其环境安全性。

讨论与结论翻译：

本研究表征了废弃粉磨太阳能玻璃，并探究了其在20%质量分数替代水泥下作为辅助胶凝材料（SCM）的适用性。太阳能玻璃常含有晶体硅杂质或聚合物污染，但本研究采用的高质量分离工艺可制得污染极低的玻璃。化学表征确认粉磨太阳能玻璃以非晶态为主，基本满足ASTM C1866M-25对GS型火山灰材料的成分要求（LOI除外）。太阳能玻璃的Fe含量略低、Mg含量略高于传统废玻璃，但这些微量元素总体上未改变材料的反应性，其反应性主要受物理比表面积和表面孔体积控制。较细的太阳能玻璃（SG1）表现出优于粗太阳能玻璃（SG2）和工业参照玻璃（Ref）的反应活性，在水化过程中释放显著更多的热量并结合更多水分。有趣的是，Ref玻璃与SG1的主要化学组成和比表面积相近，而SG1更高的反应活性和Si溶解可能归因于其更高的表面孔体积。

将粉磨太阳能玻璃掺入水泥净浆改变了水化动力学和微结构演变。虽然水泥替代最初稀释了水化反应，但细玻璃颗粒作为成核位点加速了早期水化并提高峰值放热。随时间推移，玻璃中非晶态SiO₂与氢氧化钙（portlandite）发生火山灰反应生成次生C-(A-)S-H凝胶。具体而言，含高活性SG1的净浆达到了与对照净浆相当的临界孔径和总孔隙率，有效克服了稀释效应引起的初始孔隙率增加。在力学性能上，这些微结构变化转化为抗压强度发展：尽管玻璃掺入净浆的早期强度较低，但到91天时含细太阳能玻璃（SG1）的体系表现出显著的强度恢复。含粉磨太阳能玻璃净浆的浸出量与Ref玻璃相似，且远低于法规限值。因此，研究人员得出结论：废弃太阳能光伏玻璃是一种可行且有效的辅助胶凝材料（SCM）。

从更广阔的视角看，利用粉磨太阳能玻璃作为SCM应对了两个交汇的工业挑战：光伏废弃物带来的迫在眉睫的环境危机，以及通过产业共生缓解传统火山灰材料日益减少的供应。通过将废弃太阳能电池板玻璃作为SCM利用，建筑行业可以减少碳足迹和对原生材料的依赖，同时为可再生能源领域提供一条高消纳量的回收途径。