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了解環境影響對于開發新材料和新產品至關重要,例如石墨烯
科學家和創新者渴望開發新材料和新產品,例如石墨烯,讓消費者能夠從技術改進和進步中獲益。然而,鑒于全球氣候變化及其對人類影響的風險迅速增加,制造商有責任了解其工藝和產品對環境的影響。
 
制造商評估產品或服務的潛在環境影響的一種方法是生命周期分析 (LCA)。然而,對于石墨烯相關材料等許多產品而言,這可能是一個復雜而微妙的過程。雖然國際標準化組織根據 ISO 14040 和 14044 提供了進行生命周期評估的指南和要求,但仍然需要使該過程更易于訪問。
 
在 HydroGraph,我們致力于承擔環境責任,并在石墨烯生產中使用環保和綠色工藝。
 

石墨烯:一種潛力無限的納米材料
由于石墨烯的市場和應用幾乎是無限的,它似乎在快速發展,但必須克服一些困難,包括價格、純度、一致性、能源需求和生態不友好的過程。石墨烯是一種即將在商業市場上爆發的“超級材料”,它比鋼更堅固,比金剛石更硬,比銅更導電,比硅的電子遷移率更好。該產品添加到其他材料中以增強強度、耐水性、柔韌性、導電性;它還通過改進電池、太陽能電池板和超級電容器技術來支持清潔能源。
 
石墨烯有多種形式,生產石墨烯有兩種主要途徑:一種稱為自下而上,另一種稱為自上而下。例如,化學氣相沉積或 CVD 可生產薄膜、單層石墨烯。這是一種自下而上的方法,因為它從分子碳源開始,并在原子水平上構建石墨烯結構。另一種方法是以良好成型的石墨為起點,通過剝離母體石墨顆粒獲得單層石墨烯。這種方法稱為自上而下。石墨烯也有多種形式,如雙層、少層和多層石墨烯。更復雜的是,還有不同的幾何形狀,納米片、納米帶、納米球體、納米多面體和分形石墨烯等。
 
測量環境影響
無論來源或生產路線如何,這些過程及其對環境的影響都有一些明顯和不明顯的問題。
 
一種方法是標準生命周期評估或 LCA 方法,采用多種措施或參數來量化過程對環境的影響,包括累積能源需求 CED、全球變暖潛能 GWG、累積用水 CWU、臭氧消耗潛能 ODP 等。
 
首先必須定義分析發生的邊界,無論是從搖籃到大門還是從搖籃到墳墓等。
 
然后,選擇產品的功能單元,即 1 千克石墨烯粉末,是然后估計每個功能單元的關鍵影響參數。
 
一個常見參數是過程中的能源使用,它與環境影響直接相關。生產一種物質的累計能量需求有兩部分:一是原材料消耗的能量,二是實際生產過程中消耗的能量。
 
例如,乙炔和氧氣可用作分形石墨烯生產的原料。這兩種元素被放入一個密閉容器中,混合物被微小的電火花點燃,立即產生大塊石墨烯粉末。由于該過程是沒有任何催化劑的氣相反應,因此生成的石墨烯是元素純的;碳含量為 99.8%,批次之間非常一致。
 
與能源需求量大的工業石墨烯生產方法相比,這種工藝在能源需求方面具有環境優勢。事實上,乙炔和氧氣的爆炸反應是一種放熱反應,對于生產 2.7 MJ/kg 石墨烯的 LCA 工藝,每 kg 石墨烯產生極小的 CED。為了正確看待這個數字并理解能量的大小,如果你看一種非常常見的材料,如鋁,而不是納米材料,只是一種傳統材料,使用非常成熟的生產工藝,每公斤鋁需要 200 MJ經過一個多世紀的改進。
 
要獲得總 CED,必須添加乙炔和氧氣的貢獻值,這取決于原材料的來源。如果不使用水,CWU 為零,副產品商品氣體可以被捕獲并用于其他應用。
 
但是,描述產品或過程的影響需要更多。在石墨烯的情況下,必須測量對人類、動物等的毒性。在學術出版物中越來越流行的一種方法是研究從搖籃到大門的影響,而不是從搖籃到墳墓的旅程。
 
還應考慮石墨烯應用對環境的影響,這種影響可能很多。由于這些應用途徑發生在石墨烯從生產現場或大門運出之后,因此稱為從大門到墳墓的評估。因此,在比較不同的石墨烯生產方法時,應該優先考慮從搖籃到大門的分析。然后,一旦定義了應用程序,就要考慮生命周期的所有方面,例如運輸、應用程序流程、報廢以及最后的處置。
 
這是一個長期涉及的過程,但石墨烯生產商對開發最穩定和對環境有利的方法有共同的興趣。世界取決于它。
 
摘自《The Graphene Council》網站
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