Síntese de zeólitas usando vidro recuperado de painéis solares e sua aplicação como aditivo em novos painéis

Abstract

Com a disseminação e a consolidação da energia solar fotovoltaica, grandes quantidades de painéis solares começam a ser fabricados e substituídos devido à queda de desempenho, falhas ou defeitos de fabricação. Em razão disso, é gerado um resíduo ambiental que, assim como a tecnologia de geração solar, cresce significativamente nos últimos anos. Cerca de 70% da composição desses painéis é um vidro de altíssima qualidade, o qual pode ser quimicamente reciclado para gerar materiais à base de silício com alto valor agregado. Devido à sua alta capacidade de adsorção de água, esses materiais podem ser aplicados como uma camada aditiva em novos módulos fotovoltaicos, visando promover o resfriamento evaporativo do sistema e, consequentemente, o aumento da eficiência elétrica do painel. Nesse contexto, a presente pesquisa teve como objetivo recuperar quimicamente o silício contido em painéis inutilizados, sintetizando zeólitas a partir desse recuperado, tornando -se possível estabelecer uma rota de economia circular para o material reaproveitado. A composição do vidro utilizado apresentou predominância de silício (61,4%), Ca (22,3%), Na (11,2%) e Al (2,7%), elementos considerados no processo de síntese. A partir do material recuperado, foi possível obter a zeólita do tipo LTA com elevado grau de cristalinidade, confirmando através de experimentos, como a difração de raios X, a ausência de fase amorfa residual com apenas uma leve contaminação da zeólita faujasita. Além disso, a microscopia eletrônica de varredura mostrou a formação de cristais com morfologia cúbica típica da estrutura, enquanto a razão Si/Al média obtida por EDS foi de 1,1 evidenciando a estrutura altamente aluminosa e compatível com o resultado previsto. Logo após a síntese, a zeólita apresentou volume de microporos de 0,20 cm³·g⁻¹ e capacidade de adsorção de água de 29,1%, com parte da água dessorvida a baixa temperatura, 9,2% a 74,8 °C, responsável pelo potencial de resfriamento evaporativo do material. Assim como, os testes em módulos fotovoltaicos foram possíveis demonstrar um aumento de aproximadamente de 2,5% na energia gerada ao longo de 30 minutos como consequência da redução de até 5% das perdas de potência. Dessa forma, os resultados demonstraram a viabilidade da síntese de zeólita LTA a partir do vidro reciclado de painéis solares, conferindo-lhe uma nova aplicabilidade, reduzindo suas perdas e aumentando a eficiência de novos painéis.

With the widespread adoption and consolidation of solar photovoltaic energy, large quantities of solar panels are being manufactured and replaced due to performance degradation, failures, or manufacturing defects. Consequently, an environmental waste is generated which, much like the solar generation technology itself, has grown significantly in recent years. About 70% of these panels' composition consists of high-quality glass, which can be chemically recycled to produce high-value-added silicon-based materials. Due to their high water adsorption capacity, these materials can be applied as an additive layer in new photovoltaic modules to promote evaporative cooling of the system and, consequently, increase the panel's electrical efficiency. In this context, the present research aimed to chemically recover silicon from discarded panels, synthesizing zeolites from this recovered material, thus establishing a circular economy route for the reused material. The composition of the glass used showed a predominance of silicon (61.4%), Ca (22.3%), Na (11.2%), and Al (2.7%), elements considered in the synthesis process. From the recovered material, it was possible to obtain LTA-type zeolite with a high degree of crystallinity, confirming through experiments, such as X-ray diffraction, the lack of residual amorphous phase with only a slight contamination of the faujasite zeolite. Furthermore, scanning electron microscopy showed the formation of crystals with a cubic morphology typical of the structure, while the average Si/Al ratio obtained by EDS was 1.1, evidencing the highly aluminous structure and compatible with the predicted result. Immediately after synthesis, the zeolite exhibited a micropore volume of 0.20 cm³·g⁻¹ and a water adsorption capacity of 29.1%, with some of the water desorbed at low temperatures (9.2% at 74.8 °C), responsible for the material's evaporative cooling potential. Similarly, tests on photovoltaic modules demonstrated an increase of approximately 2.5% in energy generated over 30 minutes as a consequence of a reduction of up to 5% in power losses. Thus, the results demonstrated the viability of synthesizing LTA zeolite from recycled solar panel glass, giving it a new application, reducing losses and increasing the efficiency of new panels.