Comparative Life-cycle assessment of the production of 3YSZ by co-precipitation process and Emulsion Detonation Synthesis

Abstract

Os nanomateriais são uma tecnologia emergente, pois apresentam propriedades físico-químicas e mecânicas únicas devido ao seu tamanho nano. Isso torna-os úteis para uma infinidade de setores de indústria, como as indústrias de saúde, automóvel e eletrónica. Um nanomaterial com propriedades e aplicações muito interessantes é a zircónia dopada com uma percentagem molar de 3% de ítria ou simplesmente zircónia estabilizada com ítria (3YSZ). Este material apresenta excelentes propriedades mecânicas, térmicas e elétricas como alta tenacidade e resistência à propagação de falhas, baixa condutividade térmica e grande condutividade iónica. Isso torna-o útil para uma ampla gama de aplicações, como biocerâmica, solid-oxide fuel cells (SOFC) e revestimento de barreiras térmicas. O mercado global de nanotecnologia está a crescer rapidamente e, com ele, também o seu potencial de exposição para o meio ambiente. Preocupações são levantadas, relacionadas com a sua potencial ecotoxicidade e problemas de saúde. Portanto, a nanotecnologia deve ser desenvolvida ao lado de estratégias sustentáveis para permitir a sua evolução e expansão contínua. Compreender a relação causa-efeito entre a produção de nanomateriais e os seus impactes ambientais relacionados é muito importante. Para isso, a metodologia de análise de ciclo de vida (ACV) é extremamente útil, pois quantifica os impactes ambientais associados a diferentes produtos e sistemas, permitindo que as indústrias avaliem os seus processos produtivos, evoluam e desenvolvam de forma sustentável.O presente estudo aplica a metodologia LCA para dois métodos diferentes de produção de 3YSZ: processo de co-precipitação e síntese por detonação de emulsão (EDS). Especificamente, foca os impactos na produção deste material. Primeiramente, foi realizada uma revisão da literatura, a fim de entender e definir o objetivo e os limites do sistema desta ACV, juntamente com uma análise dos processos de produção, a fim de criar um inventário de ciclo de vida (LCI) para ambos os métodos e, assim, para poder quantificar os impactos ambientais associados a cada processo.Por fim, avaliando os potenciais impactes causados pelos métodos de co-precipitação e EDS, foi possível uma comparação e resultados obtidos. No geral, verificou-se que para as categorias de impacto de mudança climática, destruição da camada de ozono e ecotoxicidade da água, o método EDS foi considerado mais impactante em relação ao processo de co-precipitação. No entanto, em relação às demais categorias de impacto avaliadas, o método EDS apresentou potenciais benefícios ambientais. Os maiores contribuintes para o método EDS e os impactos do ciclo de vida da co-precipitação foram, respectivamente, a produção de carbonato básico de zircónio e o uso de etanol.

Nanomaterials are an emerging technology, as they display unique physio-chemical and mechanical properties due to their nanosize. This makes them useful to a multitude of industry sectors such as the healthcare, automotive, and electronics industries. A nanomaterial with very interesting properties and applications is zirconia doped with a 3% molar percentage of yttria or simply put, yttria-stabilized zirconia (3YSZ). This material presents excellent mechanical, thermal and electrical properties such as high toughness and resistance to crack propagation, low thermal conductivity, and great ionic conductivity. This makes it useful to a wide array of applications, such as bioceramics, solid oxide fuel cells (SOFC) and thermal barrier coatings. The nanotechnology global market is rapidly increasing, and with it, also their potential release into the environment. Concerns are raised, related with their potential ecotoxicity and health issues. Therefore, nanotechnology must be developed alongside sustainable strategies to allow its evolution and continued expansion. Comprehending the cause-effect relationship between nanomaterial production and its correlated environmental impacts is highly important. For that, the life-cycle assessment (LCA) methodology is incredibly useful, as it quantifies the environmental impacts associated with different products and systems, allowing industries to benchmark their production processes and sustainably evolve and develop. The present study applies the LCA methodology for two different methods of 3YSZ production: co-precipitation process and emulsion detonation synthesis (EDS). Specifically, it focuses on the production impacts of this material. First, a literature review was performed, in order to understand and define the goal and system boundaries of this LCA, along with an analysis of the production processes, in order to create a life-cycle inventory (LCI) for both methods and thus, to be able to quantify the environmental impacts associated with each process.Finally, by assessing the potential impacts caused by the co-precipitation and EDS methods, a comparison was possible and results were obtained. Overall, it was found that for the climate change, ozone depletion and freshwater toxicity impact categories, the EDS method was found to be more impactful in relation to the co-precipitation process. However, in terms of the other assessed impact categories, the EDS method presented potential environmental benefits. The biggest contributors to the EDS method and co-precipitation life-cycle impacts were, respectively, zirconium basic carbonate production and ethanol usage.