АВТОР: Саванна Митчем

Исследователи превращают наш ил, отходы и смог в более ценную продукцию.

Природа полна взаимосвязанных циклов. Вода движется в бесконечном цикле, поднимаясь от земли к небу и обратно. Когда живые существа умирают и разлагаются, такие элементы, как углерод и азот, поглощаются земной корой и используются для создания новой жизни. Эти природные системы представляют собой замкнутые петли, то есть они самоподдерживающиеся и не имеют ни начала, ни конца.

Люди существуют в этих циклах; как и все живые существа, мы влияем на них и извлекаем из них пользу. Но способы, которыми мы в настоящее время управляем нашими отходами, не являются устойчивыми или цикличными. Выбросы, которые мы производим, а также пластик, устройства, продукты питания и другие отходы, которые мы выбрасываем, не всегда возвращаются в естественные циклы Земли.

Вместо этого большая часть наших отходов либо остается на быстро растущих свалках, загрязняя окружающую среду, либо и то, и другое. Между тем, наши выбросы накапливаются в атмосфере, вызывая повышение глобальной температуры и нанося ущерб экосистемам. И, несмотря на наши усилия, менее 10% из примерно 7 миллиардов тонн когда-либо произведенных пластиковых отходов было переработано.

«Благодаря целенаправленной науке, образованию и партнерству достижение нашего видения более устойчивого энергетического будущего является лишь вопросом времени». — Мелтем Ургун Демиртас, учёный из Аргонны

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) работают над созданием более регенеративного будущего, в котором ресурсы Земли будут циркулировать устойчиво. В этом типе экономической системы, называемой экономикой замкнутого цикла, окончание срока службы продукта планируется на стадии проектирования. Таким образом, потенциальные отходы становятся ценным ресурсом для создания новых или восстановленных продуктов.

Ученые Аргонны разрабатывают методы восстановления и повторного использования драгоценных металлов и других ценных материалов из батарей и устройств после их окончания срока службы. Они также разрабатывают технологии, позволяющие превращать отходы в ценные товары. Сотрудничая с отраслевыми партнерами, другими исследовательскими институтами и местными сообществами, они помогают преодолеть разрыв между лабораторными открытиями и крупномасштабным социальным воздействием.

Замыкание цикла «от мусора к сокровищу»

Экономика замкнутого цикла замыкает производственные циклы в промышленности, превращая отходы в сырье для создания новых продуктов. Это означает, что свалки должны рассматриваться не как гнилые, гористые бельмо на глазу, а скорее как огромные сокровищницы, ожидающие, когда их добудут в поисках запасов ценных материалов.

«Пластик содержит много энергии. Это похоже на предварительно очищенную сырую нефть, и она уже добыта из-под земли», — сказал Макс Дельферро, химик и руководитель группы из Аргонна, а также руководитель отдела экономики замкнутого цикла Аргонна. «В будущем, по мере совершенствования технологий, может появиться финансовый стимул для поиска пластика на свалках».

Дельферро и его команда в Аргонне разрабатывают новые и улучшенные методы переработки пластиковых отходов. Например, они используют химические инструменты, называемые катализаторами, для преобразования пластиковых пакетов и пленок в более ценные продукты, такие как смазочные материалы и воски. Они также переосмысливают дизайн пластиковых изделий.

Например, в рамках Института совместной переработки пластмасс Министерства энергетики (iCOUP) Дельферро и другие ученые из Аргоннского и Корнельского университетов разработали новый метод переработки полиэтилена высокой плотности (HDPE) или пластика типа 2. Их технология превращает бывшую в употреблении продукцию из полиэтилена высокой плотности в новый тип пластикового материала, который можно многократно перерабатывать без потери качества.

Другая команда в Аргонне совершенствует методы переработки батарей и микроэлектронных устройств.

«Что мне нравится в переработке, так это то, что вы начинаете с того, что выглядит как мусор — оно грязное, сломанное — а в конце из оборудования выходит блестящий металл и другие продукты», — сказал Джеффри Спангенбергер, руководитель отдела материалов Аргонны. Группа исследований и разработок в области вторичной переработки и директор Центра ReCell. «Сначала оно спрятано, но там много ценных вещей».

Центр ReCell, расположенный в Аргонне, представляет собой национальное сотрудничество промышленности, научных кругов и национальных лабораторий, занимающееся разработкой технологий переработки аккумуляторов. Переработка аккумуляторов и других устройств снижает спрос на добычу редких минералов, используемых в батареях, таких как литий, кобальт и никель. Возвращение этих критически важных материалов в производственный цикл также снижает стоимость аккумуляторов для электромобилей, что может сыграть важную роль в сокращении выбросов углекислого газа (CO).₂) выбросы.

Даже самые вонючие потоки отходов общества могут быть использованы в качестве ценного сырья. Ученый из Аргонны Мелтем Ургун Демиртас исследует способы восстановления ресурсов из пищевых отходов и осадка, образующихся в городах, на очистных сооружениях и в промышленных процессах. В лаборатории она и ее команда экспериментировали с отходами местных ресторанов, свиноферм, пивоваренных заводов, производителей сыра и даже собственных домов.

«Моя мотивация — очистить мир», — сказал Ургун Демиртас, руководитель отдела устойчивых материалов и процессов Аргонны. «Меня интересует все, что никому не нужно на своем заднем дворе или в своем городе».

Ургун Демиртас и ее коллеги скармливают эти потоки отходов колониям самых разнообразных и устойчивых микроорганизмов. Посредством пищеварения сообщества микроорганизмов могут очищать потоки органических отходов, таких как сточные воды и ил, и превращать их в топливо, включая возобновляемый метан и экологичное авиационное топливо.

А чтобы закрыть как можно больше петель, богатые питательными веществами остатки этих процессов можно использовать в качестве удобрения или кондиционера почвы. Извлечение питательных веществ из отходов имеет дополнительное преимущество, заключающееся в предотвращении вредного цветения водорослей, которое они могут вызвать, если их не остановить в окружающей среде.

Джунхонг Чен, ведущий специалист по водным стратегиям в Аргонне и профессор Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, также работает над ускорением создания технологий очистки воды и восстановления ресурсов.

«Вода не только жизненно важна для поддержания нашей жизни; он также необходим для производства продукции практически во всех отраслях», — сказал Чен, который является соруководителем исследователя Great Lakes ReNEW, регионального инновационного двигателя, награжденного Национальным научным фондом США (NSF). «Пока вода соприкасается с обществом, будет существовать острая потребность и возможности для безотходной синей экономики».

Проект Great Lakes ReNEW, координируемый чикагским центром инноваций в области водных ресурсов Current, в партнерстве с Аргонном и Чикагским университетом, будет разрабатывать и внедрять улучшенные технологии для извлечения важнейших минералов и питательных веществ из сточных вод и очистки их от загрязнений.

Например, команда разрабатывает сеть взаимосвязанных датчиков по всему региону Великих озер для мониторинга уровней различных материалов, присутствующих в сточных водах, в режиме реального времени. Эта информация может помочь предприятиям по очистке сточных вод оптимизировать свои мощности для переработки поступающих отходов, которые могут меняться изо дня в день.

Наука деконструкции

Основной проблемой при разработке любого метода переработки или восстановления ресурсов является отделение ценных материалов и компонентов от остальных отходов. Еще сложнее разделить их таким образом, чтобы это было экономически эффективно и экологически устойчиво.

«Мы потратили сто лет на разработку наших пластиков с особыми свойствами, и только в последние несколько лет мы действительно начали задумываться о том, как ответственно разбирать их», — сказал Дельферро. «Это захватывающее время для ученого, потому что мы стоим на пороге новой науки: науки деконструкции».

Например, пластиковые отходы, как правило, не являются чистым пластиком. Он часто содержит загрязняющие вещества и добавки (например, красители и антипирены), которые необходимо отделять с помощью ряда катализаторов. Это сложная наука. На сегодняшний день лучшие катализаторы, обнаруженные исследователями для переработки пластмасс, состоят из редких и дорогих металлов.

Дельферро и его коллеги работают над созданием эффективных катализаторов из богатых землей материалов, которые можно добывать в США. Его команда также сотрудничает с другой группой в Аргонне, чтобы оценить потенциальное воздействие на окружающую среду разрабатываемых ими пластмасс.

«Мы должны быть уверены, что даже когда биоразлагаемый пластик разлагается, он не будет токсичным для окружающей среды», — сказал Дельферро. «Есть над чем подумать, и все это способствует развитию экономики замкнутого цикла».

То же самое относится и к переработке аккумуляторов и микроэлектроники. «Большая часть этих отходов пережевана или перемешана. Чтобы сделать переработку прибыльной, вам необходимо найти технологии для разделения стекла, пластика, металла, жидкостей и других материалов с использованием технологий, которые дешевы и просты в эксплуатации», — сказал Спангенбергер.

Реальные заводы по переработке отходов используют ряд машин, таких как измельчители, сильные магниты и печи, для разделения различных материалов. Даже когда они требуют более деликатного подхода роботов-сортировщиков с искусственным интеллектом, многие из существующих процессов извлечения вторсырья из электронных устройств неэффективны, энергоемки или дороги.

Спангенбергер и его коллеги помогают отраслевым партнерам найти наиболее выгодные и устойчивые способы подхода к процессам переработки.

Например, он и его команда сотрудничают с компанией Toyota Motor Engineering & Manufacturing, Северная Америка, чтобы изучить возможность использования инновационного метода, разработанного Центром ReCell, для переработки аккумуляторов электромобилей. Новый подход, называемый прямой переработкой, разделяет целые компоненты батарей, оставляя их неповрежденными для повторного использования в другой батарее. Это снижает потребность в дорогостоящих производственных процессах, используемых для создания компонентов с нуля. В свою очередь, новый подход может помочь снизить зависимость страны от других стран в отношении материалов для аккумуляторов.

Команда также строит пилотный завод по переработке отходов в Аргонне. Завод позволит команде протестировать новые технологии переработки, интегрированные с существующими, а также масштабировать процессы, которые будут проверены в реальных промышленных условиях с реальным сырьем.

Сепарация также является серьезной проблемой при очистке и переработке органических отходов, таких как сточные воды, ил и пищевые отходы. Это связано с тем, что потоки отходов очень разнообразны и сложны. Фактически, на разделение приходится до 70% общих затрат на преобразование органических отходов в топливо и другие продукты. Аргонн разрабатывает передовые технологии для сокращения выбросов и затрат, связанных с разделением органических отходов.

Наука воссоединения

Одна из причин, по которой такие ученые, как Ургун Демиртас, так интересуются осадком и другими органическими отходами, заключается в том, что они богаты элементом углеродом. Углерод является основным компонентом многих видов топлива, поскольку при его сжигании выделяется большое количество энергии.

Это тот же элемент, который существует в CO.₂ Молекулы накапливаются в атмосфере и вызывают глобальное потепление. Когда мы сжигаем ископаемое топливо и выделяем CO₂ выбросов, мы одновременно наносим вред системам Земли и отказываемся от большого количества ценного ресурса.

Аргоннский химик Ди-Цзя Лю работает над тем, чтобы связать источники нашего выбрасываемого в противном случае углерода с отраслями промышленности, которые могут использовать его в качестве сырья для некоторых наиболее производимых видов топлива и химикатов в США. К ним относятся этанол, уксусная кислота, этилен и пропанол. , которые используются в бензине и в качестве промежуточных продуктов в химической, фармацевтической и косметической промышленности.

Лю и его команда видят будущее, в котором все CO₂ мы производим останки в замкнутом цикле нашей экономики замкнутого цикла, постепенно удаляемые из атмосферы и бесконечно повторно используемые. Однако преобразование CO является дорогостоящим и энергоемким.₂ на топливо и…