Исследования в Аргонне и Чикагском университете направлены на сокращение свалок путем превращения «отходов в богатство»

Природа полна взаимосвязанных циклов. Вода движется в бесконечном цикле, переходя 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 системы природы являются замкнутыми циклами, то есть они самоподдерживающиеся, и у них нет начала или конца.

Люди существуют в этих циклах; как и все живые существа, мы и влияем на них, и извлекаем из них пользу. Но способы, которыми мы в настоящее время управляем нашими отходами, далеки от устойчивых или цикличных.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, лаборатории Министерства энергетики США, связанной с Чикагским университетом, работают над более регенеративным будущим — таким, в котором ресурсы Земли будут циркулировать устойчиво. В этом типе экономической системы, называемой  круговой экономикой , окончание срока службы продукта планируется на этапе проектирования. Таким образом, потенциальные отходы становятся ценным ресурсом для создания новых или восстановленных продуктов.

Ученые из Аргонна и Чикагского университета разрабатывают методы извлечения и повторного использования драгоценных металлов и других ценных материалов из батарей и устройств в конце их срока службы. Они также разрабатывают технологии превращения отходов в ценные товары. И сотрудничая с отраслевыми партнерами, другими исследовательскими институтами и местными сообществами, они помогают преодолеть разрыв между лабораторными открытиями и масштабным общественным воздействием.

Закрытие цикла «от мусора к сокровищам»

Выбросы, производимые человеком, 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, что приводит к повышению глобальной температуры и наносит ущерб экосистемам. И, несмотря на наши усилия до сих пор, менее 10% из приблизительно 7 миллиардов тонн пластиковых отходов, когда-либо произведенных, были переработаны.

«Меня интересует все, что никому не нужно у себя во дворе или в городе».

— Аргоннский ученый Ургун Демиртас

Чтобы решить эту проблему, мы можем предпринять шаги по переходу к круговой экономике. Круговая экономика превращает промышленные отходы в сырье для создания новых продуктов. Это означает, что свалки будут восприниматься не как гнилые, горные бельма на глазу, а как огромные сокровищницы, ожидающие, когда их раскопают ради запасов ценных материалов.

«Пластик содержит много энергии. Это как предварительно очищенная сырая нефть, и она уже извлечена из земли», — сказал Макс Делферро, химик из Аргоннского университета и Школы молекулярной инженерии имени Притцкера в Чикагском университете, а также руководитель направления «Экономика замкнутого цикла» в Аргоннском университете. «В будущем, по мере совершенствования технологий, может появиться финансовый стимул для выкапывания пластика на свалках».

Дельферро и его команда в Аргонне являются пионерами новых и улучшенных методов 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 , как изначально проектируются пластиковые изделия.

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

Желанные и нежелательные

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

«Моя мотивация — очистить мир», — сказал Ургун Демиртас, руководитель отдела устойчивых материалов и процессов Аргоннского университета. «Все, чего никто не хочет видеть у себя во дворе или в своем городе, представляет для меня интерес».

Ургун Демиртас и ее коллеги скармливают эти потоки отходов колониям очень разнообразных и устойчивых микроорганизмов. Микроорганизмы могут переваривать органические потоки отходов, такие как сточные воды и ил, и преобразовывать их в топливо, включая возобновляемый метан и устойчивое реактивное топливо.

И чтобы закрыть как можно больше циклов, остатки этих процессов, богатые питательными веществами, можно использовать в качестве удобрения или почвенного кондиционера. Извлечение питательных веществ из отходов имеет дополнительное преимущество, предотвращая вредоносное цветение водорослей, которое они могут вызвать, если их не контролировать в окружающей среде.

Водный

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

«Вода не просто жизненно важна для поддержания нашей жизни; она также необходима для производства продукции практически в каждой отрасли», — сказал Чен, который является соруководителем исследовательской группы Great Lakes ReNEW, регионального инновационного двигателя, награждённого Национальным научным фондом США. «Пока вода касается общества, будет существовать острая необходимость и возможность для круговой голубой экономики».

Координируемый чикагским центром водных инноваций Current в партнерстве с Аргоннским университетом и Чикагским университетом, проект Great Lakes ReNEW будет разрабатывать и внедрять усовершенствованные технологии извлечения важнейших минералов и питательных веществ из сточных вод и очистки их от загрязняющих веществ.

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 очистным сооружениям оптимизировать свои мощности для обработки входящих отходов, которые могут меняться изо дня в день.

Наука деконструкции

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

«Мы потратили сто лет на разработку наших пластиков, чтобы они имели очень особые свойства, и только в последние несколько лет мы действительно начали думать о том, как разбирать их ответственно», — сказал Делферро. «Это захватывающее время быть ученым, потому что мы находимся на заре новой науки: науки деконструкции».

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

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

«Мы должны быть уверены, что даже когда биоразлагаемый пластик разложится, он не будет токсичным для окружающей среды», — сказал Делферро. «Многое нужно учесть, и все это вписывается в круговую экономику».

То же самое касается переработки аккумуляторов и микроэлектроники. «Многие из этих отходов пережевываются или смешиваются. Чтобы сделать переработку прибыльной, нужно найти технологии разделения стекла, пластика, металла, жидкостей и других материалов, используя дешевые и простые в эксплуатации технологии», — сказал Джеффри Спангенбергер, руководитель группы исследований и разработок по переработке материалов Аргонна и директор центра ReCell .

Настоящие заводы по переработке используют ряд машин, таких как измельчители, сильные магниты и печи, для разделения различных материалов. Даже когда они включают более деликатное прикосновение искусственно интеллектуальных сортировочных роботов, многие из существующих процессов по извлечению перерабатываемых материалов из электронных устройств неэффективны, энергоемки или дороги.

Спангенбергер и его коллеги помогают отраслевым партнерам находить наиболее прибыльные и устойчивые способы подхода к процессам переработки.

Например, он и его команда сотрудничают с Toyota Motor Engineering & Manufacturing, North America, чтобы исследовать новый подход — называемый прямой переработкой — который отделяет целые компоненты батарей, оставляя их нетронутыми для повторного использования в другой батарее. Это снижает необходимость в дорогостоящих производственных процессах, используемых для создания компонентов с нуля.

Команда также строит пилотный завод по переработке в Аргонне. Завод позволит команде тестировать новые технологии переработки, интегрированные с существующими, и масштабировать процессы для тестирования в реальных промышленных условиях с реальным сырьем.

Наука воссоединения

Когда мы сжигаем ископаемое топливо и выбрасываем CO2, мы одновременно наносим вред системам Земли и теряем большое количество ценного ресурса; углерод является основным компонентом многих видов топлива, поскольку при его сгорании выделяется большое количество энергии.

Химик из Аргонна Ди-Цзя Лю работает над тем, чтобы направить углерод, который в противном случае выбрасывался бы в виде CO2, в отрасли, которые могут использовать его в качестве сырья для некоторых из 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 для химической, фармацевтической и косметической промышленности.

«В будущем, по мере совершенствования технологий, может появиться финансовый стимул для выкапывания пластика со свалок».

— Аргонн, химик из Чикагского университета Макс Дельферро

Лю и его команда представляют себе будущее, в котором весь производимый нами CO2 остается в замкнутом цикле нашей круговой экономики, постепенно удаляется из атмосферы и бесконечно повторно используется. Однако преобразование CO2 в топливо и химикаты с использованием существующих технологий является дорогостоящим и энергоемким.

Чтобы сделать процесс более доступным, команда Лю создает более эффективные катализаторы и разрабатывает устройство для преобразования CO2, называемое электролизером. Устройство работает при низких температурах и давлениях по сравнению с существующими технологиями, и может быстро включаться и выключаться без больших потерь энергии. Эти особенности делают его идеальным для сопряжения с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра и солнца, доступность которых может быть непостоянной.

«Чтобы сделать это прибыльным в ближайшей перспективе, идея состоит в том, чтобы использовать возобновляемую энергию для преобразования CO2 местного производства в химические вещества и продукты с добавленной стоимостью для местного потребления», — сказал Лю. «Это устраняет расходы, связанные с транспортировкой и распределением».

Полностью осознавая предстоящие трудности, исследователи из Аргонна сохраняют энергию и оптимизм.

«Потребовалось около 50 лет, чтобы произвести большие объемы бензина — и около 20 лет, чтобы произвести большие объемы кукурузного этанола — которые удовлетворяют наши потребности в топливе сегодня», — сказал Ургун Демирташ. «С преданной науке, образованию и партнерству это лишь вопрос времени, когда мы достигнем нашего видения более устойчивого энергетического будущего».

Финансирование: Национальный научный фонд, Офис фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США и Офисы биоэнергетических технологий, транспортных технологий, передовых материалов и производственных технологий, а также промышленной эффективности и декарбонизации Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.

Источник: https://news.uchicago.edu/story/argonne-research-aims-shrink-landfills-turning-waste-wealth