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. Выбросы, которые мы производим, и пластик, устройства, еда 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.
Исследователи из Национальной лаборатории Аргонна Министерства энергетики США (DOE) 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 Аргонна 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»
Круговая экономика замыкает производственные циклы в промышленности, превращая 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 Аргонна, руководитель группы и руководитель Аргоннской циклической экономики. «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 (ПЭВП) или пластика типа 2. Их технология превращает бывшие в употреблении изделия из ПЭВП в новый тип пластикового материала, который можно перерабатывать многократно без потери качества.
Другая команда в Аргонне совершенствует методы переработки аккумуляторов и микроэлектронных устройств.
«Что мне нравится в переработке, так это то, что вы начинаете с того, что выглядит как мусор — грязное, сломанное, — а затем в конце из оборудования выходит блестящий металл и другие продукты», — сказал Джеффри Спангенбергер, руководитель группы исследований и разработок по переработке материалов в Аргонне и директор центра ReCell. «Сначала это скрыто, но там много ценного».
Расположенный в Аргонне, ReCell Center является национальным сотрудничеством промышленности, академических кругов и национальных лабораторий, продвигающих технологии переработки батарей. Переработка батарей 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 батарей для электромобилей, что может сыграть важную роль в сокращении выбросов углекислого газа (CO2 ) .
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 их собственных домов.
«Моя мотивация — очистить мир», — сказал Ургун Демиртас, возглавляющий отдел устойчивых материалов и процессов в Аргонне. «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. Благодаря пищеварению сообщества микроорганизмов могут обрабатывать 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.
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 (NSF). «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 убедиться, что даже когда биоразлагаемый пластик разлагается, 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 Шпангенбергер.
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 использование инновационного метода, разработанного ReCell Center для переработки аккумуляторов электромобилей. Новый подход, называемый прямой переработкой, отделяет целые компоненты аккумуляторов, оставляя их нетронутыми для повторного использования в другом аккумуляторе.
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 в Аргонне. Завод позволит команде тестировать новые технологии переработки, интегрированные с существующими, и масштабировать процессы для тестирования в реальных промышленных условиях с реальным сырьем.
Разделение также является серьезной проблемой при обработке и переработке органических отходов, таких как сточные воды, шлам и пищевые отходы. Это связано с тем, что потоки отходов очень разнообразны и сложны. Фактически, разделение составляет до 70% от общей стоимости преобразования 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 ученые, такие как Ургун Демирташ, так интересуются шламом и другими органическими отходами, заключается в том, что он богат элементом углеродом. Углерод является основным компонентом многих видов топлива, поскольку при его сгорании выделяется большое количество энергии.
Это тот же элемент, который присутствует в молекулах CO 2 , накапливающихся в атмосфере и вызывающих глобальное потепление. Когда мы сжигаем ископаемое топливо и выбрасываем CO 2 , мы одновременно наносим вред системам Земли и теряем большие объемы ценного ресурса.
Химик из Аргонна Ди-Цзя Лю работает над тем, чтобы связать источники нашего углерода, который в противном случае выбрасывался бы в атмосферу, с отраслями промышленности, которые могли бы 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.
Лю и его команда представляют себе будущее, в котором весь производимый нами CO 2 остается в замкнутом цикле нашей круговой экономики, постепенно удаляется из атмосферы и бесконечно повторно используется. Однако перерабатывать CO 2 в топливо и химикаты с использованием существующих технологий — это дорого и энергоемко.
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 использования в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра и солнца, доступность которых может быть непостоянной.
«Чтобы сделать это прибыльным в ближайшей перспективе, идея заключается в использовании возобновляемой энергии для преобразования локально произведенного CO2 в химические вещества с добавленной стоимостью и продукты для местного потребления», — сказал Лю. «Это исключает расходы, связанные с транспортировкой и распределением».
Возобновляемая энергия лежит в основе видения учеными циклической экономики, но ее широкое внедрение зависит от разработки доступных и эффективных аккумуляторов, которые помогут сгладить перебои в поставках энергии.
Здесь мы видим взаимосвязанные производственные циклы, составляющие круговую экономику. Улучшения в технологиях переработки аккумуляторов делают аккумуляторы дешевле.
Более дешевые батареи приводят к более эффективной инфраструктуре для хранения и использования возобновляемой энергии. В свою очередь, более дешевая электроэнергия снижает стоимость переработки CO2 и других отходов в более ценные материалы. Улучшенная переработка помогает рециркулировать восстановленные минералы, что еще больше снижает стоимость батарей. И этот добродетельный цикл продолжается.
Эти взаимозависимости также могут усложнить разработку устойчивых технологий и инфраструктуры. «К тому времени, как мы освоим переработку одного типа батареи, будет открыта более дешевая, более устойчивая батарея, требующая другой технологии переработки», — смеется Шпангенбергер. «Этот прогресс, конечно, хорош. Он показывает, что мы приближаемся к нашей конечной цели».
Партнерство и коммуникация между отраслями и научными дисциплинами имеют решающее значение для эффективной разработки и внедрения этих технологий. Такие сотрудничества, как Great Lakes ReNEW и ReCell Center, помогают облегчить проверку новых подходов в разных масштабах, ускоряя их выход на рынок.
Они также взаимодействуют с академическими учреждениями и местными сообществами для развития инклюзивной инновационной экосистемы и обучения следующего поколения ученых, инженеров и политиков.
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.
«Благодаря целенаправленной работе в области науки, образования и партнерства, это лишь вопрос времени, когда мы воплотим в жизнь наше видение более устойчивого энергетического будущего».