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低碳新成果:机器人分拣垃圾、餐厨垃圾发电、废弃虾蟹壳供“氮”

来源:中国循环经济协会 作者: 发布时间:2020-06-16 11:24:24 浏览次数: 【字体:

机器人拣可回收物、餐厨垃圾给手机充电、虾蟹壳有妙用……上海交大带来这些低碳成果。

从上海交通大学获悉,中英国际低碳学院的三项最新研究聚焦环境保护、低碳生活,让垃圾变成多样化资源,为可持续发展添砖加瓦。

超视觉垃圾分拣机器人,“拯救”可回收物

机械手不停往返,识别、分拣可回收垃圾,输送轨道穿插有序。

在中英国际低碳学院的实验室里,固体废弃物资源化技术与智能装备团队研发的超视觉垃圾分拣机器人正在工作。

△ 超视觉垃圾分拣机器人

“每小时可分拣垃圾5400次,它可以快速在大量垃圾中精准识别可回收物,大大节约了人工成本。”项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授李佳介绍。

随着垃圾分类制度的推行,全国垃圾分类工作由点到面,成效初显。不过,生活垃圾组成复杂,干垃圾中往往混有可回收物。通常收储后,工人需要用手将可回收的物品从大量垃圾中拣选出来。传统的矿物分选技术具有局限性,组合流程复杂。

研究团队想到,可以通过机器视觉中的三种主流识别传感系统,即CCD视觉、激光视觉、近红外视觉相耦合,综合判断目标物的内、外部特征,精准定位与细分判别垃圾。

李佳介绍,通过free-model的超视觉技术,可以实现各品类、各形状、各表面材料的样品识别;通过轨迹优化算法,让机械臂走最优路径;同时开发算法,实现自动分拣。此外,团队还测试了干扰系统,以提高机器人的分拣精度。

“一个超视觉垃圾分拣机器人可以高精度分拣多种不同品类的垃圾,有效分拣率可达95%。生产线上每套设备布置2个机械手,相当于替代了54个分拣工人的工作量。” 李佳介绍,这将提高废物回收的速度和质量,减少对全新原材料的需求。

垃圾分拣机器人的开发涉及光学、机械、控制、软件等多学科技术体系,技术壁垒高。李佳团队数年来相继突破十余项关键技术,实现了垃圾精细分拣机器人的核心技术国产化。

目前,这款机器人已进入产学研技术推广阶段,团队将与环保头部企业对接合作、共同开发,使研究成果从实验室进入市场应用。

一个移动式集装箱,能将餐厨垃圾变身“充电宝”

一个集装箱可以一边处理餐厨垃圾,一边产生电能,让附近人群可以在充电柜给电子设备充电。

在新加坡国立大学的食堂附近,一套分布式餐厨垃圾能源化系统已经投入了应用。重量为40kg的餐厨垃圾在投入系统内的厌氧消化罐后,经过厌氧发酵产生沼气,随后转化为电力和热力。结果表明,其输出的电能大约可供1000台手机充电。

这套能变废为宝的系统由上海交大中英国际低碳学院有机废物资源化研究团队与新加坡国立大学合作研发。

项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授张景新介绍,餐厨垃圾的来源很分散,传统的做法是经过垃圾车收集后进行集中式处理。而长距离运输需要高额成本,且运输过程中垃圾也会产生异味。

针对这个问题,团队研发的分布式餐厨垃圾能源化系统就采用了原位处理的方式,邻近垃圾产生源头,将所有处理和能源转化设备都集中在一个长为6米的移动式集装箱内。

其中,整个系统的核心是厌氧消化罐。经过研磨、混合等简单操作后,餐厨垃圾被泵入厌氧消化罐。

“餐厨垃圾的成分影响着系统的发电量,当碳氢化合物、蛋白质、脂肪的含量越高时,产生的沼气越多,从而产生的电能也越多。”张景新说,经过模拟计算,该系统处理一吨餐厨垃圾的发电量为200-400kWh,能够为13000-26000台手机充电。

此外,系统不仅可以提供自身工作需要的电能和热能,还可以直接为餐厅供电。张景新介绍,“除了餐厅和充电柜,未来,系统产生的电能还能满足附近居民区的用电需求。”

不止电能,厌氧消化过程中会产生消化物,其中富含营养物质的还可进一步加工作为肥料。

在实现废弃处理的同时,厌氧消化系统可以有效减少有机废物和城镇温室气体的排放,提高资源利用效率。“将线性经济的概念转变为循环经济,有助于建设可持续发展的特大城市模式。”张景新说。

“壳中玄机”,废弃虾蟹壳可供“氮”

吃完了虾和蟹,丢弃的壳其实是含有很大的能源价值。

甲壳类虾蟹的可食用部分通常为40%-50%,据统计,全球每年约有800-1000万吨的虾蟹壳垃圾产生,大部分虾蟹壳被当作垃圾直接丢弃或填埋,在环境降解过程中,它们释放出大量二氧化碳和氮氧化物。

实际上,虾蟹壳中的主要成分包括碳酸钙、甲壳素和蛋白质,是天然可再生资源。其中,甲壳素作为结构单一的高分子,为含氮化学品的制备提供了一个天然可再生资源平台。含氮化学品功能强大,例如,在医药领域,85%的最畅销药物都是含氮化合物。

然而,目前含氮化学品的工业制备主要原料为不可再生化石资源,氮元素的来源则是合成氨工艺,能耗大、碳排高。

假如能够利用虾蟹壳废弃物中的甲壳素氮元素,从而来制备乙醇胺、含氮药物等,不仅会缩短反应路径,而且会大大降低碳排放和总体能耗。

从虾蟹壳中提取甲壳素,传统工艺使用了强腐蚀性的酸和碱,对设备抗腐蚀性要求极高,并且产生大量酸碱性工业废水。因此,开发一种绿色、环保的甲壳素提取方法是促进废弃物利用的关键条件。

上海交大中英国际低碳学院陈熙课题组和新加坡国立大学颜宁课题组合作,成功开创了一种温和无污染的新技术来处理虾蟹壳垃圾。

陈熙介绍,技术思路借鉴了自然界中钟乳石的形成过程。新技术采用高压二氧化碳作为绿色酸试剂,在水中溶解虾蟹壳中的碳酸钙。通过180度高温水使蛋白质水解脱落,类似煮肉汤的过程。

“整个过程只使用了二氧化碳和水两种试剂,几乎没有污染物产生。两步处理后,甲壳素的纯度可达90%以上。相比传统工艺,新技术能够减少碳排量80%,总体成本也节省了一半。”陈熙说。

提取甲壳素之后,课题组利用贵金属纳米催化剂,一步转化加氢甲壳素得到了乙酰乙醇胺化学品,它可以用于捕集二氧化碳、制作染料、药物等。另外,通过结合预处理和硼酸催化剂体系,将甲壳素高分子转化为含氮呋喃化学品,含氮中间体为合成抗癌药物提供了重要原料。

目前,课题组已开发多种新型路径转化甲壳素,制备了20余种不同的含氮化学品。相关技术已申请专利,不久后将进行中试研究。

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