Когда б вы знали, из какого сора: как ученые превращают отходы в сырье
Как известно, Анна Ахматова имела в виду стихи. Но сегодня ее знаменитая строчка подходит для описания целого ряда предметов и материалов, которые мы используем. Утилизация отходов — не просто модная тема. Это тема выживания планеты. И сегодня мы расскажем вам о нескольких интересных технологиях, позволяющих пустить в дело сырье, которое недавно отправлялось на свалку.
Топливо из пластика
Сейчас уже очевидно, что экологическая катастрофа, грозящая планете от загрязнения пластиком, не просто страшилка, которой пугают ученые. Полимерные отходы разлагаются не одно столетие и загрязняют не только почву, но и мировой океан. Млекопитающие, рыбы, птицы гибнут, проглатывая пластиковые отходы. От загрязнения водоемов серьезно страдает биосфера, зачастую разрушаясь необратимо.
По данным экологической консалтинговой организации Earth Action, в России только в 2024 году около 3,2 миллионов тонн пластиковых отходов попали в категорию неперерабатываемых. И это третье место в мире после Китая и Индии. Эти отходы не только не пошли в переработку, но даже не попали на полигоны ТБО, а попросту осели на незаконных свалках и, что еще страшнее, очутились в водоемах. Ученые всего мира, и России в том числе продолжают искать возможности для переработки пластиковых отходов.
Так, например, в Новосибирске недавно разработан способ получать качественное топливо из пластиковых отходов. Начать исследования в этом направлении ученым предложила «Национальная экологическая компания» (Ярославль), занимающаяся сбором, вывозом, обработкой, утилизацией и обезвреживанием отходов различных классов опасности.
Новый метод предусматривает в том числе использование и такого пластика, который ранее в переработку не шел, отправляясь на свалку или, в лучшем случае, после тщательной сортировки мусора сжигался. Именно к такому виду отходов принадлежат всем известные и массово используемые пакеты-маечки из супермаркетов и другие пленочные материалы. Уже давно экологи говорят о них как об одном из самых страшных загрязнителей планеты: по оценкам специалистов, на естественное разложение таких пакетов требуется около 1000 лет, да и то при условии прямого попадания ультрафиолетовых лучей. Таким образом, технология, родившаяся в недрах Новосибирского государственного университета, может стать настоящим прорывом в вопросах использования отходов, считавшихся ранее неперерабатываемыми. Методика, разработанная сибиряками, предусматривает также вторичное применение смеси разных сортов пластика и загрязненного сырья, которые ранее тоже считались непригодными для дальнейшей переработки.
Прежде чем превратиться в топливо, пластик проходит несколько этапов обработки. Первый — пиролиз. Сырье подвергается воздействию высоких температур (400–600°С) без доступа кислорода. В результате получается пиролизное масло. Далее следует очистка продукта: эта технология довольно широко применяется уже не один год. Однако ранее на выходе получалось топливо низкого качества. Чтобы улучшить его характеристики и сделать пригодным для использования в автомобильных и даже авиационных двигателях, необходима каталитическая технология.
Сибирские ученые взялись за решение непростой задачи: разработать, собрать и запустить каталитическую установку, способную синтезировать из жидкого продукта пиролиза полимерных отходов качественное топливо. Первые образцы полученной продукции не отвечали многим требованиям, предъявляемым к высокопробному горючему. Так, например, синтезированное вещество имело температуру замерзания около 0°, что делало практически невозможным его применение в реальных условиях, особенно с учетом климатических особенностей нашей страны. Нужна была кропотливая работа по подбору оптимальных катализаторов. Проблема заключалась еще и в том, что процесс происходит в микроканальных реакторах, т. е. оснащенных стальными «капиллярами» с миллиметровым диаметром, что многократно усложняет подбор катализатора. Однако в итоге сотрудники университета нашли состав, способный снизить до –20° температуру, при которой полученное вещество начинало затвердевать.
Опытная партия качественного керосина из переработанного пластика была произведена в лаборатории кафедры физической химии факультета естественных наук НГУ около полугода назад. После чего ее сотрудники проделали большую работу по исследованию характеристик полученного вещества, таких как температура вспышки и помутнения, его фракционного, группового, компонентного и элементного составов. Все эти показатели важны для определения сферы дальнейшего применения полученного синтетического топлива.
Пока установка, созданная сотрудниками лаборатории, конечно, не в состоянии производить топливо в промышленных масштабах. Но, по мнению ученых, сама технология вполне может стать рентабельной, ведь очевидно, что недостатка в сырье для такого производства не возникнет. При этом всего лишь 5% исходного вещества превращается в газ, в то время как остальные 95% — в качественное топливо. Специалисты уверены, что технология полностью готова к внедрению в массовое производство. Вопрос лишь в том, как быстро и в каких количествах будут построены и запущены установки для переработки неликвидных пластиковых отходов в топливо.
Отопительные пеллеты из лузги подсолнечника
«Шелуха от семечек» — так пренебрежительно называют нечто совершенно бесполезное, никому не нужный мусор. Количество шелухи, или лузги при производстве подсолнечного масла составляет 16–20% от общей массы семян, а у некоторых сортов достигает 50%. Ежегодно в нашей стране производятся миллионы тонн подсолнечного масла, в частности, по итогам 2024 года — 8 млн тонн. При этом на производство 1 литра (0.926 кг) идет в среднем 4 кг семян. Зная эти цифры, нетрудно вычислить, что ежегодно на изготовление подсолнечного масла в России уходит более 30 млн тонн семечек, от которых остается около 6 млн тонн лузги. И найти этому материалу достойное применение – очень важная задача.
Самый популярный на сегодняшний день способ использования этих отходов в производстве — изготовление топливных пеллет. Делать гранулы из древесины придумал американец Рудольф Гуннерман еще в 1976 году. Они сразу стали весьма популярны и производятся по всему миру до сих пор. Еще в 2006 году в России был запатентован способ получения топливных гранул из подсолнечной лузги. Массовое производство биотоплива из этих отходов началось в нашей стране в начале 2010-х годов. Сейчас его выпускают в Краснодарском крае, Воронежской, Тамбовской, Липецкой областях и других регионах России.
«Бросовое» сырье оказалось достойным конкурентом материалам, традиционно используемым при изготовлении гранулированного биотоплива. При очевидной экологичности сырья — не вырубается древесина, не сжигаются отходы производства масла — пеллеты, полученные из лузги также обладают и отличными топливными характеристиками. Теплоотдача при сгорании гранул из лузги подсолнечника в полтора раза выше, чем у некоторых сортов древесины и сопоставима с показателями каменного угля. К немногочисленным недостаткам такого топлива можно отнести относительно высокую зольность. То есть котлы, в которых будет использоваться подобное биотопливо, придется чистить чаще. Но даже тут есть свои плюсы, так как золу с успехом можно использовать в качестве удобрения. При этом уже сегодня выпускаются специальные котлы для использования пеллет из лузги, учитывающие специфику этого материала.
Бумага из стеблей хлопчатника
О том, что целлюлозно-бумажные производства сильно вредят окружающей среде, знают все, кто хоть немного интересуется экологической повесткой сегодняшнего дня. Эти предприятия используют большие объемы воды, поэтому их строят преимущественно на берегах крупных рек и озер. Отработанная вода сбрасывается обратно в водоемы и серьезно загрязняет их, разрушая экосистему. Экологическая обстановка вокруг целлюлозно-бумажных производств требует сегодня поисков новых источников сырья для производства бумаги без использования древесины. Такие исследования проводятся постоянно, и особый интерес представляют те, что рассматривают в качестве исходного материала при изготовлении бумаги различные отходы производств.
Исследователи из Северного Арктического федерального университета имени М. В. Ломоносова (САФУ) в Архангельске придумали интересный способ изготавливать бумагу без использования древесины. В качестве исходного сырья было предложено применять стебли хлопчатника, остающиеся после сбора урожая. Сегодня небольшое количество этих отходов идет на корм скоту, а основная масса попросту выбрасывается. Способ использовать это сырье в производстве бумаги предложил аспирант Высшей школы естественных наук и технологий Исмоил Содиков. Он показал, что, применяя технологию периодической варки, из стеблей хлопка можно производить волокнистый материал, схожий с целлюлозой, полученной из древесных материалов. Важно, что эта технология не требует строительства больших заводов.
Возникает лишь один вопрос, где взять сырье? Известно, что в нашей стране в промышленных масштабах хлопчатник не выращивается. Однако перспективы по внедрению технологии изготовления бумаги из стеблей этого растения для России есть, и они реальны. Заведующая кафедрой целлюлозно-бумажных и лесохимических производств Высшей школы естественных наук и технологий САФУ Наталья Щербак рассказала:
В Советском Союзе существовала практика малотоннажных производств волокна из однолетних растений. В Астрахани был завод, который делал ДВП из камыша, и этот строительный материал был востребован на местном рынке. Сейчас мы возрождаем старые идеи, трансформируя под новые условия, потому что появились новые виды оборудования, химикатов, ужесточились требования экологического законодательства и есть большой запрос на современные виды материалов.
Если учесть, что основные производители хлопка — Среднеазиатские республики и большая часть хлопкового сырья поставляется в Россию оттуда, то вполне реально ввозить вместе с самим «белым золотом» и отходы в виде стеблей.
Надо сказать, что идеи производить бумагу из самых разных «бросовых» материалов возникают постоянно. Некоторые из этих методов уже успешно применяются в промышленных масштабах, другие известны как увлекательное хобби. Большое распространение получила, например, каменная бумага, сырьем для которой служат такие минералы, как кальцит, известняк и мрамор. Технологию придумали на Тайване в конце ХХ века, а сейчас она применяется более чем в 40 странах мира, в том числе в Японии, Китае, Турции, Узбекистане. Интересны и новые работы по освоению в качестве сырья старых хлопковых текстильных изделий, ведь именно с этого материала начиналась история бумаги. Еще во II веке до нашей эры на родине бумаги в Китае сырьем для ее производства наряду с древесной корой и волокнами конопли служило тряпье. А как известно, новое – часто хорошо забытое старое. Уже около 20 лет бумагу из старого хлопка выпускают небольшими партиями в Москве. Используются в производстве бумаги и другие растения, такие как конопля, борщевик, водоросли. Так, например, в Санкт-Петербурге делают бумагу ручной работы из технической конопли. А в подмосковной Черноголовке ученые смогли сделать опытные образцы сырья для изготовления бумаги из сорного растения — борщевика Сосновского. Кстати, ученые из Инновационно-технологического центра «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» все того же САФУ получают целлюлозу из водорослей. Так что, возможно, и хлопчатник займет в этом ряду достойное место.
Стоит упомянуть и еще одну интересную работу сотрудников Северного арктического федерального университета, активно воплощающего в жизнь идеи изготовления продукции из нетрадиционного сырья. На этот раз речь идет о производстве сельхозудобрений из отходов алмазодобывающей отрасли. Это вещество — сапонит. Оно богато кремнием и магнием, а также содержит много других минералов, необходимых для роста растений. Эта разработка северян уже прошла стадию государственной регистрации продукта и готовится к сертификации. Более того, уже создана и запущена технологическая линия по переработке сырья в гранулы, удобные для дальнейшей транспортировки и применения.
Автор текста Наталья Сидорова
Изображение на обложке: Freepik