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上海交大“低碳天团”硬核成果让“垃圾”变成“宝”

2020-07-31 15:38:00    发布人:交大招生办管理员    点击:[395]

       “看得见”可回收物的垃圾分拣机器人助力垃圾分类、餐厨垃圾输出电能给手机电脑充电、探索“壳中玄机”使废弃虾蟹壳“变身”有用资源,在6月5日世界环境日即将到来之际,上海交大中英国际低碳学院的三个研究团队带来硬核“低碳”成果,让生活中随处可见的垃圾摇身一变,成了多样化资源。


手速快、目力好、节成本,超视觉垃圾分拣机器人“解放”人工助力垃圾分类

       这里没有身穿厚重工作服带着手套、口罩,埋头分垃圾的工人,取而代之的是不停往返的机械手以及穿插有序的输送轨道——上海交大中英国际低碳学院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。这款超视觉垃圾分拣机器人打破了国外技术垄断,每小时可分拣垃圾5400次,大大节约了人工成本,它的“目力”很好,可以快速在大量垃圾中精准识别可回收物,助力全国垃圾分类工作,帮助环保企业技术升级。目前,这款机器人已进入产学研技术推广阶段,团队将与国内环保头部企业对接合作与共同开发,使超视觉垃圾分拣机器人更快进入市场应用。

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手速快,每小时分拣垃圾5400次

       垃圾分类是一项工程量巨大、过程重复且枯燥的工作,源头分类任重道远。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,不但不卫生,也存在一定的危险。要处理数量庞大的垃圾,就意味着工人需要长时间进行工作,对工人的体力和精神力都是一项较大的考验。

       生活垃圾来源广、组成复杂、性状不一,传统的矿物分选技术如筛分、跳汰分选、重力分选、涡电流分选等,均具有一定的局限性,组合流程复杂、优化难度大,且需要较多的人工参与,无法满足垃圾分类的需求,急需有效的新技术作为补充。

       如何才能提高垃圾分拣的准确率和效率?机器人技术和人工智能是传统垃圾处理的好帮手。只要有电,它们就能够无止境地工作下去,十分适合大量、重复性、长时间作业。在减少资源浪费的同时又可以提高工人的工作质量和健康状况。同时还将提高以二次原材料身份重新进入生产过程的回收废物的速度和质量,从而减少对全新原材料的需求以及与这些原材料的制造和提取相关的污染和碳排放。

       “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%,最高分拣速度5400次/小时,工作时间24小时/天。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。” 该项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授李佳介绍说。

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目力好,打破国际技术垄断精准识别可回收物

       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,其技术壁垒非常之高。当前国内垃圾分拣自动化水平普遍偏低,自动化分拣设备严重匮乏。国产垃圾分拣设备主要集中在中低端产品,高端分拣机器人市场被国外厂商垄断。国外主流分拣机器人设备厂商依靠其技术垄断,制定严重畸形的市场价格,单台设备通常都在人民币500万到1000万元之间。

       李佳副教授团队依托国家自然科学基金、国家863高科技计划等项目,数年来产学研联合攻关,相继突破混杂物料图像快速识别、高速精准面激光空间定位、近红外指纹材质识别、多维信息耦合联用、机器人快速轨迹跟踪等十余项关键技术,实现了垃圾精细分拣机器人的核心技术国产化,开发出与国外产品基本处于同一个水平的产品,打破了垃圾智能分拣技术的国际垄断。

       “我们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,综合判断目标物的外部特征(颜色、形状、纹理等)与内部特征(材质),达到垃圾的精准定位与细分判别;通过free-model的超视觉技术,实现各品类、各形状、各表面材料的样品识别,无需逐个注册样品3D模型,极大降低部署时间和成本;通过轨迹优化算法,让机械臂走最优路径,显著提升分拣节拍;同时配合机器人轨迹跟踪算法及抓、放算法的开发,实现垃圾的自动分拣,完全代替人工,提高处理效率。”李佳表示。

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节成本,助力全国垃圾分拣、推进企业技术升级

       随着我国加速推行垃圾分类制度,全国垃圾分类工作由点到面、逐步启动、成效初显,46个重点城市先行先试,推进垃圾分类取得积极进展。2019年起,全国地级及以上城市全面启动生活垃圾分类工作,到2020年底46个重点城市将基本建成垃圾分类处理系统,2025年底前全国地级及以上城市将基本建成垃圾分类处理系统。超视觉垃圾分拣机器人可以为全国垃圾分拣工作降低不少成本,也可通过垃圾回收,为环保企业增加收益。

       李佳向记者算了一笔账,以国内某中部省会城市为例,生活垃圾中,食品废物约占60%,纸类2%,塑料为10%,玻璃为1%。废品价格中,纸类3500元/吨,塑料3000元/吨,玻璃800元/吨。其中塑料与纸类的价值最高。据此数据估算,每台设备每天正常工作20小时计算,每天可挑拣200吨垃圾,挑中率按照90%计算,可挑选纸类3.6吨,塑料类18吨,玻璃1.8吨。从而使垃圾减量约10%,减少了垃圾分类管理费用约1万元(每吨400元计算),回收物料价值6.8万元,每天为客户提高收益共计7.8万元。一年按照365天计算,将带来可观收益。

       而且在研发过程中,李佳副教授团队积极与业界同行企业紧密合作,非常注重产学研结合和技术推广,已将多项关键技术、关键部件用于这些企业的技术改造、产品升级,并产生了数千万元的经济效益。下一步,团队将与国内环保头部企业对接合作与共同开发,以期使超视觉垃圾分拣机器人更快的进入市场应用。

餐厨垃圾能源化系统将垃圾变身手机、电脑“充电宝”

       都说垃圾是放错了地方的资源,如何高效率的实现餐厨垃圾的资源化利用?每天餐桌上丢弃的餐厨垃圾又是怎样摇身一变,为手机或者平板电脑供电的呢?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的分布式餐厨垃圾能源化系统就能实现并解答这一切。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,其输出的电能大约可供1000台手机充电。

       该分布式餐厨垃圾能源化系统在上海交通大学与新加坡国立大学联合承担的重大国际合作项目“超大城市的能源与环境可持续发展解决方案”Create-E2S2项目的支持下,已经在新加坡国立大学率先应用,目前有一套系统正在上海交通大学中英低碳学院试运行,为城市发展中有机废物的能源化处理和扩大化商业化应用提供了有力的基础。

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多处理单元组合,废物原地变能源

       餐厨垃圾的来源非常分散,传统的做法是经过垃圾车收集后进行集中式处理。长距离的运输带来了高昂的成本,且运输过程中车辆带来的废气排放,垃圾散发的臭气等一系列问题也影响着居民的生活环境和健康,而缓解这一问题的方法之一就是尽量减少餐厨垃圾的远距离运输。

       团队研发的分布式餐厨垃圾能源化系统采用了临近垃圾产生源头的原位处理方式,将所有处理和能源转化设备集中在一个长为6m的移动式集装箱内。其中,整个系统的核心是厌氧消化罐,在餐厨垃圾被泵入厌氧消化罐之前,需要经过研磨、混合等简单操作来提高后续厌氧消化处理的效果。

       “按照特定的比例将厌氧微生物和餐厨垃圾混合后,在厌氧消化系统中,餐厨垃圾将会分解成沼气,随后沼气通过热电联产系统转变成电力和热力,而这些产生的电能就可以直接输出为附近人群提供手机充电以及其他服务。”该项目负责人、上海交大中英国际低碳学院副教授张景新介绍说。

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能量利用效率高,实现系统自我供电

       餐厨垃圾可以通过该分布式餐厨垃圾能源化系统产生电能,且厌氧消化过程中产生的富含营养物质的消化物可进一步加工作为肥料。但其中,电能和热能的转化和利用效率高低是团队研究者们十分关注的一个问题,这也直接决定着整个系统实用性和经济性。

团队通过对系统的调试和研究表明,整个系统产生的电能和热能能够满足其自身工作需要的电能热能。由于微生物作用需要保持在一定的最适温度下,沼气能源化产生的热量将通过加热水来使厌氧消化罐保持恒温。同时,系统产生的电能也远大于集装箱内灯光、风扇、泵、搅拌器等其他设施的耗电量,剩余的电能将被储存在电池中,用于其他用途。

       “餐厨垃圾的组成成分影响着系统的发电量,当组分中碳氢化合物、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。”张景新介绍说。同时,经过模拟计算,该系统处理一吨的餐厨垃圾的发电量为200-400kWh,换算下来,其产生的电能能够为13000-26000台手机充电。

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处理能力提升,推进系统广泛应用

       目前,在新加坡国立大学食堂附近应用该分布式餐厨垃圾能源化系统的结果表明,40kg餐厨垃圾足够供1000台手机充电。考虑到餐厨垃圾生产量的差异,团队对系统在200kg和400kg的餐厨垃圾处理量的情况下进行实验测试,提高系统的每日处理能力,以满足该系统在不同的处理量下均能有良好的处理效果和能源化效率。

       数据显示,新加坡的湿垃圾回收率仅为18%。自2019年上海市全面实施垃圾分类政策后,上海市湿垃圾分出量为9200吨/日,清运量为8200吨/日,而处理量仅为5050吨/日。湿垃圾生产量的快速增长和回收资源化能力不足也成为影响城市生活环境的严峻问题。

       “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并产生更多的能源,提高资源利用效率。在实现废弃处理的同时,最小化自然资源、能源的消耗以及二次污染,将线性经济的概念转变为循环经济,建设可持续发展的特大城市模式。”张景新说。


交大团队探秘“壳中玄机”,废弃虾蟹壳产出大用途

       各式各样的海鲜水产已经成为餐桌上受大众欢迎的食材,其中螃蟹、小龙虾是受青睐的品种之一。一条金枪鱼大约70%~80%的部分可食用,而甲壳类虾蟹的可食用部分通常为40%~50%,其余的重量大都集中在不可食用的壳上,人们在享用美食的同时产生了大量的虾蟹壳废弃物。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,在一定程度上助长了温室气体的额外排放。

       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,蕴含亟待开发的巨大价值。比如,碳酸钙可以被用作建筑材料、造纸填充剂等,蛋白质可以被用作动物饲料;甲壳素是世界上储量最大的生物质资源之一,是一种具有重要价值的高分子;甲壳素天然地含有碳元素和氮元素,且结构较为均一,为多种多样的含氮化学品的制备提供了一个天然的可再生资源平台,有望替代或补充化石资源路径为现代社会提供重要化工和医用产品。

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从自然界中获启示,突破甲壳素提取关键技术

       要对虾蟹壳废弃物的各个成分进行利用,首先要解决的是各组分提取分离的问题。从虾蟹壳中提取甲壳素,已经有一套较为成熟的传统工艺,通过使用盐酸除去碳酸钙、氢氧化钠高温除去蛋白质,从而获得甲壳素组分。但是这套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,环境危害较大、生产投入成本较高。在一些发达国家,出于环境保护方面的考量,该传统工艺已被禁止使用,因此,开发一种绿色、环保、经济的甲壳素提取方法是促进这类废弃物利用的一个关键条先决条件。

       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。技术思路来源于模拟自然,对于碳酸钙的分离,借鉴了自然界中钟乳石的形成过程,钟乳石中的碳酸钙在长期的水和二氧化碳的作用下被溶解而改变形状。新技术采用高压二氧化碳为一种绿色酸试剂,在水中溶解虾蟹壳中的碳酸钙,去除率达到95%以上。对于蛋白质的去除,类似煮肉汤的过程,通过180度高温水使蛋白质水解脱落,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,且成本低廉,两步处理后甲壳素的纯度可达90%以上。通过成分和碳排放计算,这项新技术比传统工艺能够减少碳排量80%,总体成本也为传统工艺的约一半。

“变废为宝”利用甲壳素“炼制”高附加值化学品

       有了从虾蟹壳中提取甲壳素的绿色技术后,就可以着手开发利用甲壳素制备重要化学品的技术。现代社会生活离不开各种各样的化学品,尤其是含有氮元素的化学品。例如,用来捕集二氧化碳的吸收剂乙醇胺、用来制衣料的尼龙,都是含氮化学品。在医药领域,85%的最畅销药物都是含氮化合物。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(提供碳元素),而氮元素的来源是合成氨工艺。合成氨工艺是氮气和大量氢气在高温高压下的反应,能耗大、碳排高。假如能够利用虾蟹壳废弃物中的甲壳素为单一原料,制备乙醇胺、含氮药物等,不仅会缩短反应路径、提高效率,而且会大大降低碳排放和总体能耗,是一项革新性的节能减排绿色工艺。

       甲壳素转化的关键技术是催化剂的开发。催化剂,被誉为化工界的“神奇魔术师”,能够化腐朽为神奇,使新反应发生、反应条件更温和、反应选择性提高。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。甲壳素转化的另一个重要技术是预处理,甲壳素高分子存在很强的分子间和分子内作用力,本身是比较难转化的,通过筛选建立了甲壳素的球磨预处理方法,采用一颗颗金属小球的机械力,将甲壳素分子“打碎”之后再进行转化,从而使反应可以在更温和的条件下发生。通过结合预处理和硼酸催化剂体系,成功将甲壳素高分子转化为了一种含氮呋喃化学品,而这种含氮中间体是合成抗癌药物的重要原料。目前已开发多种新型路径转化甲壳素制备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,海洋废弃虾蟹壳有望像石化资源一样,成为一种可制备多种化学品的平台资源,为未来含氮化学品的制备提供了极具价值的新思路。

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李佳 张景新 陈熙
上海交通大学中英国际低碳学院
       

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