Томские ученые научились делать керамику из банановой кожуры и активированный уголь из опилок и выброшенного пластика

5 декабря 2023 Известия

Фото: пресс-служба Томского политехнического университета

Утилизацию разного рода отходов обсуждают в России каждый день: в Екатеринбурге спорят о строительстве мусороперерабатывающего завода, в Архангельской области придумали, что делать с древесными опилками, а в Воронеже запустили проект по раздельному сбору мусора. В этой работе важны и новые технологии. Количество отходов в стране не уменьшается, скорее растет, а значит утилизировать нужно больше и быстрее. Российские ученые активно включились в этот процесс и предлагают незаурядные разработки: например, превращение мандариновой кожуры или скорлупы грецких орехов в керамику. Какие еще инновации удалось создать, «Известиям» рассказали научные сотрудники Томского политехнического университета.

Банановую кожуру — в керамику

Научный коллектив одного из старейших в России технических вузов, Томского политеха (ТПУ), разрабатывает новые способы переработки как промышленных, так и коммунальных и бытовых отходов. На выходе должны получаться полезные продукты, которые можно с теми или иными целями использовать снова.

Потребность в такой работе существует как внутри страны, так и во всем мире. Проблемы изменения климата и защиты окружающей среды продолжают оставаться насущными, поэтому запрос на инновации в этой сфере есть и у бизнеса, и у государства. За последние годы отрасль шагнула далеко вперед, и отечественные технологии во многом превосходят зарубежные.

«На самом деле это тема очень фундаментальная и несет глобальный характер. В зависимости от отрасли и класса опасности отходов существуют различные тенденции по развитию их переработки. Как пример: относительно недавнее достижение наших ученых — технологии повторного обогащения отходов ядерных реакторов. Этой технологией владеет только наша страна. Еще один наглядный пример — переработка шин автомобилей в различные продукты строительства и архитектуры. Таких примеров, на самом деле, много в различных отраслях. В лесной отрасли наиболее перспективное — это получение углеродсодержащих органических продуктов, таких как активированные угли, бифенилены, энергетические продукты», — рассказал «Известиям» директор Национального института экологии и климата, д.т.н. Гарик Гаспарян.

Он добавил, что в мире сейчас существует всего три основных способа утилизации отходов: переработка, сжигание и захоронение. И наименее применяемый способ — переработка, а он как раз подразумевает использование отходов в качестве вторичного сырья и получения какой-либо продукции.

Профессор кафедры теплоэнергетики Института энергетики КузГТУ, д.т.н. Александр Богомолов подчеркивает, что основная задача инноваций в этой сфере — не просто обеспечить быструю утилизацию промышленного или бытового мусора в больших объемах, но и преобразовать его во что-то необходимое.

«Технологии в сфере переработки отходов главным образом направлены на то, чтобы на выходе получались полезные и высокомаржинальные продукты. То есть мы должны добиваться того, что востребовано — чаще всего в химической отрасли. Она имеет возможность по свои технологиям переработать то, что получается, допустим, после пиролиза и газификации. При этом все процессы должны проходить с наименьшим выбросом СО2, то есть с наименьшим углеродным следом», — отметил он в беседе с «Известиями».

Одной из интересных задач для томских ученых оказалась переработка пищевых отходов. Из цедры цитрусовых, скорлупы кокоса и грецких орехов, кожуры банана, березовых листьев и газонной травы научились получать углерод. Это возможно благодаря термической утилизации в бескислородной среде. Из углерода, в свою очередь, можно изготовить керамику.

По словам профессора, руководителя стратегического проекта «Энергия будущего» ТПУ Александра Пака, проект встраивается в глобальную повестку четвертого энергоперехода, затрагивает процессы переработки отходов и получения из них полезных материалов, востребованных в технологиях новой энергетики. Свойства новой керамики, к примеру, позволяют использовать ее для фильтрации воздуха.

«Керамика из растительного углерода может не только улавливать углекислый газ, но и осуществлять утилизацию углерода. Это один из возможных вариантов решения задачи по декарбонизации, которая сегодня поставлена правительством страны», — отметил он.

Доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Кирилл Ларионов добавил, что углерод, полученный из растительного сырья, обладает уникальными свойствами за счет того, что у каждого растения своя структура.

«В нашем случае морфология полученного углерода повторяет морфологию растений, то есть имеет поры и другие особенности строения. Мы провели исследования и выявили, что из всех используемых нами растительных отходов углерод из цедры помело обладает отличными свойствами для получения тугоплавкой керамики», — пояснил ученый.

Старые покрышки — в «арктический» мазут

Еще одно перспективное и нужное направление — утилизация старых автомобильных покрышек. Каждый год в России выбрасывают около миллиона тонн шин, а перерабатывают, по данным Российского экологического оператора, 40-50%. Эта доля за последние годы ощутимо выросла, но пока каждая вторая покрышка всё равно остается на полигонах.

Ученые ТПУ смогли получить из них морозостойкий мазут. Для этого они впервые в стране испробовали метод паровой газификации. Полученное вещество не замерзает и не теряет своих свойств даже при −50 градусах, в то время как обычный мазут приходит в негодность в диапазоне от +10 до −10 в зависимости от марки. К тому же в морозостойком аналоге примерно в два раза меньше серы, а это один их основных загрязнителей атмосферы. Такое топливо сегодня широко применяется в Арктике для котельных и судов.

Вместе с мазутом получают газ, который можно вернуть в технологический цикл, и технический углерод в виде мелкодисперсного порошка. Его используют, к примеру, при строительстве дорог.

«Во всем мире выбрасывают около миллиарда тонн автомобильных шин. Часть просто остается на свалках, где даже под действием обычного солнечного света покрышки выделяют токсичные вещества, часть сжигается со значительным объемом вредных выбросов, еще 30% перерабатываются в крошку. Мы к покрышкам относимся не как к мусору, а как к источнику полезных для промышленности продуктов. И мы целенаправленно искали методы, позволяющие перерабатывать покрышки с максимальной пользой — экономической и экологической», — рассказал Александр Пак.

Опасные нефтяные отходы — в жидкие углеводороды и битум

Томские ученые также научились лучше перерабатывать отходы лесной промышленности, например, древесную стружку и щепу. Здесь тоже применяется пиролиз, то есть термическая утилизация в бескислородной среде. В итоге получаются древесный полукокс, горючий газ и пиролизное масло (горючее вещество).

«Это масло содержит „балластовую воду“, которая сильно снижает его энергетическую ценность. Воду необходимо удалять, но утилизировать ее простыми способами нельзя по экологическим соображениям. Однако в ней содержатся углеводороды, поэтому она может быть использована в качестве полезного сырья», — прокомментировал Кирилл Ларионов.

В ТПУ предложили использовать пирогенетическую воду в качестве жидкофазной компоненты водоугольного топлива. Это жидкое композиционное топливо, в состав которого могут входить разные горючие компоненты — например, низкосортные угли, отходы углеобогащения, жидкие горючие компоненты и твердые бытовые отходы.

В вузе смогли придумать и экологичный способ получения жидких углеводородов и битума из опасных для природы отходов нефтедобычи. В технологии используется водяной пар. Благодаря ему в результате парового пиролиза образуются жидкие углеводороды — аналог мазута с улучшенными свойствами. Еще два полезных вещества, кроме него, — полукокс и неконденсируемый газ.

«Мы провели экспериментальные исследования парового пиролиза нефтешламов на опытно-промышленной установке проточного типа для получения таких энергетически ценных продуктов, как жидкие углеводороды, полукокс, неконденсируемые газофазные соединения и битум. Процесс парового пиролиза проводился при температуре 650°С. Нашим целевым продуктом были жидкие углеводороды, и мы провели комплексные исследования их физико-химических характеристик, процессов распыления, капельного воспламенения и горения», — пояснил Кирилл Ларионов.

Опилки и пластик — в активированный уголь

Еще одна технология позволяет получить технический активированный уголь из опилок, резиновой крошки, нефтяного шлама и пластика с помощью двухстадийной термической конверсии. Это дешевле аналогичных методов и требует меньше энергозатрат.

На первом этапе исходное сырье непрерывно поступает в реакционную камеру пиролиза, и нагревается до температуры 700 градусов Цельсия. Получаются жидкие углеводороды, горючие газы и углеродный остаток — полукокс. Последний непрерывно перегружается в другой реактор поменьше с температурой до 1000 градусов Цельсия. В нем с помощью диоксида углерода или перегретого пара образуется активированный уголь.

«Технический активированный уголь можно использовать как сорбенты для систем очистных сооружений или сырья для изготовления различных материалов, например, карбидов. Сегодня производство такого угля достаточно дорогое из-за высокой энергоемкости и стоимости используемого сырья. В Россию этот продукт преимущественно импортируется из-за рубежа. Нам же удалось снизить стоимость конечного продукта и минимизировать энергетические затраты на его изготовление за счет того, что все компоненты для его получения мы делаем сами из отходов», — отметил доцент научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Томского политеха Константин Слюсарский.

Сейчас ученые готовят заявку на патент. На основе своей технологии они собрали полностью автоматизированную установку стадийной термической конверсии.

Известия