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為循環經濟尋找新技術

2021-08-20

氣候變化和可持續發展是當代人類面臨的最重大課題之一。人類生產的許多產品都含有一些可重復利用卻未被回收的成分,這既污染了環境,又浪費了寶貴資源。改變傳統的“生產、使用、丟棄”的線性模式,代之以“回收、循環、再利用”的新模式是循環經濟的本質。

當前,世界各國的科學家都在積極推動與循環經濟相關的技術發展。作為美國能源部下轄的實驗室,阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory,ANL)近年來不斷在可持續發展和清潔能源領域加大投入,開展了一系列值得關注的探索性研究。

1. 城市就地挖礦

使用過的鋰電池已經成為一大環境問題。據統計,目前全球每年廢棄的鋰電池數量超過50萬噸,到2030年全球每年將產生200萬噸的鋰電池廢料,這一數字到2040年或將達800萬噸。雖然全球目前已成立多家鋰電池回收企業,以回收電池中的關鍵材料(如鋰、鈷、鎳等金屬元素和石墨等),但這些企業卻很難獲得利潤。隨著鈷等貴金屬用量的逐步減少,回收行業的利潤也將難以為繼。

美國能源部于2019年投資1500萬美元(3年期)、聯合阿貢國家實驗室、國家可再生能源實驗室、橡樹嶺國家實驗室以及伍斯特理工學院、加州大學圣迭戈分校和密歇根理工大學,共同組建了Recell中心,該中心由阿貢實驗室領導。作為美國第一家致力于研發鋰電池回收利用的中心,其目標是通過開發新工藝和新手段,降低鋰電池回收的成本(將電池回收成本降低至每千瓦時80美元),使這一行業變得有利可圖,并減少對外國礦物資源的依賴。該中心的研究聚焦于四大主題:

設計可循環利用的材料。即從設計伊始就將電池材料的可循環利用性考慮在內。目前阿貢正在考慮的一個選項是棱柱形的軟包電池,這種電池使用壽命到期后經過特殊的“沖洗”工藝將無用的廢物清理掉,再填充進電解液后,就可作為新電池重新使用,這樣一來,電池的壽命將大大超過目前的10年;

直接對電池陰極進行回收。陰極材料是鋰電池中最寶貴的部分,含有包括鋰在內的多種重要元素,是大多數回收努力的目標。陰極的晶體結構也有相當價值,因此陰極直接回收是指保留它的結構。據統計,如果能實現這一點,電池的總體成本可降低5%30%。目前阿貢的研究人員已測試了至少9種方法,包括從降解的陰極材料中完全回收鋰;

回收其他電池材料。除陰極外的其他材料,如電解液、陽極材料等。目前,Recell中心的合作伙伴之一——橡樹嶺國家實驗室的研究人員已經能夠成功回收鋰電池搗碎后留下的“黑色物質”(black mass)——陽極和陰極粉末的混合物;

建模和分析。僅僅在實驗室取得良好結果還遠遠不夠。建模和分析工作旨在篩選成功的實驗室項目,決定其是否適合工業放大以便商業化。

阿貢實驗室循環經濟計劃負責人兼化學與工程部主任辛西婭·詹克斯(Cynthia Jenks)將上述這些工作稱為“城市挖礦”——從城市的垃圾填埋場或回收中心就可以獲取某些珍貴的材料,減少了從外國的進口,還可以改善國家能源安全。

2. 重新思考塑料

據統計,目前全球每年生產大約4億噸塑料,預計到2050年將達到18億噸。僅美國2018年就生產了大約3500萬噸塑料,而其回收利用率不足9%,

即使部分廢棄塑料得到了回收利用,但最終加工出的產品往往比原先產品的品質和價值要低。為此,阿貢實驗室的研究人員正與其他機構合作,通過多種途徑來提高塑料的可循環性。

一是研發新催化劑降低塑料降解的勢能和門檻。聚乙烯(塑料袋的主要成分)等之所以難以降解,是因為碳-碳鍵非常牢固,要打破它通常需要耗費大量的能量。美國阿貢實驗室與埃姆斯實驗室、西北大學、康奈爾大學、南卡羅來納大學以及加州大學圣巴巴拉分校的科學家合作,設計出了一種新型催化劑——將只有兩個納米大小的金屬鉑粒子置于100納米大小的鈣鈦礦(perovskite,在催化反應所要求的溫度和壓力下非常穩定)之上,工藝采用了由阿貢和西北大學共同開發的“原子層沉積法”(atomic layer deposition approach)。結果表明,在無需很高的溫度和壓力下,運用此催化劑就可以將純聚乙烯或商用塑料袋轉化為高質量液態產品。

二是從源頭開始設計可重復使用的塑料材料。塑料在最初被發明時并沒有考慮它的可降解性。按照芝加哥大學分子工程學院教授、同時供職于阿貢實驗室的斯圖瓦特·羅文(Stuart Rowan)的說法,“人們之前從不考慮塑料用完后怎么辦,因為人們總是可以生產更多”。從工業角度看,如果在設計時就考慮到它未來的可降解性,可能會起到事半功倍的效果,而以植物為原料制造塑料是努力方向之一。目前,羅文及其團隊就正在探索利用植物纖維素制造生物塑料。構成植物細胞壁的纖維素是一種天然的聚合物,但目前已上市的一些植物纖維素塑料在強度和耐久性上還不能與傳統塑料相比。為解決這一問題,羅文團隊正在從一種叫“奇崗”(Miscanthusgiganteus)的多年生草本植物中提取纖維素納米材料,他們開發的提取工藝已達工業級。目前,該團隊正在對工藝進行改進,以提高生物塑料對溫度的耐受性和阻隔性,以便更好地用于包裝等行業。

對于塑料廢棄物的另一大來源——消費類電子產品(如智能手機、筆記本電腦、電視機、視頻游戲控制臺以及所有配件等),羅文和芝加哥大學分子工程學院教授以及阿貢實驗室的水資源專家陳俊宏(Junhong Chen,音譯),也正在探索如何從源頭上設計這類電子產品。

2020年,羅文、陳俊宏和來自芝加哥大學、西北大學、伊利諾伊大學厄巴納——香檳分校(UIUC)、伊利諾伊大學芝加哥分校的多位研究同事從美國國家科學基金會(NSF)申請到了一筆915萬美元的研究基金,力爭在5年內開發出一套能生產生物可降解電子設備的3D打印系統。該系統同樣使用從植物中提取的纖維素納米材料作為“墨水”,并且可根據電子設備的不同用途被設計成具有不同的金屬、超導或絕緣特性。目前,羅文正與UIUC的植物學家探討不同的生長條件如何影響纖維素納米材料的產量和類型以及其功能特性。據悉,該團隊已經利用植物材料3D打印出簡單的電子傳感器,反過來用以監測植物生長的溫度、光照、濕度等,這樣的反饋回路有助于進一步改善整個工藝,最終制造出更先進復雜的設備和電池。陳俊宏說,希望這樣的系統和平臺能夠鼓勵更多的生物制造,從而最大限度地減少對環境的負面影響。羅文則說,他毫不懷疑這項技術的潛力,隨著更具功能性且可持續的材料被發掘出來,避免塑料廢棄物大量產生和建設循環經濟前景可期。

此外,該團隊還在與芝加哥大學和阿貢實驗室的其他材料科學家合作,運用人工智能和機器學習手段尋找或設計下一代可循環利用或更容易生物降解的塑料。

3. 管理二氧化碳

不管是開發新塑料還是量子材料,循環經濟的主要目標實質上都是找到可逆地使用碳的方法,即讓碳在不同產品中實現循環利用。

阿貢實驗室化學家格魯薩克(Ksenija Glusac)及其團隊就在探索用制造過程中直接捕獲的二氧化碳生產其他化學品,也就是說,二氧化碳被封閉在幾乎無限循環的生產過程中,避免被釋放到大氣中。目前,該團隊正在試驗用工業生產中釋放出的二氧化碳制造甲醇(但也在考慮制造其他化合物)。甲醇有多種用途,可用于制造其他許多化學品,也可將其注入燃料電池中發電。

除了捕獲工業過程排放的二氧化碳外,格魯薩克和同事的長遠目標是直接從空氣中捕獲。后者目前面臨的主要障礙是如何在做到捕獲二氧化碳的同時避免將其他重要成分如氧氣也摻雜進來。格魯薩克承認,這要花數年時間才能實現。

在另一項行動中,阿貢與北伊利諾伊大學合作開發出一種較廉價的將二氧化碳和水轉化為乙醇的方法。通常情況下二氧化碳十分穩定,將其轉化成其他分子需要耗費大量能量,轉化過程十分昂貴。但阿貢科學家發現的新型電催化劑大大降低了二氧化碳和水轉化為乙醇過程中的能量門檻,并對最終產品有高度的選擇性(超90%)且成本較低,被認為是該實驗室2020年最重要的8項科學突破之一。目前,該實驗室的研究人員正在探討將該催化過程與可再生能源電網相結合,使用非用電高峰時段由風能或太陽能的發電進行催化,以達到進一步降低溫室氣體排放的目的。由于該催化過程在低溫和低壓下即可進行,可以迅速啟動和暫停,因此對于可再生能源發電的間歇性完全可以應付自如。該項研究利用了阿貢實驗室的“先進光子源”和“納米材料中心”(CNM)兩個大型設施。

阿貢實驗室的這些循環經濟新思路和新做法有很多仍處于早期階段,有些還剛剛成型,成熟些的也只是過去幾年才投入使用。但阿貢實驗室的這些探索性研究無疑為人們提供了新的思路。同時,這些研究具有潛在的雙重價值——既有利于保護環境,也有利于提升能源和供應鏈安全。

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