Немецкая премия будущего - 2010: проект №1
30 ноября 2010 г.
Пластмассы сегодня поистине вездесущи: годовая потребность человечества в пластмассах измеряется уже сотнями миллионов тонн. Между тем, сырьем для пластмасс служат, как правило, нефть и природный газ, а их запасы в природе, как известно, отнюдь не безграничны. Да и цены на ископаемые углеводороды низкими не назовешь.
Уже одно это делает неизбежным рециклинг пластмасс, то есть - возвращение их отходов в круговорот производство-потребление. Заодно рециклинг помогает сократить объемы мусорных свалок. Типичным примером тут может служить полиэтилентерефталат - широко распространенный полимер, хорошо поддающийся экструзии, литью под давлением и формованию. Из этого термопластичного соединения изготовляют, например, одноразовые бутылки для минеральной воды.
Пластиковые бутылки экологичнее стеклянных
У экологов они пользуются дурной репутацией: считается, что они засоряют окружающую среду и негативно влияют на климат, поскольку практически не поддаются биологическому разложению, то есть сохраняются в природе десятилетиями или даже столетиями в неизменном виде.
Новейшие исследования показали, что в плане экологии пластиковые бутылки не хуже, а даже лучше стеклянных, если в расчетах учитывать различие в энергозатратах на производство и транспортировку. Но реальную экологическую (а заодно и финансовую) выгоду это преимущество полиэтилентерефталатных бутылок может дать лишь при одном условии: что использованные бутылки будет утилизированы и в качестве вторсырья пойдут на производство новых бутылок. Этот процесс требует высокоэффективного разделения отходов и надежной очистки вторсырья от посторонних примесей.
Главное - избавиться от примесей
Именно такую технологию и разработали специалисты компании UniSensor в Карлсруэ, трое ведущих сотрудников которой - Гунтер Криг (Gunther Krieg), Юрген Болебер (Jürgen Bohleber) и Дирк Кристиан Фай (Dirk Christian Fey) - выдвинуты теперь на соискание Немецкой премии будущего.
Конечно, система сбора и переработки пластиковых бутылок существовала в Германии и многих других странах уже давно, но получаемое из этого утиля вторсырье содержало примеси других полимеров, то есть было недостаточно химически чистым, чтобы его можно было использовать для производства новых бутылок для пищевой промышленности. По большей части вторичный полиэтилентерефталат перерабатывался на волокно текстильного назначения. Но спрос на такое волокно невысок, невысока и его цена, а вот бутылок, напротив, нужно все больше и больше. Это и побудило промышленность задуматься об усовершенствовании прежних технологий рециклинга.
Инициатор инновации - Coca-Cola
Инициатором данной конкретной разработки был концерн Coca-Cola. Там решили обратиться именно к фирме UniSensor, поскольку она успешно справилась с предыдущим заказом на инновационное оборудование для концерна. В результате была создана технология, получившая название Powersort-200. В ее основу положена высокоскоростная лазерная спектроскопия. Вернее, сразу две разновидности лазерной спектроскопии - рамановская, именуемая также спектроскопией комбинационного рассеяния, и флуоресцентная.
Юрген Болебер, один из номинантов, поясняет, как выглядит процесс утилизации пластиковых бутылок: "Собранные бутылки прессуют, пакуют в крупногабаритные тюки и грузовиками доставляют на перерабатывающее предприятие; там после первой, самой грубой очистки их перемалывают - вместе с этикетками, клеем, остатками крышек и так далее - в гранулы диаметром от 2 до 12 миллиметров; затем этот гранулят проходит еще несколько этапов механической и химической очистки, после чего поступает, наконец, в нашу машину. Там поток гранул разгоняется до скорости 4 метра в секунду и подвергается лазерному облучению в широком диапазоне частот".
Спектральный отпечаток пальца
Это первичное лазерное излучение возбуждает молекулы анализируемого материала, в результате чего во вторичном - рассеянном - излучении появляются новые спектральные линии, по которым можно судить о химическом составе вещества. Эти линии являются своего рода оптическим отпечатком пальца того или иного химического соединения.
Оборудование, сконструированное номинантами, регистрирует и анализирует спектр рассеянного излучения от каждой гранулы, какой бы мелкой она ни была, причем многократно. Если он соответствует стандартному спектру, характерному для полиэтилентерефталата, грануле предоставляется возможность продолжить свой прежний путь в контейнер с чистой продукцией; если же детектор улавливает частицу примеси, то расположенное в нескольких миллиметрах за ним особое пневматическое устройство сдувает струей сжатого воздуха эту гранулу с исходной траектории и направляет ее в специальный контейнер для отходов. Самое замечательное в этом оборудовании - его скоростные характеристики, а ими определяется и производительность всей линии: спектры измеряются миллион раз в секунду!
Сфера применения расширяется
Первый прототип установки был смонтирован в летом 2006 года в Швейцарии, он успешно функционирует до сих пор. Однако тогда специалисты из Карлсруэ разрабатывали лишь сенсорику, системы спектроскопического детектирования, а вся механика закупалась на стороне. Сегодняшнее оборудование, запущенное в серию в январе 2008 года, уже целиком и полностью сконструировано и производится фирмой UniSensor.
За одну только первую половину текущего года компания поставила заказчикам пять готовых установок. А поскольку утилизация полиэтилентерефталата - все же довольно небольшая рыночная ниша, инженеры фирмы разрабатывают аналогичные системы для других сфер применения - например, для сортировки отходов электронной и автомобилестроительной отраслей.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева