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视野 | 德国日本等国家将RFID技术融入固废处理领域

2019-11-07 来源:

  总体而言,环境大数据、互联网、人工智能等新技术都融入了固体废物资源化利用领域。美国、加拿大等开发了基于物/互联网技术的园区固体废物回收和产业共生决策算法及平台,使废物回收率提升了37%。德国、日本等采用无线射频识别(RFID)在垃圾清运、计量系统以及废物统计、监测管理等领域进行了应用。


  德国日本将RFID技术融入固废处理领域


  上世纪80年代以来,为缓解原料不足的状况,中国开始从境外进口可用作原料的固体废物,从而逐步成为全球进口和利用固体废物最大的国家。根据2017年海关统计数据,当年中国进口总量最大的固体废物类型为废纸、废塑料、废金属等。


  为进一步规范固体废物进口管理,防治再生资源行业带来的环境污染问题,2017年国务院办公厅印发《禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案》,并于2018年起分批调整了《进口废物管理名录》,至2019年底,新增的“禁止进口固体废弃物”将达到32个品种。


  在出台“洋垃圾禁令”的背景下,随着垃圾分类管理、“城市矿产”示范基地、“无废城市”建设等多项工作的深入推进,中国固体废物的回收利用率和利用量将继续提升,固废资源化利用空间仍然巨大。


  美国、欧盟、日本等发达国家和地区经过30余年的研究实践,建立了固体废物全过程精细化管控体系。


  固废处理新技术


  美国、欧盟、日本等发达国家和地区形成了较大规模的固废循环利用产业,主要国家在技术研发方面支持的力度也较大。


  例如欧盟“地平线计划”(Horizon 2020),在固废领域设立了专门的项目,在废旧材料再生、城市矿产等领域支持了一批研究项目;日本持续推进“循环型社会”发展计划,重要大宗金属近100%循环利用,并提出2035年固废填埋率降低到3%。


  总体而言,环境大数据、互联网、人工智能等新技术都融入了固体废物资源化利用领域。美国、加拿大等开发了基于物/互联网技术的园区固体废物回收和产业共生决策算法及平台,使废物回收率提升了37%。德国、日本等采用无线射频识别(RFID)在垃圾清运、计量系统以及废物统计、监测管理等领域进行了应用。


  例如,美国苹果公司开发了手机回收拆解智能机器人Liam和Daisy,十几秒钟就可以拆解一部手机;日本松下环保公司研发的机器人,可智能搬运、视频识别、精准定位、快速拆解智能装备,实现废旧家电高效拆解与树脂金属精细分离,铜纯度可达99%。


  此外,美国、欧盟还建立了IWEM、3MRA、EPACMTP、IWAIR等固废风险评估模型与基础数据库,对固体废物精细化管控提供了支撑。在废纸、废塑料、废金属等固废的资源化利用技术方面,发达国家也研发和应用了新的技术工艺,以提高固废资源化产品的附加值。


  废纸资源化利用


  欧美等发达国家已经建立了严格的废纸回收分级体系,例如美国将废纸分为51级,对每一级别废纸的用途、性能和来源做出了明确的描述和分类。


  传统的废纸回收主要用于生产再生纸,其处理过程通常包括机械研磨纤维化、脱墨、脱色、漂白、除黏土和胶黏剂等,但再造纸过程会导致纤维流失和纸张强度的损失,再生利用的次数有限,目前国外已有相关技术将废纸转化为制造家具和建筑等的新材料。


  例如,美国、德国、日本等国家的科研人员将废报纸中提取的纤维材料、木质纤维、水泥等材料混合,用于生产中密度纤维板。采用废纸制成的板材隔热、隔音效果好,价格低廉。


  德国的研究人员将废纸作为刨花板生产的原料,主要将其用作中间层或板材的芯层原料。美国的研究人员将旧报纸研磨成粉末,再与聚乙丙烯等聚合材料混合加热,使得混合物料熔化,注入成型机中成型,其防火性能和热稳定性能优于一般树脂材料。


  瑞士国家联邦实验室和Isofloc公司合作开发了一种由废纸制成的保温绝缘材料,可用于制作木结构及木屋配件等材料,其添加剂对人类、动物和环境无害,而且在防火方面具有应用价值。


  芬兰国家技术研究中心开发了一项综合利用废弃纸制品和废弃纺织物的技术,将废纸、旧衣料、废棉、木基纤维等制成黏胶型再生纤维。废纸还可以用于生产纸浆模塑制品,废纸产生的一次纤维或二次纤维为主要原料,并用特殊的模具使纤维脱水成型,再经干燥和整型而得到的材料,可用于食品、家电等商品的包装。


  除了利用废纸生产新型材料外,国外还有研究将废纸用于制造化工材料。新加坡国立大学工程学院的研究人员将废纸用于生产气凝胶,在2016年首次实现将废纸转化为绿色纤维素气凝胶,制备出无毒、轻巧、灵活、高强及防水的产物,可应用到石油泄漏清理、隔热和包装等许多领域。日本KataoKa Shigyo KK公司开发出以报纸为原料的生产乳酸的低成本方法,采用纤维素酶将废纸二次纤维制成葡萄糖,然后再通过发酵工艺生成乳酸。


  废塑料资源化利用


  2018年,联合国环境规划署首次聚焦一次性塑料污染问题;2019年,新修订的《巴塞尔公约》首次纳入废塑料管理的条款,将受污染、混合的“脏”塑料垃圾加入进出口限制对象;德国联邦政府已将减少塑料对环境的污染列入《高科技战略2025》的重点领域。


  废塑料资源化利用技术主要分为识别分选技术和处理利用技术两大类。


  日常生活消费产生的废塑料,如各种包装袋、饮料瓶、薄膜等,需要进行分选、除杂后才能资源化利用,因此塑料的识别和分选技术就非常关键,例如水力旋风分选、气浮分选等。


  在欧美国家,静电分离技术被应用于仅有二元混合塑料的分选,如ABS/PC(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物/聚碳酸酯)、PET/PVC(聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚氯乙烯)、PP/PE(聚丙烯/聚乙烯)等废塑料,废塑料碎片相互碰撞,在电场中因不同的偏离而被分离。还有采用泡沫浮选法的报道,其原理是使气泡黏附在特定聚合物的表面,分离具有相似密度的废旧塑料。


  目前,发达国家还开发了基于光谱技术的废塑料分选方法。例如,挪威托姆拉公司的AUTOSORT系统、德国比勒公司的SORTEX系列、德国S+S公司的VARISORT系列、法国PELLENC ST公司的MISTRAL等设备,采用近红外光谱技术,对塑料中的HDPE(高密度聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PE(聚乙烯)等废塑料进行精细化分选,其识别精确度和识别尺寸根据不同公司的算法存在一定的差异。


  传统的废塑料资源化利用技术是将其重新熔融造粒,用于生产再生塑料材料。针对不同的废塑料材料,还有等离子气化法、复合容积增容法、高温热解法、流化催化裂化法等技术,都已得到应用。


  奥地利埃瑞玛再生工程机械设备公司采用反向逆流技术,即废塑料与挤压螺杆机反方向旋转,提高废塑料回收的性能,降低生产过程中的温度,提高了再生塑料的处理能力和产量,该技术获得了2019年欧洲专利局(EPO)颁发的“欧洲发明奖”。


  奥地利施塔林格尔公司推出的两款新型塑料回收设备——reco STAR PET 330和reco STAR165,可应用于清洁废料、轻质薄膜和耐研磨塑料制品等的回收利用。


  荷兰设计师开发了第二代手工DIY塑料再生设备Precious Plastic。该设备由塑料粉碎机、挤出机、注塑机和旋转成型机组成,可将废旧塑料制成新的产品。


  日本积水化学工业株式会社开发了“三明治”填充技术,对废弃塑料进行利用,将废塑料用作生产物流货运箱,将高强度和塑性性能优越的塑料作为表层材料,将家庭消费产生的低强度废塑料用于中间填充材料。


  废塑料的能源转化技术也是发达国家的研究热点。例如塑料裂解技术,在无氧或缺氧的环境中,通过高温加热,使塑料分子中的碳链和碳氢链裂化为小分子烃类,得到的产物可分为热解气和热解油。


  日本研发了一种催化废塑料热解油化的技术(Kurata法),使得聚苯乙烯塑料热解油品中烷烃产率超过80%。


  美国科学家研发出一种能把塑料购物袋转化成柴油、天然气及其他石油产品的新技术。塑料袋本来就是石化产品的一种,以废塑料为原料进行蒸馏可得到近80%的燃料,高于原油蒸馏过程50%~55%的产率。


  由英国Cynar公司在爱尔兰建设的废塑料能源转化厂,日处理废塑料能力达10吨,其转化率达到95%。瑞士楚格市的废弃塑料被运输至Plast Oil公司,用于燃料油的生产。

  澳大利亚新南威尔士大学研发出一种将废塑料用于钢铁生产的聚合物注入技术(PIT),可以将炼钢生产中的总碳注入量减少10%~20%,节省碳注入物成本15%~35%,这项技术还可以大大减少废橡胶、废塑料造成的环境污染。


  废金属资源化利用


  目前,废金属的主要资源化利用方式仍是重新冶炼后作为再生材料,其中废金属的分选技术也是关键。


  欧美发达国家对废金属物料的分选已从单纯的依靠传感器技术发展到逐步融入图像处理、神经网络、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,其自动分选系统可根据分选任务和条件灵活地进行配置,可以分选出1~2毫米粒径的废金属颗粒,分选的准确率高达95%以上。


  例如,芬兰研究人员提出了一种结合双能X射线、机器视觉与感应传感器的废金属分选系统,在实验室条件下取得了较好的分选效果。


  电子废弃物中的废金属回收也得到越来越多的关注。


  例如,比利时优美科集团(UMICORE)将电子废弃物中的铜、铅、镍等送往铜冶炼设施,产生粗铅、镍砷渣和铜渣,其中镍砷渣含有铂族金属,贵金属以多尔合金的形式被回收利用。


  日本同和矿业株式会社将电子废弃物中的含金废片和连接器采用湿法进行处理,其溶解液经还原处理后可以提炼出贵金属。而电子基板、带皮铜线等金属材料,一般采用回转窑焚烧或采用热解方式处理,最终送到铜冶炼厂资源化利用。


  德国、比利时、瑞典等国家围绕多源金属熔池熔炼协同利用开展了系统研究,在均质化调控、多相反应及定向分离机制、高毒元素温和矿化等方面取得了突破性进展,形成了完整的技术体系与成套装备。


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