三亞分揀機(jī)器人果蔬分揀機(jī)器人結(jié)構(gòu)
機(jī)器人揀可回收物、餐廚垃圾給手機(jī)充電、蝦蟹殼有妙用……上海交大帶來這些低碳成果。
6月5日，世界環(huán)境日當(dāng)天，澎湃新聞（）記者從上海交通大學(xué)獲悉，中英國際低碳學(xué)院的三項(xiàng)最新研究聚焦環(huán)境保護(hù)、低碳生活，讓垃圾變成多樣化資源，為可持續(xù)發(fā)展添磚加瓦。
超視覺垃圾分揀機(jī)器人，“拯救”可回收物
機(jī)械手不停往返，識(shí)別、分揀可回收垃圾，輸送軌道穿插有序。
在中英國際低碳學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，固體廢棄物資源化技術(shù)與智能裝備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超視覺垃圾分揀機(jī)器人正在工作。
超視覺垃圾分揀機(jī)器人。本文圖片均為上海交通大學(xué)中英國際低碳學(xué)院供圖
“每小時(shí)可分揀垃圾5400次，它可以快速在大量垃圾中精準(zhǔn)識(shí)別可回收物，大大節(jié)約了人工成本?！表?xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大中英國際低碳學(xué)院副教授李佳介紹。
隨著垃圾分類制度的推行，全國垃圾分類工作由點(diǎn)到面，成效初顯。不過，生活垃圾組成復(fù)雜，干垃圾中往往混有可回收物。通常收儲(chǔ)后，工人需要用手將可回收的物品從大量垃圾中揀選出來。傳統(tǒng)的礦物分選技術(shù)具有局限性，組合流程復(fù)雜。
研究團(tuán)隊(duì)想到，可以通過機(jī)器視覺中的三種主流識(shí)別傳感系統(tǒng)，即CCD視覺、激光視覺、近紅外視覺相耦合，綜合判斷目標(biāo)物的內(nèi)、外部特征，精準(zhǔn)定位與細(xì)分判別垃圾。
李佳告訴澎湃新聞?dòng)浾撸ㄟ^free-model的超視覺技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各品類、各形狀、各表面材料的樣品識(shí)別；通過軌跡優(yōu)化算法，讓機(jī)械臂走最優(yōu)路徑；同時(shí)開發(fā)算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀。此外，團(tuán)隊(duì)還測試了干擾系統(tǒng)，以提高機(jī)器人的分揀精度。
“一個(gè)超視覺垃圾分揀機(jī)器人可以高精度分揀多種不同品類的垃圾，有效分揀率可達(dá)95%。生產(chǎn)線上每套設(shè)備布置2個(gè)機(jī)械手，相當(dāng)于替代了54個(gè)分揀工人的工作量?！崩罴呀榻B，這將提高廢物回收的速度和質(zhì)量，減少對(duì)全新原材料的需求。
垃圾分揀機(jī)器人的開發(fā)涉及光學(xué)、機(jī)械、控制、軟件等多學(xué)科技術(shù)體系，技術(shù)壁壘高。李佳團(tuán)隊(duì)數(shù)年來相繼突破十余項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了垃圾精細(xì)分揀機(jī)器人的核心技術(shù)國產(chǎn)化。
目前，這款機(jī)器人已進(jìn)入產(chǎn)學(xué)研技術(shù)推廣階段，團(tuán)隊(duì)將與環(huán)保頭部企業(yè)對(duì)接合作、共同開發(fā)，使研究成果從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入市場應(yīng)用。
一個(gè)移動(dòng)式集裝箱，能將餐廚垃圾變身“充電寶”
一個(gè)集裝箱可以一邊處理餐廚垃圾，一邊產(chǎn)生電能，讓附近人群可以在充電柜給電子設(shè)備充電。
充電柜，餐廚垃圾產(chǎn)生的電能可用于手機(jī)充電
在新加坡國立大學(xué)的食堂附近，一套分布式餐廚垃圾能源化系統(tǒng)已經(jīng)投入了應(yīng)用。重量為40kg的餐廚垃圾在投入系統(tǒng)內(nèi)的厭氧消化罐后，經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，隨后轉(zhuǎn)化為電力和熱力。結(jié)果表明，其輸出的電能大約可供1000臺(tái)手機(jī)充電。
這套能變廢為寶的系統(tǒng)由上海交大中英國際低碳學(xué)院有機(jī)廢物資源化研究團(tuán)隊(duì)與新加坡國立大學(xué)合作研發(fā)。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交大中英國際低碳學(xué)院副教授張景新介紹，餐廚垃圾的來源很分散，傳統(tǒng)的做法是經(jīng)過垃圾車收集后進(jìn)行集中式處理。而長距離運(yùn)輸需要高額成本，且運(yùn)輸過程中垃圾也會(huì)產(chǎn)生異味。
針對(duì)這個(gè)問題，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的分布式餐廚垃圾能源化系統(tǒng)就采用了原位處理的方式，鄰近垃圾產(chǎn)生源頭，將所有處理和能源轉(zhuǎn)化設(shè)備都集中在一個(gè)長為6米的移動(dòng)式集裝箱內(nèi)。
移動(dòng)式餐廚垃圾廢物能源化系統(tǒng)在一個(gè)集裝箱內(nèi)
其中，整個(gè)系統(tǒng)的核心是厭氧消化罐。經(jīng)過研磨、混合等簡單操作后，餐廚垃圾被泵入?yún)捬跸蕖?/p>
“餐廚垃圾的成分影響著系統(tǒng)的發(fā)電量，當(dāng)碳?xì)浠衔?、蛋白質(zhì)、脂肪的含量越高時(shí)，產(chǎn)生的沼氣越多，從而產(chǎn)生的電能也越多?！睆埦靶赂嬖V記者，經(jīng)過模擬計(jì)算，該系統(tǒng)處理一噸餐廚垃圾的發(fā)電量為200-400kWh，能夠?yàn)?3000-26000臺(tái)手機(jī)充電。
此外，系統(tǒng)不僅可以提供自身工作需要的電能和熱能，還可以直接為餐廳供電。張景新介紹，“除了餐廳和充電柜，未來，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能還能滿足附近居民區(qū)的用電需求?！?/p>
不止電能，厭氧消化過程中會(huì)產(chǎn)生消化物，其中富含營養(yǎng)物質(zhì)的還可進(jìn)一步加工作為肥料。
在實(shí)現(xiàn)廢棄處理的同時(shí)，厭氧消化系統(tǒng)可以有效減少有機(jī)廢物和城鎮(zhèn)溫室氣體的排放，提高資源利用效率?！皩⒕€性經(jīng)濟(jì)的概念轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)經(jīng)濟(jì)，有助于建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的特大城市模式。”張景新說。
集裝箱操作室內(nèi)部分結(jié)構(gòu)
“殼中玄機(jī)”，廢棄蝦蟹殼可供“氮”
吃完了蝦和蟹，丟棄的殼其實(shí)是含有很大的能源價(jià)值。
甲殼類蝦蟹的可食用部分通常為40%-50%，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有800-1000萬噸的蝦蟹殼垃圾產(chǎn)生，大部分蝦蟹殼被當(dāng)作垃圾直接丟棄或填埋，在環(huán)境降解過程中，它們釋放出大量二氧化碳和氮氧化物。
實(shí)際上，蝦蟹殼中的主要成分包括碳酸鈣、甲殼素和蛋白質(zhì)，是天然可再生資源。其中，甲殼素作為結(jié)構(gòu)單一的高分子，為含氮化學(xué)品的制備提供了一個(gè)天然可再生資源平臺(tái)。含氮化學(xué)品功能強(qiáng)大，例如，在醫(yī)藥領(lǐng)域，85%的最暢銷藥物都是含氮化合物。
然而，目前含氮化學(xué)品的工業(yè)制備主要原料為不可再生化石資源，氮元素的來源則是合成氨工藝，能耗大、碳排高。
假如能夠利用蝦蟹殼廢棄物中的甲殼素氮元素，從而來制備乙醇胺、含氮藥物等，不僅會(huì)縮短反應(yīng)路徑，而且會(huì)大大降低碳排放和總體能耗。
從蝦殼提取甲殼素流程圖
從蝦蟹殼中提取甲殼素，傳統(tǒng)工藝使用了強(qiáng)腐蝕性的酸和堿，對(duì)設(shè)備抗腐蝕性要求極高，并且產(chǎn)生大量酸堿性工業(yè)廢水。因此，開發(fā)一種綠色、環(huán)保的甲殼素提取方法是促進(jìn)廢棄物利用的關(guān)鍵條件。
上海交大中英國際低碳學(xué)院陳熙課題組和新加坡國立大學(xué)顏寧課題組合作，成功開創(chuàng)了一種溫和無污染的新技術(shù)來處理蝦蟹殼垃圾。
陳熙介紹，技術(shù)思路借鑒了自然界中鐘乳石的形成過程。新技術(shù)采用高壓二氧化碳作為綠色酸試劑，在水中溶解蝦蟹殼中的碳酸鈣。通過180度高溫水使蛋白質(zhì)水解脫落，類似煮肉湯的過程。
“整個(gè)過程只使用了二氧化碳和水兩種試劑，幾乎沒有污染物產(chǎn)生。兩步處理后，甲殼素的純度可達(dá)90%以上。相比傳統(tǒng)工藝，新技術(shù)能夠減少碳排量80%，總體成本也節(jié)省了一半?！标愇跽f。
提取甲殼素之后，課題組利用貴金屬納米催化劑，一步轉(zhuǎn)化加氫甲殼素得到了乙酰乙醇胺化學(xué)品，它可以用于捕集二氧化碳、制作染料、藥物等。另外，通過結(jié)合預(yù)處理和硼酸催化劑體系，將甲殼素高分子轉(zhuǎn)化為含氮呋喃化學(xué)品，含氮中間體為合成抗癌藥物提供了重要原料。
目前，課題組已開發(fā)多種新型路徑轉(zhuǎn)化甲殼素，制備了20余種不同的含氮化學(xué)品。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)專利，不久后將進(jìn)行中試研究。