Блог компании Онлайн Патент. Несколько фактов о чистоте нашей среды: ежедневно в мире образуется не менее 3,5 млн тонн твердых бытовых отходов. По данным Всемирного банка это в 10 раз больше, чем каких-то сто лет назад. Лидируют по отходам Канада, Болгария и США (данные издания USA Today за 2019 год). Впрочем, необходимо учитывать, конечно, вид отходов, источники данных и прочие составляющие. Тем не менее, факты упрямо говорят о правоте высказывания, которое приписывают физику Нильсу Бору: «Человечество не погибнет в атомном кошмаре — оно задохнётся в собственных отходах».

А что же Россия? Международная организация Greenpeace как-то подсчитала, что если из мусора, который ежегодно образуется в нашей стране, построить башню толщиной один квадратный метр, то она бы дотянулась до Луны.

К 2020-му году на наших просторах накопилось более 38 млрд тонн промышленных и бытовых отходов. В 2021 году российские предприятия побили своеобразный рекорд — объем промышленных отходов достиг 8,45 млрд тонн. Твердых коммунальных отходов (ТКО) гораздо меньше, но и здесь цифры начинают пугать: по данным Счетной палаты РФ только в 2019 году было образовано около 65 млн тонн ТКО. И каждый год показатель растет на 1–2%.

Отходы можно перерабатывать, сжигать, или просто закапывать. В развитых странах обычно используют комбинированный подход. В Германии перерабатывают 48% мусора, во Франции — 22%, в США — 34%. В России же свыше 90% отходов отправляется на полигоны и свалки, и лишь 7% — на переработку. Согласно исследованию НИУ ВШЭ за 2018 год до переработки доходит только 12% пластика, среди которого 42% — ПЭТ-тара. Есть о чем задуматься.

В этой статье мы остановимся только на теме переработки отходов, а именно на новых и, самое главное, запатентованных способах переработки мусора (в основном пластика) в нечто полезное для человека, будь то строительство, искусство или топливо.

Кому нужна переработка?

Если взять любого крупного производителя пластика или упаковки, то у него обязательно найдется подразделение, которое занимается переработкой вторсырья. Так, Tetra Pak совместно с российским предприятием организовал перерабатывающий завод в Липецке. PepsiCo и Nestlé входили в ассоциацию производителей «РусПРО», созданную в 2018 году, которая стремится следовать концепции расширенной ответственности производителей.

Как бы ни сложилась судьба этих совместных предприятий в нынешний период вынужденной изоляции, как правило, производители пластика во всем мире собирают и перерабатывают отходы (часто собственные) через организации ответственных производителей. Концепция такой структуры впервые была представлена в Правилах обращения с пластиковыми отходами (Plastic Waste Management Rules) в 2016 году.

Большой проблемой идеи переработки пластика производителями (впрочем, как и независимыми организациями) является прозрачность процесса и слабая инфраструктура управления отходами. Даже в развитых странах сбор отходов не является систематическим, и значительная их часть попадает на неофициальные и нерегулируемые площадки. Власти часто закрывают глаза и на непрозрачность сделок, и на экологическую ситуацию. Переработка отходов развивается в основном как реакция на стоимость отходов, обусловленная местным промышленным спросом.

Уже ни для кого не секрет, что бедные и развивающиеся страны (особенно Юго-Восточной Азии и Африки) стали выгодным полигоном, куда «прогрессивное» человечество сбрасывает свой мусор. Очень часто он попадает туда именно «под соусом» переработки, о чем свидетельствуют различные исследования. «Высокие технологии» западных стран позволяют им бороться за экологию только внутри собственных границ. В результате, импорт мусора, в конечном счете, стал важной частью глобальной экономики и приносит импортирующим странам хороший доход (например, Китаю в начале 2010-х — $11,5 млрд ежегодно).

Все гениальное просто

Тем не менее, переработка пластика существует не только в фантазиях наивного потребителя, который искренне надеется на разноцветные контейнеры для раздельного сбора отходов. Инженеры и химики различных компаний ищут незатратные и действующие способы дать мусору вторую жизнь. Приведем лишь несколько примеров.

Так, «СИБУР Холдинг» разработал уникальный состав концентрата, позволяющий после переработки вторсырья (например, пластиковых бутылок) получить новый полимер, обладающий качественными свойствами первичного. Такой эффект достигается благодаря тому, что концентрат повышает вязкость получаемого материала.

Как уточняется в описании патента на изобретение, композиция концентрата включает удлинитель цепи и добавку в количественном соотношении их от 15:1 до 1:1 по массе. Добавка представляет собой пластификатор, выбранный из группы соединений, включающей простые эфиры, сложные эфиры, фосфорорганические соединения или же их комбинацию.

Преимущество изобретения в том, что оно решает главную проблему вторичного сырья — оно не идентично по своим свойствам первичному. Как правило, оно обладает меньшей молекулярной массой и меньшей вязкостью расплава. Это свойство и осложняет процесс производства готовой продукции. И с этим минусом призвано бороться изобретение «СИБУР Холдинга».

Проблему с вторичным сырьем из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) пытается решить и компания Neo Group (литовский производитель пластиковой упаковки), которая в 2020 году инициировала в ЕС процедуру патентования собственной технологии переработки ПЭТ-упаковки. По заявлениям авторов изобретения, она позволит производить вторичный ПЭТФ, содержащий до 30% сырья из использованной полимерной упаковки, который будет идентичен первичному пластику. Прелесть в том, утверждает генеральный директор предприятия, что для переработки не нужно будет настраивать дополнительно свое оборудование или вносить какие-то изменения в производство своей продукции.

Элегантное решение применения переработанных пластиковых отходов придумали в 2015 году Нидерландах. Изобретатели Анне Кудстаал и Симон Йорритсма, сотрудники компании KWS, дочки крупного европейского подрядчика строительных услуг VolkerWessels, разработали концепцию строительства дорог из переработанного пластика — PlasticRoad. Они собираются из модулей, которые легко крепятся друг к другу, модули полые внутри, благодаря чему в них можно прокладывать коммуникации.

Впрочем, голландцы не единственные, кто пытается развивать идею пластиковых дорог, которые могут быть также вторично переработаны. Судя по данным Европейского бюро, эстонские изобретатели в прошлом году также получили патент на пластиковый модуль для дороги.

Не только пластик

Разумеется, вторсырье это не только пластик, и некоторые стартапы предлагают интересные и подчас элегантные решения переработки отходов производства.

Например, на пивоваренных заводах после производства пива образуются отходы в виде пивной дробины, состоящей из остатков оболочки ячменя, частичек зерна, насыщенных белком и жиром. Остаточная гуща содержит множество ценных пищевых компонентов и, чтобы это «добро» не пропадало, в России была разработана оригинальная технология с получением продукта с высоким содержанием белка, который можно использовать в спортивном и диетическом питании.

Патент на изобретение компании «БиоВи», полученный в 2020 году, описывает способ разрыхления дробины на вибросите, ее измельчения в несколько этапов и разделения на фракции, в результате чего получается концентрат с высоким содержанием белка, сохраняющий аминокислотный состав пивной дробины, а также с низким содержанием жиров. Изобретение позволяет увеличить количество белков до 50–65 масс.% в сухом остатке. При этом количество отходов, направляющихся на утилизацию, является минимальным.

Все мы помним о сборе макулатуры, который был призван спасти от вырубки леса. Изобретательные голландцы решили развернуть этот процесс на 180 градусов. В 2003 году выпускник Академии дизайна Эйндховена Мике Мейер основал проект NewspaperWood, который позволяет превращать бумагу в подобие древесины. Материал получается водостойкий и огнеупорный, а по прочности не уступает обычной древесине.

Патент описывает технологию, которая заключается в смазывании слоев газет (именно газет, в этом интересность изобретения) специальным составом и спресовывании. При этом газетные листы необходимо склеивать под причудливыми изгибами, а затем помещать под пресс. На выходе получается древесина необычной фактуры, которую предпочитают даже не красить.

Даже первые мебельные изделия, выполненные из этого материала, которые Меийер представил на Миланской неделе дизайна в 2011 году, вызвали ажиотаж и на изобретателя посыпались заказы на производство оригинальной продукции.

Отходы — в топливо

Сегодня, на фоне развивающегося энергетического кризиса, наиболее прогрессивным можно считать процесс, когда мусор перерабатывается не просто во что-то полезное, но в то, что может стать альтернативным топливом. Экологически чистое топливо становится приоритетным технологическим направлением в странах с устойчивой экономикой. Считается, что так называемое «зеленое топливо» способно помочь достижению часто утопичных целей Евросоюза по декарбонизации экономики.

Россия не отстает от повестки и, кроме того, входит в тройку стран-экспортеров твердого биотоплива (после Канады и США) на европейском рынке. Существуют собственные инновационные технологии, например, по переработке растительного и животного сырья, продуктов жизнедеятельности организмов, а также некоторых промышленных органических отходов. Приведу несколько примеров технологий, которые созданы и запатентованы отечественными учеными.

Сотрудники Тамбовского государственного технического университета и Акционерного общества «Продмаш» создали технологию термического разложения биомассы отходов. Патент RU2718051 описывает способ окислительной торрефикации биоотходов (нагрев и выдержка в бескислородной среде при температуре в диапазоне 200 — 300 °C) в кипящем слое, образованном самими частицами обрабатываемой биомассы. От других способов он отличается тем, что газовая смесь содержит уходящие дымовые газы котла и продукты сгорания газообразных продуктов торрефикации, причем «уходящие дымовые газы котла содержат 2–12% (объемных) кислорода, а газообразные продукты торрефикации перед сжиганием подвергаются гетерогенному термическому крекингу в слое углеродосодержащих частиц при температуре 850–1000°С».

Авторы метода утверждают, что технический результат нового способа это значительное повышение энергоэффективности и надежности процесса торрефикации биоотходов. При этом, способ можно применять для отходов растениеводства (например, соломы), перерабатывающей промышленности (лузга подсолнечника, проса, гречихи, риса и других культур), лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также некоторых видов коммунальных и бытовых отходов.

Другой пример. Ученые Всероссийского научно-исследовательского института по переработке нефти разработали технологию переработки до 95% массы мазута в судовое топливо, которое, помимо прочего, соответствует требованиям ГОСТа.

Патент RU2671640 свидетельствует о том, что новый способ позволяет выработать «с высоким выходом малосернистое остаточное судовое топливо и компоненты моторных топлив при относительно мягких условиях». В результате, с помощью нескольких стадий гидрооблагораживания с применением различных катализаторов, фактически на выходе получается топливо из отходов нефтяного производства. Помимо переработки нефтяных отходов, данная технология позволяет заправлять суда без лишней траты ресурсов.

Та же команда ученых еще десять лет назад запатентовала способ получения моторных топлив, который также может быть использован в нефтеперерабатывающей промышленности. Он включает в себя ректификацию нефти с получением мазута и дальнейшую перегонку с получением вакуумного дистиллята и гудрона. Последующие процессы кернинга, коксования и гидрирования позволяют получить фракции, использующуюся для получения бензина или других технологических целей, а также для получения дизельного топлива.

В результате, по утверждению авторов, можно получать бензиновый компонент, характеризующийся октановым числом 97–98 И.М., отсутствием серы, содержанием ароматических углеводородов 63–80 мас.%. Соответственно, при смешении с другими компонентами (алкилаты, изомеризаты, спирты, эфиры) он обеспечивает получение товарных автомобильных бензинов АИ-92 и АИ-95 (ГОСТ 51866).

Еще один схожий способ разработан и запатентован Федеральным исследовательским центром «Института катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук». Он представляет собой катализатор для одностадийного процесса получения экологически чистых компонентов дизельных топлив из возобновляемого растительного и животного сырья, в том числе топлив с улучшенными низкотемпературными свойствами.

Как видно только из этих нескольких примеров, технологии переработки отходов, в том числе для получения биотоплива, появились не вчера. Вот только широкое распространение они могут получить, когда их станет выгодным с коммерческой точки зрения. Но это, видимо, произойдет только после заката нефтяной эры. То есть не в краткосрочной перспективе. Увы.