研究人员正在将我们的污泥、废料和烟雾转化为更高价值的产品
大自然充满了相互关联的循环。水以永无止境的循环流动，从地面流向天空，再返回地面。当生物死亡和腐烂时，碳和氮等元素会被地壳吸收并用于创造新生命。这些自然系统是闭环的，这意味着它们是自我维持的，没有起点也没有终点。人类存在于这些循环之中；像所有生物一样，我们既影响它们，又从中受益。但我们目前管理废物的方式既不可持续也不循环。我们产生的排放物以及我们丢弃的塑料、设备、食物和其他废物并不总是能重新回到地球的自然循环中。
相反，我们的大部分垃圾要么被堆放在快速增长的垃圾填埋场，要么污染环境，要么两者兼而有之。与此同时，我们的排放物在大气中积累，导致全球气温上升，生态系统遭到破坏。尽管我们迄今为止做出了努力，但迄今为止产生的约 70 亿吨塑料垃圾中只有不到 10% 被回收利用。
美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的研究人员正在努力实现更具再生性的未来——地球资源可持续循环。在这种被称为循环经济的经济体系中，产品的使用寿命在设计阶段就已规划好。这样，原本的废物就变成了创造新产品或翻新产品的宝贵资源。
阿贡国家实验室的科学家正在开发从报废电池和设备中回收和再利用贵金属和其他贵重材料的方法。他们还在开发将废物转化为有价值商品的技术。通过与行业合作伙伴、其他研究机构和当地社区合作，他们正在帮助缩小实验室发现与大规模社会影响之间的差距。
实现垃圾变宝的闭环
循环经济使工业生产闭环，将废物转化为制造新产品的原料。这意味着垃圾填埋场不再是堆积如山的腐烂垃圾，而是等待人们挖掘其宝贵材料的巨大宝库。
阿贡化学家、小组组长兼循环经济负责人马克斯·德尔费罗 (Max Delferro) 表示：“塑料含有大量能量。它就像预纯化的原油，而且已经从地下开采出来了。未来，随着技术的进步，挖掘垃圾填埋场中的塑料可能会带来经济激励。”
德尔费罗和他在阿贡的团队正在开发回收塑料废物的全新和改进方法。例如，他们使用称为催化剂的化学工具将塑料袋和薄膜转化为更高价值的产品，例如润滑剂和蜡。他们还在重新构想塑料产品的设计方式。
例如，作为美国能源部塑料合作再造研究所 (iCOUP) 的一部分，德尔费罗和阿贡大学和康奈尔大学的其他科学家开发了一种回收高密度聚乙烯 (HDPE) 或 2 型塑料的新方法。他们的技术将消费后的 HDPE 产品转化为一种新型塑料材料，可以反复回收而不会降低质量。
阿贡国家实验室的另一个团队正在改进电池和微电子设备的回收技术。
阿贡国家实验室材料回收研究与开发小组组长兼 ReCell 中心主任 Jeffrey Spangenberger 表示：“我喜欢回收的原因是，一开始你看到的是垃圾，很脏，很破损，但最后从设备中出来的是闪闪发光的金属和其他产品。起初它们很隐蔽，但里面却有很多有价值的东西。”
ReCell 中心位于阿贡，是工业界、学术界和国家实验室的全国性合作，致力于推进电池回收技术。回收电池和其他设备减少了对锂、钴和镍等电池所用稀有矿物的开采需求。将这些关键材料重新纳入生产循环还可以降低电动汽车电池的成本，这可能在减少二氧化碳 (CO 2 ) 排放方面发挥重要作用。
即使是社会上臭气熏天的废物流也可以用作有价值的原料。阿贡国家实验室的科学家梅尔特姆·乌尔贡·德米尔塔斯正在研究如何从城市、污水处理厂和工业过程产生的食品垃圾和污泥中回收资源。在实验室里，她和她的团队对当地餐馆、养猪场、酿酒厂、奶酪生产商甚至他们自己家里的垃圾进行了实验。
阿贡可持续材料和工艺部门负责人乌尔贡·德米尔塔斯 (Urgun Demirtas) 表示：“我的动机是让世界更清洁。任何没人希望出现在自家后院或城市的东西都会引起我的兴趣。”
Urgun Demirtas 和她的同事们正在将这些废物流喂给高度多样化和有弹性的微生物群落。通过消化，微生物群落可以处理有机废物流，如废水和污泥，并将其转化为燃料，包括可再生甲烷和可持续航空燃料。
为了尽可能多地关闭循环，这些过程中产生的营养丰富的残余物可以用作肥料或土壤改良剂。从废物中回收营养物质还有一个额外的好处，那就是防止有害藻类的繁殖，如果任其在环境中生长，就会造成有害藻类的繁殖。
阿贡国家实验室的研究人员 Haozhe Zhang 和 Jianxin Wang 正在试验一种能够有效将二氧化碳转化为有价值化学物质的催化剂。图片来源：阿贡国家实验室。
阿贡国家实验室首席水资源战略专家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授陈俊红也致力于加速水处理和资源回收技术的研发。
“水不仅对于维持我们的生活至关重要，而且对于几乎所有行业的产品制造也必不可少，”陈先生说，他担任美国国家科学基金会 (NSF) 授予的区域创新引擎五大湖 ReNEW 的联合首席研究员。“只要水与社会息息相关，循环蓝色经济就具有迫切的需求和机遇。”
在芝加哥水资源创新中心 Current 的协调下，五大湖 ReNEW 将与阿贡国家实验室和芝加哥大学合作，开发和部署改进的技术，从废水中回收关键矿物质和营养物并净化废水中的污染物。
例如，该团队正在开发一个横跨五大湖地区的互联传感器网络，以实时监测废水中不同物质的含量。这些信息可以帮助废水处理厂优化其设施来处理每天都会发生变化的废水。
解构科学
开发任何回收或资源回收方法的主要挑战是将有价值的材料和成分从其他废物中分离出来。以经济高效且环境可持续的方式分离它们是一个更大的挑战。
“我们花了一百年的时间开发塑料，使其具有非常特殊的性能，但直到最近几年我们才真正开始考虑如何负责任地将它们拆开，”德尔费罗说。“现在对科学家来说是一个激动人心的时刻，因为我们正处于一门新科学的开端：解构科学。”
例如，塑料垃圾通常不是纯塑料。它通常含有污染物和添加剂（如染料和阻燃剂），需要用一系列催化剂分离出来。这是一门复杂的科学。到目前为止，研究人员发现的回收塑料的最佳催化剂由稀有且昂贵的金属组成。
德尔费罗和他的同事正在努力利用美国可开采的地球丰富材料制造有效的催化剂，他的团队还与阿贡的另一个团队合作，评估他们正在开发的塑料对环境的潜在影响。
“我们必须确保即使可生物降解塑料分解，也不会对环境产生毒性，”德尔费罗说。“有很多事情需要考虑，所有这些都会促进循环经济。”
电池和微电子产品的回收也是如此。“这些废物中有很多都是被咀嚼或混合在一起的。为了使回收有利可图，你需要找到使用廉价且易于操作的技术来分离玻璃、塑料、金属、液体和其他材料，”Spangenberger 说。
现实世界中的回收工厂使用一系列机器，如粉碎机、强力磁铁和熔炉来分离不同的材料。即使它们涉及人工智能分拣机器人的更精细的操作，许多现有的从电子设备中回收可回收材料的流程效率低下、耗能或成本高昂。
Spangenberger 和他的同事正在帮助行业合作伙伴寻找最有利可图和可持续的回收方式。
例如，他和他的团队正在与丰田汽车工程与制造北美公司合作，探索使用 ReCell 中心开发的创新方法回收电动汽车电池。这种新方法称为直接回收，它将电池的整个组件分离出来，让它们完好无损地再次用于另一个电池。
这减少了从头开始制造组件所需的昂贵制造工艺。反过来，这种新方法可以帮助减少该国对其他国家电池材料的依赖。
该团队还在阿贡国家实验室建造了一个试点回收工厂。该工厂将允许该团队测试与现有技术相结合的新回收技术，并扩大工艺规模，以便在现实工业条件下使用现实原料进行测试。
分离也是处理和加工有机废物（如废水、污泥和食物垃圾）的一大挑战。这是因为废物流种类繁多且复杂。事实上，分离占将有机废物转化为燃料和其他产品的总成本的 70%。阿贡正在开发先进技术，以减少与有机废物分离相关的排放和成本。
阿贡国家实验室的研究人员 Haozhe Zhang 和 Jianxin Wang 正在试验一种能够有效将二氧化碳转化为有价值化学物质的催化剂。图片来源：阿贡国家实验室。
重新连接的科学
乌尔贡·德米尔塔斯等科学家之所以对污泥和其他有机废物如此感兴趣，其中一个原因是这些废物中含有丰富的碳元素。碳是许多燃料的主要成分，因为碳燃烧时会释放出大量能量。
这与大气中积累并导致全球变暖的二氧化碳分子中存在的元素相同。当我们燃烧化石燃料并释放二氧化碳时，我们同时损害了地球系统并浪费了大量宝贵的资源。
阿贡国家实验室的化学家刘迪佳正在努力将我们排放的碳的来源与可以将其用作美国产量最大的一些燃料和化学品的原材料的行业联系起来，这些原材料包括乙醇、乙酸、乙烯和丙醇，它们可用于制造汽油以及作为化学、制药和化妆品行业的中间产品。
刘和他的团队设想的未来是，我们生产的所有二氧化碳都将留在循环经济的闭环中，逐渐从大气中减少并无限地再利用。然而，使用现有技术将二氧化碳转化为燃料和化学品成本高昂且耗能大。
为了使该过程更加经济实惠，刘的团队正在制造更高效的催化剂，并开发一种名为电解器的二氧化碳转化装置。与现有技术相比，该装置在低温和低压下工作，并且可以快速开启和关闭，且不会损失太多能量。
这些特性使其非常适合与风能和太阳能等可再生能源相结合，而这些能源的可用性可能是间歇性的。
“为了在短期内实现盈利，我们的想法是利用可再生能源将当地产生的二氧化碳转化为增值化学品和产品，供当地消费，”刘说。“这样就省去了运输和配送相关的成本。”
可再生能源是科学家循环经济愿景的核心，但其广泛应用取决于经济实惠且高效的电池的开发，以帮助平稳解决间歇性能源供应问题。
我们看到，循环经济由相互关联的生产环路组成。电池回收技术的改进使电池更便宜。
更便宜的电池意味着储存和使用可再生能源的基础设施更有效。反过来，更便宜的电力降低了将二氧化碳和其他废物回收成更高价值材料的成本。改进的回收有助于再循环回收的矿物，从而进一步降低电池成本。良性循环仍在继续。
这些相互依赖关系也使开发可持续技术和基础设施变得具有挑战性。“等我们掌握了一种电池的回收方法后，就会发现一种更便宜、更可持续的电池，但需要不同的回收技术，”Spangenberger 笑着说。“当然，这种进展是好的。它表明我们正在接近我们的最终目标。”
跨行业和跨科学学科的合作与交流对于高效开发和实施这些技术至关重要。Great Lakes ReNEW 和 ReCell Center 等合作有助于在不同规模上验证新方法，从而加速其向市场的转变。
他们还与学术机构和当地社区建立联系，以培育包容性的创新生态系统并培养下一代科学家、工程师和政策制定者。
阿贡研究人员充分意识到未来的挑战，但他们仍然充满活力、充满乐观。
乌尔贡·德米尔塔斯说：“生产大量汽油花了大约 50 年的时间，生产大量玉米乙醇花了大约 20 年的时间，以满足我们今天的燃料需求。”
“通过专门的科学、教育和合作，我们实现更可持续能源未来的愿景只是时间问题。”
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