Рост темпов накопления мусора, в отличие, например, от ускоренного расширения Вселенной, – проблема для большинства населения Земли отнюдь не умозрительная, а самая что ни на есть животрепещущая и неприятная. И нелицеприятная. Американский популяризатор науки Крис Вудфорд в этой связи придумал новое определение современного человека, назвав его просто машиной для производства мусора. По его подсчетам, в среднем каждый американец сегодня производит около 3/4 т отходов в год, что для агломерации Нью-Йорка составляет ежегодно около 15 млн т. По статистике Евросоюза, в 2015 г. производство бытовых отходов на его территории в наиболее мусорящих странах было сопоставимо с американским, однако территориально разнилось весьма существенно. При этом с 1995 по 2015 г. в 16 из 31 страны количество мусора постоянно росло. Что касается российской статистики, то, согласно оценкам, россияне генерируют 77 млн т отходов в год. В Москве ежегодно накапливается около 13 млн т мусора различного вида (по другим оценкам – 22 млн т).

Технологий переработки мусора существует достаточно много, все давно о них знают, а мусорные кучи почему-то только растут. Первое решение, всем очевидное, но неисполнимое: сократить производство мусора. И, конечно, второе, – постоянно изыскивать способы его наиболее быстрой и безопасной переработки и уничтожения.

Один из таких способов – давно известный рециклинг в его более интересной и уже тоже хорошо знакомой плазменно-дуговой ипостаси, рассматриваемой в различных модификациях. Суть метода заключается в нагреве мусора до сверхвысоких температур, при которых образуется газообразная компонента и твердый остаток. Обе составляющих можно использовать: первую, например, при выработке электроэнергии, а вторую в строительстве. Одним из последних вариантов этого способа стала плазменная газификация с расплавом отходов, при которой органические отходы идут на производство синтез-газа, а неорганические превращаются в остеклованный шлак.

Согласно статистическим данным, собранным Крисом Вудфордом, большая часть отходов (79%) приходится на обычный мусор типа бумаги, пластика, металла и пищевых остатков. Однако 21% составляет смесь опасных материалов, пепла мусоросжигательных заводов и медицинских отходов. Плазменные технологии переработки способны обращаться и с такими материалами.

Плазменно-дуговой рециклинг, в отличие от обычного сжигания, не включает процесс горения. Мусор при этом нагревается до гораздо более высоких температур (1000–15000 °C), так что он плавится, а затем испаряется. На выходе получается синтез-газ и остеклованный шлак. Далее синтез-газ большей частью сжигается для выработки электроэнергии, а частично служит топливом плазменно-дугового оборудования. Кроме того, его можно затем разложить на компоненты и использовать водород при выработке электроэнергии в топливных ячейках. Теоретически остеклованный шлак можно также не хоронить, а например, мостить им дороги.

В настоящее время существует большое количество работ по исследованию данной технологии. При этом свыше 15 лет она опробуется на практике такими известными компаниями, как английская Advanced Plasma Power (APP), американские InEnTec и Westinghouse Plasma, канадская AlterNRG. В декабре 2014 г. правительство Великобритании запустило конкурсный проект Advanced Biofuels Demonstration competition по наиболее эффективному производству биотоплива, в рамках которого компания APP за свою небольшую плазменную установку в Суиндоне в числе трех победителей получила 11 млн фунтов стерлингов. Создание более мощных установок для больших городов в настоящее время не предполагает технических трудностей, но подразумевает экономическую целесообразность, которая стала вырисовываться лишь лет 12 назад.

Плазменная технология имеет свои особенности в зависимости от типа перерабатываемых отходов. Ее адаптация под конкретный вид мусора широко исследуется на Западе. Существуют экспериментальные технологии переработки кофейной гущи и других пищевых отходов, низкокачественного угля в синтез-газ, разрушения растворенных в воде загрязнителей и вредных выбросов, быстрой газификации мусора на борту самолетов.

Более того, оказывается, что эта технология способна справляться и с переработкой опасных отходов. По результатам, полученным польскими исследователями, плазменная технология достаточно эффективно применима и к хлорорганическим отходам – их термохимической нейтрализации и удаления токсичных веществ с выходом обычных неорганических компонент. (По оценкам специалистов, только в России общий объем хлорорганического мусора составляет около 100 тыс. т/год и в ближайшее время может возрасти на 15–20%.)

Плазменная технология может применяться и к переработке самых опасных из существующих отходов – ядерных. В качестве примера можно привести исследования, проводимые в настоящее время в Лаборатории физики плазмы Принстонского университета, финансируемой Министерством энергетики США. Ученые предложили новый способ разделения ядерных отходов по массе, дополняющий химическую технологию, – плазменную масс-сепарацию на основе использования плазменной центрифуги. Предполагается, что комбинированный способ позволит уменьшить как стоимость утилизации отходов, так и количество побочных продуктов, образующихся в этом процессе.

Стимулом к исследованию послужили радиоактивные отходы, накопленные в Хэнфордском комплексе (шт. Вашингтон), производившим оружейный плутоний. Изначально объем отходов оценивался в 54 млн галлонов, размещенных в 54 подземных танках. В 2000 г. началось строительство установки витрификации (остекловывания), реализующей метод, который применялся на подобных объектах с 1996 г. Поскольку витрификация и последующее захоронение в могильнике радиоактивных отходов весьма дорогостоящий процесс, то очевидно, что вначале нужно уменьшить объем витрифицируемого материала. Достигается это процедурой фильтрации по массе с последующим остекловыванием только материалов с высоким уровнем радиоактивности. В результате специалистами Принстонской лаборатории была разработана новая плазменная технология, позволяющая снизить объем остекловывания.

Рассмотренные примеры позволяют сделать два основных вывода. Во-первых, плазменная технология способна иметь дело с достаточно широким спектром как опасных, так и неопасных отходов. И, во-вторых, она уничтожает отходы, а это, по мнению автора, в современной ситуации «мусорного ускорения», аргумент неоспоримый.

ФОТО 1. Оригинальная вешалка для мусора из Таганрога. Июль 2018 г.

Автор: Семенова С. Л., к. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник ОНИ по физике ФГБУН ВИНИТИ РАН, Москва

Координаты для связи: svetlana_semen@list.ru

Источник: Семенова С.Л. Плазма и переработка отходов: расширение возможностей // Климат и природа. – 2018. – № 2(27). – С. 46-57.

PLASMA AND WASTE PROCESSING: INCREASED OPPORTUNITIES

Semenova S. L., Cand. Sci. (Phys.–Math.), leading researcher, VINITI RAS, Moscow, Russia

Keywords: waste accumulation, waste processing, hazardous wastes, plasma technologies

технопарк ® 42 МКТУ: исследования в области защиты окружающей среды