機器人揀可回收物、餐廚垃圾給手機充電、蝦蟹殼有妙用……上海交大帶來這些低碳成果。

從上海交通大學獲悉，中英國際低碳學院的三項最新研究聚焦環境保護、低碳生活，讓垃圾變成多樣化資源，為可持續發展添磚加瓦。

超視覺垃圾分揀機器人，“拯救”可回收物

機械手不停往返，識別、分揀可回收垃圾，輸送軌道穿插有序。

在中英國際低碳學院的實驗室里，固體廢棄物資源化技術與智能裝備團隊研發的超視覺垃圾分揀機器人正在工作。

△超視覺垃圾分揀機器人

“每小時可分揀垃圾5400次，它可以快速在大量垃圾中精準識別可回收物，大大節約了人工成本。”項目負責人、上海交大中英國際低碳學院副教授李佳介紹。

隨著垃圾分類制度的推行，全國垃圾分類工作由點到面，成效初顯。不過，生活垃圾組成復雜，干垃圾中往往混有可回收物。通常收儲后，工人需要用手將可回收的物品從大量垃圾中揀選出來。傳統的礦物分選技術具有局限性，組合流程復雜。

研究團隊想到，可以通過機器視覺中的三種主流識別傳感系統，即CCD視覺、激光視覺、近紅外視覺相耦合，綜合判斷目標物的內、外部特征，精準定位與細分判別垃圾。

李佳介紹，通過free-model的超視覺技術，可以實現各品類、各形狀、各表面材料的樣品識別；通過軌跡優化算法，讓機械臂走最優路徑；同時開發算法，實現自動分揀。此外，團隊還測試了干擾系統，以提高機器人的分揀精度。

“一個超視覺垃圾分揀機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95%。生產線上每套設備布置2個機械手，相當于替代了54個分揀工人的工作量。”李佳介紹，這將提高廢物回收的速度和質量，減少對全新原材料的需求。

垃圾分揀機器人的開發涉及光學、機械、控制、軟件等多學科技術體系，技術壁壘高。李佳團隊數年來相繼突破十余項關鍵技術，實現了垃圾精細分揀機器人的核心技術國產化。

目前，這款機器人已進入產學研技術推廣階段，團隊將與環保頭部企業對接合作、共同開發，使研究成果從實驗室進入市場應用。

一個移動式集裝箱，能將餐廚垃圾變身“充電寶”

一個集裝箱可以一邊處理餐廚垃圾，一邊產生電能，讓附近人群可以在充電柜給電子設備充電。

△充電柜，餐廚垃圾產生的電能可用于手機充電

在新加坡國立大學的食堂附近，一套分布式餐廚垃圾能源化系統已經投入了應用。重量為40kg的餐廚垃圾在投入系統內的厭氧消化罐后，經過厭氧發酵產生沼氣，隨后轉化為電力和熱力。結果表明，其輸出的電能大約可供1000臺手機充電。

這套能變廢為寶的系統由上海交大中英國際低碳學院有機廢物資源化研究團隊與新加坡國立大學合作研發。

項目負責人、上海交大中英國際低碳學院副教授張景新介紹，餐廚垃圾的來源很分散，傳統的做法是經過垃圾車收集后進行集中式處理。而長距離運輸需要高額成本，且運輸過程中垃圾也會產生異味。

針對這個問題，團隊研發的分布式餐廚垃圾能源化系統就采用了原位處理的方式，鄰近垃圾產生源頭，將所有處理和能源轉化設備都集中在一個長為6米的移動式集裝箱內。

△移動式餐廚垃圾廢物能源化系統在一個集裝箱內

其中，整個系統的核心是厭氧消化罐。經過研磨、混合等簡單操作后，餐廚垃圾被泵入厭氧消化罐。

“餐廚垃圾的成分影響著系統的發電量，當碳氫化合物、蛋白質、脂肪的含量越高時，產生的沼氣越多，從而產生的電能也越多。”張景新說，經過模擬計算，該系統處理一噸餐廚垃圾的發電量為200-400kWh，能夠為13000-26000臺手機充電。

此外，系統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，系統產生的電能還能滿足附近居民區的用電需求。”

不止電能，厭氧消化過程中會產生消化物，其中富含營養物質的還可進一步加工作為肥料。

在實現廢棄處理的同時，厭氧消化系統可以有效減少有機廢物和城鎮溫室氣體的排放，提高資源利用效率。“將線性經濟的概念轉變為循環經濟，有助于建設可持續發展的特大城市模式。”張景新說。

“殼中玄機”，廢棄蝦蟹殼可供“氮”

吃完了蝦和蟹，丟棄的殼其實是含有很大的能源價值。

甲殼類蝦蟹的可食用部分通常為40%-50%，據統計，全球每年約有800-1000萬噸的蝦蟹殼垃圾產生，大部分蝦蟹殼被當作垃圾直接丟棄或填埋，在環境降解過程中，它們釋放出大量二氧化碳和氮氧化物。

實際上，蝦蟹殼中的主要成分包括碳酸鈣、甲殼素和蛋白質，是天然可再生資源。其中，甲殼素作為結構單一的高分子，為含氮化學品的制備提供了一個天然可再生資源平臺。含氮化學品功能強大，例如，在醫藥領域，85%的最暢銷藥物都是含氮化合物。

然而，目前含氮化學品的工業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，不僅會縮短反應路徑，而且會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，傳統工藝使用了強腐蝕性的酸和堿，對設備抗腐蝕性要求極高，并且產生大量酸堿性工業廢水。因此，開發一種綠色、環保的甲殼素提取方法是促進廢棄物利用的關鍵條件。

上海交大中英國際低碳學院陳熙課題組和新加坡國立大學顏寧課題組合作，成功開創了一種溫和無污染的新技術來處理蝦蟹殼垃圾。

陳熙介紹，技術思路借鑒了自然界中鐘乳石的形成過程。新技術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度高溫水使蛋白質水解脫落，類似煮肉湯的過程。

“整個過程只使用了二氧化碳和水兩種試劑，幾乎沒有污染物產生。兩步處理后，甲殼素的純度可達90%以上。相比傳統工藝，新技術能夠減少碳排量80%，總體成本也節省了一半。”陳熙說。

提取甲殼素之后，課題組利用貴金屬納米催化劑，一步轉化加氫甲殼素得到了乙酰乙醇胺化學品，它可以用于捕集二氧化碳、制作染料、藥物等。另外，通過結合預處理和硼酸催化劑體系，將甲殼素高分子轉化為含氮呋喃化學品，含氮中間體為合成抗癌藥物提供了重要原料。

目前，課題組已開發多種新型路徑轉化甲殼素，制備了20余種不同的含氮化學品。相關技術已申請專利，不久后將進行中試研究。