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江苏西门子一级代理商
产品时间:2020-11-23
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生活垃圾和工业废弃物都含有大量有价值的材料,但其中许多材料仍未得到回收利用。因此,西门子正在开发用于回收利用诸如电机和碳纤维等组件的自动化系统。此外,西门子也回收旧设备,并且甚至早在产品的设计阶段就将其未来的可回收性纳入考虑。

废旧电子产品是名副其实的宝藏。2010年,仅德国一个国家就售出了770万部智能手机。这些手机总共含有230公斤黄金、超过2.3吨白银和85公斤钯——所有这些金属都隐匿在诸如电触点和印刷电路板上的焊点等部位。一公斤一公斤地加起来,其贵金属含量比世界上质的矿藏还要高。因此,在通常3到4年的使用寿命结束之后,这些手机还能产生巨大价值。从生活垃圾和工业废弃物中回收贵重材料的理念被称为“城市采矿”。但在建立起适用于所有有价值的原材料的闭式循环废弃物管理体系之前,还有许多障碍有待攻克。

譬如,一部手机含有不足0.4克的贵金属。当手机经粉碎机处理之后,这些材料会与其他材料混合到一起,这往往导致难以将之从中分离出来。因此,要让回收、分离和处理这些材料的做法变得有利可图,还必须同时回收诸如铜等其他材料。

正因如此,德国Alzenau和Hanau的弗劳恩霍夫研究所材料回收利用与资源策略项目小组的Stefan Gäth教授大力提倡明智的回收利用。他建议道,“我们不应在粉碎机中稀释特定材料的浓度,而应当,譬如,小心翼翼地拆下振动报警器,以便回收其中含有的钨。如果一部手机的构成是已知的,那么,这种过程就能实现自动化。所以,我们现在正在创建一个包含这些信息的数据库。”

另一个困难是,回收所要求的物流工作。旧手机回收率仅为每年5%。旧手机被遗忘在抽屉的某个角落里或者最后被扔到垃圾桶里的情形屡见不鲜。同样地,德国80%的报废汽车被出口到其他国家,经过若干年的继续使用之后,这些汽车通常被当作废料处理而不进行任何有意义的回收。相比之下,就物流而言,从天然矿藏开采原材料要简单得多。

但原材料需求增长迅猛,并且部分原材料如稀土金属以及钨、铌和镓等的供应可能很快达到临界水平。譬如,就稀土开采而言,中国可谓独霸全球。世界其他地方只发现了含有多种金属的小规模矿藏,并且其中大多数矿藏都位于政治风波不断的国家。所有这些因素都促进了回收利用的发展和闭式循环废弃物管理范围的扩张。回收利用降低了对进口的依赖,减少了废弃物。然而,不应将之与“降级利用”相混淆——后者只能生产出质量较低的材料如用塑料垃圾制成的公园长椅。

西门子地铁列车(上图)中的绝缘板仅安装在外壳与嵌板之间,从而方便了回收利用。西门子研究人员在开发用于回收利用永磁体(下图)的方法时,他们主要关注稀土金属的回收利用。

Heinrich Zeininger博士(下图)开发了一项用于回收利用碳纤维的技术,能够可靠地分离出塑料,保持碳纤维织物完好无损。

含有多种高度分化的材料的混合物的产品难以进行回收利用。人们正在改良产品设计,以最大限度地简化产品的拆解。

适用于玻璃、纸张和许多金属的回收利用系统早已被普遍接受。在全球范围内,一些金属,如铜和铁的回收利用材料在新产品中的比重已超过50%。

对于具备大型钢制或铝制部件的机器和结构件,回收利用非常奏效,但西门子中央研究院(CT)的材料专家Ulrich Bast博士认为,“我们的废弃物正变得越来越复杂。许多产品如汽车、飞机、手机和LED灯,正越来越多地采用多种高度分化的材料的混合物。采用钢、合金和复合材料的电子模块和轻量型产品包含了许多有价值的成分如黄金、铂、钯、铜、稀土金属、玻璃纤维和塑料等,但这些材料往往紧密地结合在一起。这加剧了回收利用的难度。因此,便于日后轻松拆解是一个主要的设计目标。”据Frost & Sullivan发布的数据,迄今为止,电子和电气设备的全球回收利用率在19%左右。

Jens-Oliver Müller博士是西门子中央研究院的回收利用项目负责人。在得到了德国联邦教育与研究部支持的汽车回收利用项目“MORE”中,他正带领慕尼黑的研究团队想办法解决这种情况。譬如,这支团队正在开发用于从多种不同系统中回收利用永磁体的方法。到目前为止,仍没有一个令人满意的适用于这些永磁体的回收利用解决方案。面向电动汽车的紧凑式轻型同步电机和适用于风电场的发电机均采用了功能强大的钕铁硼磁体,这些磁体含有多达30%的钕以及少量镝、镨和其他稀土金属。

让磁体物尽其用。Müller坦言,“除回收利用材料之外,通过维修、重复使用、翻新和升级产品延长其使用寿命也很重要。在MORE项目中,我们正在探索多种不同的回收利用方法。譬如,我们正在开展有关研究,以期找到能够从电动汽车的废旧电机中回收、维修和重复使用大约一公斤的沉重磁体或其他组件的方法。然而,这要求能够维持多年不变的电机设计。我们也在试验,以确定通过对预先分类的材料进行清洁、磨碎、熔化和烧结成新的磁体,重复使用磁性材料的有效性。与此同时,我们还就原材料的回收利用展开了研究。通过原材料回收利用,不仅有可能生产出各种形状和尺寸的磁体,而且能复原其磁性。”

要让回收利用成为原材料的正经来源,就必须大幅提高所涉及过程的效率。与位于爱尔兰根-纽伦堡的弗里德里希•亚历山大大学(Friedrich-Alexander-Universität)的工厂自动化与生产系统研究院合作,西门子正在研究适用于拆解电机的自动化技术。MORE项目的另一个重要合作伙伴是德国回收利用企业优美科股份公司。优美科拥有欧洲最高水平的通过热加工回收利用金属的技术专长。优美科的项目主管Frank Treffer认为,这一领域存在巨大潜力。他说:“废弃物中广泛存在大量宝贵的材料。譬如,数以千计的RFID标签每一个都含有少许白银。从根本上讲,现代化回收利用技术为回收这些材料创造了条件。但物流工作往往依然落后一大截。”

挽救了碳纤维的溶剂。西门子研究人员也积极参与了其他着眼未来的领域的研究。西门子中央研究院的专家Heinrich Zeininger博士正在研究如何从纤维增强复合材料中回收利用碳纤维。这种轻型建筑材料兼具碳纤维的高刚度和塑料基质的成型性,主要用于飞机、航空器和汽车等的结构件。碳纤维价格不菲,其制造过程要消耗大量能源。此外,将塑料纤维碳化的意思是,在高温下将之转化为碳。这些纤维的长度和以之制成的编织材料的形状,总是完全符合所制造组件的要求。

直到现在, 可用的回收利用方法是高温分解,也就是说,将塑料烧掉——这个过程有可能损害纤维,导致纤维缠结成团。这种情况下,只能将这些乱糟糟的纤维切割成小块,用于生产诸如导电聚合物等产品。但就材料回收利用而言,这是一条死路。为此,西门子中央研究院的科学家现在开发了一种“溶剂离解作用”回收利用方法,并注册了。该方法使用溶剂来清除塑料。

经这种方法处理之后,碳纤维的长度和编织材料的形状均保持原样,甚至其表面也完好无损,确保能够牢牢粘附到塑料上。这种纤维的重复使用所需耗用的能源大大低于在2,000 °C高温下将之碳化所需能源。

在德国联邦教育与研究部支持下的巴伐利亚州群集计划MAI碳项目(Bavarian Cluster Initiative MAI Carbon)中,Zeininger开发了这项工艺。他解释道,“由于其特殊属性,西门子将越来越多地使用碳纤维增强材料,譬如,用于电机和转子叶片。我们的工艺很有用,因为回收利用方案始终是新产品开发的一个必要组成部分。下一个挑战是将回收的碳纤维用于制造新产品,哪怕新组件的几何形状与原来的组件有所不同。”

说到产品生命周期,西门子医疗也关注保护环境和高效地利用资源。为此,西门子医疗制定了一个多步骤回收方案。废旧设备如X光机,将被改装为“翻新系统”。单独的组件可以被重复使用或用作替换部件。从X射线发射器回收的有价值的材料如重金属钼将被重复使用。

针对回收利用而设计是另一个前景光明的方法。这种方法涉及以能够最大限度地简化材料的拆解和分离的方式设计产品。在这种回收利用方案中,将在对废旧组件进行后处理之前,清除其中不可回收的材料。譬如,西门子地铁列车的铝制框架是利用易于拆卸的六角螺栓连接起来的。该列车也采用了大量回收利用的金属,并且其绝缘板仅安装在外壳与嵌板之间。用于减轻地面碰撞噪声的软木砖覆盖了一层铝箔和橡胶。在拆解列车的时候,可以轻松剥除这些层状材料。

按当前的清除成本和能耗,可剥离的有价值资源各种各样,有鉴于此,未来打造闭式循环材料管理体系将变得越来越重要。Müller表示,“西门子可以帮助在全球范围内促进回收利用的一条途径是扩充产品服务。在收取处置费的情况下,客户将对在西门子产品的服务套餐中包含回收利用特别感兴趣。”

 

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