发展生物经济,实现塑料产业绿色转型

2021-07-27 编辑:Traveler 来源:Science,2021, 373: 49-50.
发展生物经济,实现塑料产业绿色转型
 
        塑料污染的本质和向发展中国家出口塑料废物的丑闻促使塑料的制造、使用和处理方式发生了转变。塑料废物仍然管理不善,预计到2050年将有多达120亿吨的塑料废物堆积在垃圾填埋场或自然环境中。尽管机械回收最初是作为解决消费后塑料废物数量不断增加的方法而推广的,但它在过去几十年中的失败暴露了塑料废物管理危机的严重性和规模。有鉴于此,通过化学循环回收塑料——将聚合物循环到其构成的重复单元或单体(和低聚物)中——以及开发生物基和可生物降解的替代品越来越受到关注。我们考虑了技术、化学和生物途径来封闭循环,并主张建立一个基于循环生物经济的综合塑料废物管理系统
        为避开石化塑料而出现的替代材料为我们提供了肥沃的土壤,这些替代材料被统称为“生物塑料”(此为广义,狭义仅指生物基塑料——邓心安注)。尽管公众舆论看好,但消费者对术语中的微妙之处的认识和理解较差。术语“生物塑料”是一个总括名称,涵盖了一系列聚合物化学、性能和应用领域。它包含两个不同的概念: 原材料的生物来源和生命末期的生物降解性。生物能源对于摆脱化石燃料是必要的。然而,生命周期分析揭示了该系统的复杂性,主要是由于生物塑料原料生产的农业投入。最近使用来自生物质部门的废物或副产品作为原料的方法提供了有吸引力的替代方案。
        一些(完全或部分)生物基塑料,如生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(bio-PET),在化学性质上与石化塑料相同,使其适合当前的回收基础设施。然而, 消费者倾向于认为生物降解性比(机械地)可回收性更加可持续。可生物降解塑料的最大优势可能不是其生物降解性本身,而是其与食物垃圾的兼容性,为围绕有机物回收的塑料垃圾管理开辟了新的途径。然而,与现有机械回收流中的分离和污染相关的问题,以及在当前有机废物管理基础设施中,对其完全生物降解性的担忧仍然存在。
        虽然可生物降解塑料可以将碳和养分返回土壤,但与其生产相关的能源和资源实际上被浪费了,这与石化塑料在一次性应用中的线性流动相呼应。保持闭环资源流动似乎更具可持续性。然而,英国产生的67%的塑料垃圾是难以回收的包装。在整个欧洲,只有42%的塑料垃圾被回收利用。市场塑料回收措施的失败,导致许多塑料出口到东南亚,在那里它们经常被非法填埋。
        热化学过程,如热解和气化,已经成为回收塑料废物的替代回收策略,特别是难以回收的塑料。尽管它们通常被称为化学回收,但这些工艺对单体回收没有选择性,会产生大量的碳氢化合物和二氧化碳(CO2)。需要进一步的能量密集型分离和转化步骤。相比之下,对单体的闭环回收(CRM)可以被视为最终的化学回收,因为它确保了特定聚合物的组成部分的回收。
        CRM的可行性很大程度上取决于聚合-解聚-热力学。这种聚合物最普遍的特征是聚合物主链中含有可水解官能团,如酯、酰胺和碳酸酯键。PET,最广泛的机械回收商品塑料,就属于这一类。聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃因其碳碳骨架构成而对CRM形成挑战。正如已经证明的那样,在聚乙烯链中引入官能团作为断裂点提供了一个机会来处理具有CRM潜力的聚烯烃类聚合物,同时保持所需的材料性能。尽管这一模式仍存在挑战,但这些技术进步可以确保单体得到有效回收,防止机械回收所导致的降级或降级回收问题。
        然而,可持续的塑料价值链不仅限于单体回收。塑料垃圾的堆积表明塑料价值链存在设计缺陷,需要系统地思考循环经济的闭环。如果资源便宜,用原始材料生产一次性产品的动力就很大。暂停发达国家向发展中国家的低质量塑料废物贸易,对化石资源征税,可以鼓励用可回收材料替代原材料,并对废物管理基础设施进行投资。
        虽然这些措施可能会增加回收聚合物的价值,但回收材料的质量仍将是一个巨大的挑战,尤其是对于塑料包装。在循环经济的背景下,需要认识到耐用塑料的价值,但要结合聚合物和产品设计的模块化。然而,围绕塑料的政策似乎缺乏方向性。如果不加协调,一方面在生物经济框架内推广生物降解塑料,另一方面从循环经济的角度推广闭环回收,可能会导致优先次序的冲突。
        生物可降解塑料和可回收塑料的区别表明塑料废物管理的生物和化学途径不能合并,这可能会误导人。大多数可生物降解的塑料是或可能是化学可回收的,因为它们可以被自然产生的微生物完全代谢。开发一个系统,在其中塑料被设计用于化学回收和生物降解不仅是明智的,而且有助于克服当前政策中出现的人为二分法(见图)。因此,应该优先考虑塑料收集和回收的废物管理基础设施,同时在需要生物降解性的应用中实现寿命终止。


        化学聚合物的制造和回收在技术上已经是可行的了,具有成本效益且可扩展。但是,发展化学设计出顽固性的石化产品和提高回收效率仍然是必要的。这些挑战应该通过化学和生物技术的联合推动得到支持。最近,聚合物的酶水解已经成为一种潜在的生物修复策略。聚酯的酶循环已经得到证实,需要其他酶来代谢更大范围的聚合物。从CO2固定中获得单体将最终使生产与原材料脱钩。
        对塑料废物的替代废物处理策略的考虑无疑只是线性经济模型更大问题的一部分。机械回收的谬论已经告诉我们,单靠技术解决不了也无法解决塑料污染危机。塑料污染的多面性没有灵丹妙药。答案在于多种方法的融合。消费前和消费后阶段需要更加协调,从强有力的监管框架和对有效废物收集和管理基础设施的投资,到聚合物化学、生命周期设计和消费者行为的发展。只有通过整个价值链的承诺行动和协调,塑料的可持续未来才能得到保障。
 
中文来源:https://www.sohu.com/a/478232040_121123735,2021-07-18。标题、标注及少量订正为生物经济发展研究中心编辑tr所加。
原文来源:Sarah Kakadellis,Gloria Rosetto. "Achieving a circularbioeconomy for plastics." Science,2021, 373(6550):49-50.