塑料污染治理背景下一次性塑料產(chǎn)品替代與降解升級(jí)技術(shù)一覽

魏風(fēng)軍 李林林

生物降解塑料是指一類由自然界存在的微生物如細(xì)菌、霉菌（真菌）和藻類的作用而引起降解的塑料。理想的生物降解塑料是一種具有優(yōu)良的使用性能、廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解、最終被無機(jī)化為自然界中碳素循環(huán)的一個(gè)組成部分的高分子材料。自2020年1月19日國家塑料治理污染意見頒布以來，各類一次性塑料產(chǎn)品替代與降解升級(jí)技術(shù)層出不窮，都在一定程度上具有一定的作用。本文試就此予以分析。

一次性塑料產(chǎn)品替代技術(shù)

1.聚乳酸

聚乳酸（PLA）是一種合成脂肪族聚酯，原料來源廣泛且可再生，其生產(chǎn)過程無污染，所得產(chǎn)品可以生物降解，是典型的“綠色塑料”。在生物降解塑料材料的發(fā)展領(lǐng)域備受關(guān)注，同時(shí)也是理想的綠色包裝材料之一。PLA在包裝、纖維、醫(yī)用三大領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其是在包裝方面的應(yīng)用更為 廣泛。

PLA在包裝中的應(yīng)用主要包括聚乳酸薄膜、聚乳酸包裝膜、聚乳酸一次性餐具等。目前，生物降解塑料中聚乳酸、琥珀酸共聚物及改性淀粉塑料已經(jīng)上市供應(yīng)，但由于其昂貴的價(jià)格而無法大量推廣，比如現(xiàn)在PLA一般用在人工器官、醫(yī)藥緩釋材料、手術(shù)縫合線等費(fèi)用較高的場合。但是據(jù)美國預(yù)測，再過幾年的時(shí)間，以玉米為原料生產(chǎn)的生物降解塑料價(jià)格將有所下降，PLA的發(fā)展也將得到很大的提升。

在一次性塑料產(chǎn)品替代方面，PLA主要用于塑料袋、餐具、食品包裝和3D打印，比如PLA一次性食品包裝袋和PLA食品杯，其中PLA食品杯只需60天就可以完全降解，真正達(dá)到了經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)雙重效應(yīng)，對(duì)于白色污染的治理作出積極的貢獻(xiàn)。

2.聚羥基丁酸酯

聚羥基丁酸酯（PHB）是聚酯類聚合物，隸屬于PHA家族，由法國微生物學(xué)家Maurice Lemoigne首次分離并取得。巴西圣保羅大學(xué)技術(shù)研究所和生物醫(yī)學(xué)研究所以及圣保羅地區(qū)甘蔗乙醇合作社生產(chǎn)出PHB后，發(fā)現(xiàn)PHB具有與合成樹脂如PP類似的物理以及機(jī)械特性，最重要的是可快速降解，比如傳統(tǒng)塑料降解需要100年，PHB產(chǎn)品只需12個(gè)月就能分解，并且釋放出的只有水和二氧化碳，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，對(duì)環(huán)境具有重要的保護(hù)意義。20世紀(jì)80年代，ICI公司制成PHB薄膜，使其商業(yè)化生產(chǎn)開始成為可能;Michigan大學(xué)也曾用改變植物基因的技術(shù)來生產(chǎn)少量的PHB，但是化學(xué)合成法制PHB一直尚未成功;Micromidas Inc.研究小組通過城市污水中的細(xì)菌生產(chǎn)PHB，該項(xiàng)嘗試顯示了人類廢棄物和可生物降解塑料生產(chǎn)的未來愿景。

在一次性塑料產(chǎn)品替代方面，PHB可以用于一次性餐具、無紡布、包裝材料、農(nóng)用覆膜、玩具、包膜、膠、纖維等多種可降解產(chǎn)品。然而由于PHB價(jià)格昂貴，性能方面有所欠佳，故其推廣應(yīng)用相對(duì)較難，但是該類材料無毒且易于降解，所以還是有著廣闊的市場，性能的改善以及價(jià)格的降低研究將會(huì)是今后對(duì)PHB的主要研究方向。

3.聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVA）是一種水溶性高分子，由美國Air Products公司開發(fā)生產(chǎn)，可以通過控制聚醋酸乙烯酯的水解程度并添加相應(yīng)的添加劑來提高其穩(wěn)定性，其商品名為Vinex，可溶于熱水或者冷水。水溶性PVA薄膜為國際上一種新型塑料降解產(chǎn)品，它利用了PVA的成膜性，水和生物兩種降解特性，在濕環(huán)境中有泥菌存在時(shí)6個(gè)月內(nèi)可完全降解為二氧化碳和水，屬于綠色高新環(huán)保包裝材料。

在一次性塑料產(chǎn)品替代方面，在歐美、日本，水溶性PVA薄膜已廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品的包裝。在我國水溶性PVA薄膜的發(fā)展還處于起步階段，工業(yè)性研發(fā)在近5年才真正有所展開，主要應(yīng)用在刺繡及水轉(zhuǎn)?。úＡ?、陶瓷、電器外殼等的彩色印刷）兩個(gè)領(lǐng)域，PVA在這方面的年使用量約1萬噸。

4.二氧化碳共聚物

國外最早研究二氧化碳共聚物的是美國和日本，但是一直沒有進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn);國內(nèi)內(nèi)蒙古蒙西集團(tuán)公司采用長春應(yīng)用化學(xué)研究所的技術(shù)來生產(chǎn)二氧化碳共聚物生物降解塑料，其產(chǎn)品主要用在包裝和醫(yī)用材料上。中科院廣州化學(xué)研究所陳立班博士開發(fā)的低分子量二氧化碳共聚物技術(shù)也已在江蘇泰興開始投入生產(chǎn)，品種為低相對(duì)分子質(zhì)量二氧化碳/環(huán)氧化合物共聚物，用來作為聚氨酯發(fā)泡材料的原材料，用于家用電器的包裝。

在一次性塑料產(chǎn)品替代方面，二氧化碳共聚物主要用于農(nóng)用塑料膜制品、包裝材料、垃圾袋等多種領(lǐng)域。由于二氧化碳共聚物具有良好的阻氣性、透明性和全降解特性，在食品包裝、食品保險(xiǎn)、藥物包裝、醫(yī)用材料等方面有其獨(dú)特的? 優(yōu)勢。

由于二氧化碳是自然界一種比較廉價(jià)的碳氧資源，因此以二氧化碳為原料合成可生物降解的脂肪族聚碳酸酯便成為了研究的重要課題。聚丙撐碳酸酯（PPC）是由二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚所制得的，因其分子鏈比較柔順，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，氧阻隔性好，而且具有良好的生物相容性和生物降解性，因此受到了廣泛的關(guān)注，但由于其存在熱性能和機(jī)械性能差的緣故，PPC的工業(yè)化還處于初級(jí)階段，需要不斷開發(fā)新型高效催化體系，改進(jìn)聚合工藝，大幅降低生產(chǎn)成本;另一方面，由于PPC具有明顯的成本優(yōu)勢，通過共聚、共混等改性方法有望在片材、膠黏劑等多個(gè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。目前已有多家公司比如美國的Empower materials和Novomer公司、中國的蒙西集團(tuán)、韓國的SKEnergy公司等進(jìn)行相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化嘗試。

5.聚己內(nèi)酯

聚己內(nèi)酯是由ε-己內(nèi)酯經(jīng)開環(huán)聚合得到的一種低熔點(diǎn)聚合物，其熔點(diǎn)僅62℃。PCL的降解性研究從1976年就已開始，在厭氧和需氧的環(huán)境中，PCL都可以被微生物完全分解。與PLA相比，PCL具有更好的疏水性，但降解速度較慢;同時(shí)其合成工藝簡單、成本較低。PCL的加工性能優(yōu)良，可用普通的塑料加工設(shè)備制成薄膜及其他制品。PCL是一種商品化的生物基可降解塑料，質(zhì)地非常柔軟，具有較大的延展性，而且具有優(yōu)良的生物相容性、記憶性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如組織工程支架材料，可以被人體吸收排泄。

6.聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物

聚丁二酸丁二醇酯（PBS）由丁二酸和丁二醇經(jīng)縮聚而得。與其他生物降解塑料相比，PBS力學(xué)性能十分優(yōu)異，接近PP和ABS塑料;耐熱性能好，熱變形溫度接近100℃，改性后使用溫度可超過100℃，可用于制備冷熱飲包裝和餐盒，克服其他生物降解塑料耐熱溫度低的缺點(diǎn);加工性能好，是目前降解塑料中加工性能最好的，同時(shí)可以共混大量碳酸鈣、淀粉等填充物，得到價(jià)格低廉的制品，其綜合性能優(yōu)異、性價(jià)比合理，具有良好的應(yīng)用前景。

全球能夠產(chǎn)業(yè)化并且已經(jīng)市場化生產(chǎn)PBS的國家有日本和美國，日本昭和高分子公司和美國Eastman公司建有規(guī)模分別為5000t/a和15000t/a的生產(chǎn)裝置。我國PBS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在積極推進(jìn)中，2007年，杭州鑫富藥業(yè)公司采用中科院理化技術(shù)研究所工程塑料國家工程研究中心自主研發(fā)的PBS生產(chǎn)技術(shù)，建成3000t/a PBS生產(chǎn)線;安徽安慶和興化工公司采用清華大學(xué)技術(shù)，已建成萬噸級(jí)的PBS生產(chǎn)線，這是目前世界上最大的生產(chǎn)裝置。

在一次性塑料產(chǎn)品替代方面，可廣泛應(yīng)用于包裝、可堆肥降解餐具、化妝品瓶以及藥用瓶、一次性醫(yī)療用品、農(nóng)用地膜、農(nóng)藥以及化肥緩釋材料、生物醫(yī)用高分子材料等領(lǐng)域，可有效地從根本上解決白色污染的問題。

一次性塑料產(chǎn)品降解升級(jí)技術(shù)

1.淀粉

根據(jù)淀粉（Starch）量的多少，淀粉類降解塑料包括生物降解塑料和添加型生物降解高分子材料兩大類。淀粉廣泛存在于植物中，屬于多糖類化合物，本身就屬于具有良好生物降解性的天然高分子。但由于淀粉本身質(zhì)脆，因此需要經(jīng)過改性才能用作降解材料使用。由意大利Montedison集團(tuán)的一個(gè)新公司Novamont開發(fā)生產(chǎn)的Mater-Bi是以淀粉為基礎(chǔ)的一種熱塑性樹脂，實(shí)驗(yàn)證明無論是在有氧還是在厭氧環(huán)境下，Mater-Bi均易降解，屬于生物降解塑料。

在一次性塑料產(chǎn)品降解技術(shù)升級(jí)方面，玉米淀粉可降解餐具，是采用天然玉米淀粉及植物纖維為基料，輔之以生物聚酯、多元醇等物質(zhì)加工而成，其淀粉含量最高可達(dá)80%，在土壤和自然環(huán)境下可以自然降解，對(duì)環(huán)境無污染、無破害。隨著禁塑令的頒布，當(dāng)前國內(nèi)國際市場對(duì)玉米淀粉餐具需求加大，據(jù)悉，此種產(chǎn)品已經(jīng)登陸意大利、美國等歐美多個(gè)重視低碳環(huán)保的發(fā)達(dá)國家，獲得認(rèn)可與好評(píng)。從長遠(yuǎn)來看，玉米淀粉環(huán)保餐具有望逐漸普及，成為餐具產(chǎn)品的主流。

2.ADM厭氧生物降解母粒

ADM厭氧生物降解母粒是一種有機(jī)添加劑，由傳統(tǒng)塑料注入?yún)捬跤袡C(jī)助劑制成，該助劑通過有細(xì)菌引起的化學(xué)活動(dòng)把塑料引入生物降解階段，最后只留下自然氣體和生物能量。添加ADM厭氧生物降解母粒后塑料能夠通過厭氧消化在垃圾堆填區(qū)里進(jìn)行生物降解，并能在家庭堆肥中自然分解。該降解母粒通過一系列的化學(xué)和生物程序把塑料引進(jìn)生物降解的厭氧環(huán)境里（該程序稱為生物同化），允許微生物制造一種生物膜結(jié)構(gòu)來滲透塑料。該生物膜只在無氧/厭氧的情況下形成，即垃圾填埋場和深海環(huán)境中;同時(shí)有助于擴(kuò)大分子結(jié)構(gòu)，為微生物制造更大空間并在聚合物鏈上發(fā)出吸引其他微生物的化學(xué)信號(hào)來進(jìn)食塑料，提升了生物降解速率，其讓塑料制品僅產(chǎn)生水、二氧化碳、沼氣和腐殖質(zhì)（有機(jī)質(zhì)），這與有機(jī)質(zhì)相同的生物過程和殘留物是相同的。

在一次性塑料產(chǎn)品降解技術(shù)升級(jí)方面， ADM厭氧生物降解母?？梢蕴砑拥絇E類購物袋、垃圾袋、背心袋、快遞包裝袋、氣泡膜、氣泡袋等類制品中，也可以添加到PP類注塑、吸塑餐具、托類制品中，PS、PVC、PET等塑料制品中，實(shí)現(xiàn)全生物降解，其不改變?cè)兴芰现破返脑O(shè)備和工藝，是當(dāng)前一次性塑料產(chǎn)品污染治理中較為可靠的降解升級(jí)技術(shù)。

1.國內(nèi)各企業(yè)一次性塑料產(chǎn)品替代與降解升級(jí)技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品及產(chǎn)能分析

截至2019年，國內(nèi)生物降解塑料企業(yè)產(chǎn)能利用率基本不到50%，生物降解塑料行業(yè)平均產(chǎn)能利用率在30%左右，按此測算，2020年中國改性塑料產(chǎn)量約為19.5萬噸，其中大部分出口至歐洲市場。隨歐洲、澳大利亞及韓國等地區(qū)生物降解塑料需求大幅增長，國內(nèi)生物降解塑料出口未來將保持較快增長，產(chǎn)能利用率將快速上升。

結(jié)語

不同類別的生物降解塑料在不同的領(lǐng)域擔(dān)任了不同的角色，如聚乳酸將在發(fā)酵技術(shù)提高的前提下，提高聚合工藝，從而使其得到廣泛推廣和應(yīng)用;ADM厭氧生物降解母粒將在購物袋、餐具、玩具等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用;淀粉塑料在將來會(huì)替代聚乙烯材料制成一次性生活用品和農(nóng)用地膜等。生物降解塑料為人類展示了一個(gè)環(huán)境科學(xué)，也是解決環(huán)境問題的重要手段之一，相信隨著更多的國內(nèi)外政策、標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)的逐步出臺(tái)、落實(shí)和完善，我國生物降解塑料技術(shù)革新、檢測評(píng)價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)體系也會(huì)越來越完善，有關(guān)生物降解塑料的制造、加工、應(yīng)用、可回收等技術(shù)也將更加成熟，我國生物降解塑料必有良好的發(fā)展前景。

作者單位：河南科技大學(xué)軟包裝研究中心

責(zé)任編輯：王蕾 wl@cprint.cn