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可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料

可生物降解性,生物基聚合物

一、需氧性處理中的生物回收再利用


堆肥中的分解是好氧分解評(píng)估該分解方法的生物降解性的實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化可以促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)品的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展。

為了建立“生物降解性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化”,BPS在日本進(jìn)行了3年的生物降解劑(MODA法)驗(yàn)證試驗(yàn),并將該實(shí)驗(yàn)方法作為ISO規(guī)格提交給了日本塑料工業(yè)聯(lián)合會(huì)。 2003年,日本塑料工業(yè)聯(lián)合會(huì)在2003年9月30日于荷蘭的ISO / TC61 / SC5 / WG22 MAASTRICHT國(guó)際會(huì)議上將該實(shí)驗(yàn)方法作為新的操作項(xiàng)目建議(NWIP)提交,并獲得通過(guò)。結(jié)果表明,不同國(guó)家的生物降解程度不同,這是由于保水率和有機(jī)質(zhì)含量的不同所致。

塑料在堆肥條件下的生物降解能力取決于產(chǎn)生的二氧化碳量。堆肥和塑料樣品的混合物在有氧條件下于58℃生物分解,并在6個(gè)月內(nèi)測(cè)定。故障分類(lèi)如圖8-16所示。從圖中可以看出,在誘導(dǎo)階段(滯后階段:生物降解率達(dá)到理論值的10%)和生物降解階段后,經(jīng)過(guò)150天進(jìn)入高原階段,總測(cè)量時(shí)間為6個(gè)月(180天)。


可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖1)
圖8-16 生物分解度曲線

瑞典,意大利,中國(guó),印度和日本的驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果如圖8-17所示。從圖8-17可以看出,包括區(qū)域差異和實(shí)驗(yàn)誤差在內(nèi),PCL在45天后的生物降解能力曲線的R2為0.8191,偏差在20%以內(nèi),可靠性為82%。每個(gè)國(guó)家的國(guó)內(nèi)偏差(n = 2)低于5%(省略數(shù)據(jù))。

可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖2)
圖8-17   PCL的生物分解度曲線
從該結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
①縮短上崗時(shí)間
②提高保水性
將這些作為未來(lái)的技術(shù)研究主題,并繼續(xù)進(jìn)行下一階段的驗(yàn)證測(cè)試。

二,厭氧處理中的生物循環(huán)

生物回收和再利用的另一個(gè)有希望的過(guò)程是產(chǎn)生沼氣。在該方法中可以獲得可用作氣體燃料的甲烷,因此也可以將其視為化學(xué)回收和再利用中的一種。像堆肥一樣,這種方法自很久以前就已成為一種傳統(tǒng)技術(shù),但是在石油危機(jī)之后,這種方法也得到了改進(jìn),例如效率低下和易受外部環(huán)境影響。近年來(lái),歐洲進(jìn)行了許多新的嘗試,例如使有機(jī)廢水在甲烷菌的固定板上向上或向下流動(dòng),同時(shí)在55℃附近的高溫下進(jìn)行甲烷發(fā)酵。如圖8-12所示,用作流體燃料的級(jí)別高于用作肥料的級(jí)別,并且與燃料電池結(jié)合使用更有吸引力,從而更易于使用電力或成為氣體燃料。這種分解是厭氧生物分解,通過(guò)它可以以甲烷的形式回收能量,這將是未來(lái)的一個(gè)重要領(lǐng)域。
甲烷發(fā)酵是厭氧環(huán)境中常見(jiàn)的微生物反應(yīng),是在大量厭氧細(xì)菌共同作用下有機(jī)化合物分解為甲烷和二氧化碳的反應(yīng)。在微生物的作用下甲烷的產(chǎn)生經(jīng)歷了三個(gè)階段,如圖8-18所示。


可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖3)
圖8-18  在微生物作用下生成甲烷的路線

 
分解分兩個(gè)階段進(jìn)行(圖8-18)。第一步是將復(fù)雜化合物分解為簡(jiǎn)單化合物的過(guò)程,尤其是低級(jí)脂肪酸酯。第二階段是將這些化合物進(jìn)一步分解為甲烷和二氧化碳。在學(xué)術(shù)上,第二階段的分解稱為甲烷發(fā)酵,分解中的相關(guān)細(xì)菌統(tǒng)稱為甲烷細(xì)菌。 A.M. Buswell(1930),H.A。Barker(1936)等人分別培養(yǎng)了各種甲烷細(xì)菌,因此了解了以下化學(xué)式所示的甲烷發(fā)酵機(jī)理。

(1)脂肪酸產(chǎn)生甲烷

可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖4)

(甲酸酯)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖5)
(醋酸)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖6)
(丙酸)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖7)
(丁酸)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖8)
(戊酸)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖9)
(2)甲烷由酒精產(chǎn)生
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖10)
(乙醇)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖11)
(丙醇)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖12)
(異丙醇)
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖13)
(3)將二氧化碳還原為甲烷
可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖14)
甲烷發(fā)酵包括兩種方法:在常溫下排放污水污泥和尿液時(shí)進(jìn)行中溫發(fā)酵(約38℃),在60?70℃下排放工廠廢水(如酒精的蒸餾水)進(jìn)行高溫發(fā)酵。
 
上述兩種處理方法的摘要如圖8-19所示。中國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)比較先進(jìn),因此應(yīng)該積極向國(guó)際社會(huì)提出建議。從全球化的角度來(lái)看,可生物降解塑料作為增強(qiáng)中國(guó)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的資本,對(duì)于中國(guó)技術(shù)的國(guó)際優(yōu)勢(shì),中國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上的地位以及研發(fā)成果的普及至關(guān)重要。


可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖15)
圖8-19 需氧分解和厭氧分解的總結(jié)

 
為了滿足社會(huì)的需求,建立支持產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力共同基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法非常重要。此外,為了通過(guò)海外計(jì)劃中的驗(yàn)證測(cè)試獲得客觀的評(píng)估并使其成為全球標(biāo)準(zhǔn),有必要研究和討論可能出現(xiàn)的新問(wèn)題。自1989年以來(lái),BPS一直致力于建立可生物降解塑料的實(shí)驗(yàn)和評(píng)估方法,以期將來(lái)制定出日本發(fā)布的ISO規(guī)范。

近年來(lái),PLA泡沫已被引入Precision City的魚(yú)箱市場(chǎng),并進(jìn)行了在中等溫度(約38℃)下甲烷發(fā)酵的實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)利用損壞的魚(yú)箱和食物殘?jiān)厥照託?。該產(chǎn)品還具有一些問(wèn)題,例如由于其低發(fā)泡率而導(dǎo)致重量大和強(qiáng)度不足。而且,需要討論材料的粉碎方法以及與食物殘?jiān)幕旌媳?,但是已?jīng)將其生物分解并轉(zhuǎn)化為沼氣。

與食物殘?jiān)蜕蠹S便相比,堆肥,甲烷發(fā)酵和掩埋在土壤中,緩慢的分解速度是這些材料的共同特征。圖8-20是堆肥環(huán)境下可生物降解塑料(PBS,衍生自石油)和基于生物的聚合物(PLA)之間的可生物降解性的比較。盡管它們之間存在差異,但與生活垃圾(2?5天)和牲畜糞便(5?7天)相比,分解速度非常慢,所需時(shí)間(天)也很長(zhǎng)。我們不能指望在混合中使用塑料作為主要原料,因此我們必須掌握適當(dāng)?shù)幕旌媳壤?/span>

可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料(圖16)
圖8-20 堆肥環(huán)境下的生物分解度曲線

三,生物循環(huán)利用的前景

至于生物基化學(xué)品,2015年琥珀酸的表觀消費(fèi)量約為100,000噸。根據(jù)透明市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)2013年發(fā)布的報(bào)告,預(yù)計(jì)到2018年琥珀酸市場(chǎng)需求將達(dá)到8億美元。2014年,全球乳酸表觀消費(fèi)量約為40萬(wàn)噸,國(guó)內(nèi)乳酸制酸能力超過(guò)20萬(wàn)噸,但實(shí)際表觀消費(fèi)量?jī)H為6萬(wàn)噸。盡管?chē)?guó)內(nèi)供需失衡很大,但仍有企業(yè)為乳酸生產(chǎn)項(xiàng)目做準(zhǔn)備,必須引起注意。

近年來(lái),生物基塑料發(fā)展迅速,關(guān)鍵技術(shù)取得突破,產(chǎn)品類(lèi)型迅速增加,產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性提高。它們正在成為工業(yè)投資的熱點(diǎn),顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭,數(shù)十條產(chǎn)能超過(guò)10,000噸的生產(chǎn)線已經(jīng)或正在建設(shè)中。在短期內(nèi),由于生物基塑料的高成本,一些功能性應(yīng)用品種將迅速發(fā)展。例如,可生物降解塑料由于其可生物降解性而滿足歐美發(fā)達(dá)國(guó)家塑料禁令的要求,即使成本高,市場(chǎng)空間也很大。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,除了可生物降解塑料的發(fā)展外,某些不可生物降解的塑料,例如生物基尼龍,生物基聚乙烯和生物基聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯,可能會(huì)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。但是,在中國(guó),由于尚未對(duì)這些材料進(jìn)行測(cè)試,因此短期內(nèi)不會(huì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)。生物基材料產(chǎn)業(yè)正處于實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)階段,進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用階段,并逐漸成為工業(yè)化的散裝材料。但是,在微生物合成菌株,原料研發(fā),產(chǎn)品成型加工技術(shù)和設(shè)備以及大規(guī)模應(yīng)用示范等方面,仍需不斷發(fā)展。
 
生物基聚合物的生物循環(huán)為例,可生物降解塑料或生物基聚合物的生物循環(huán)的前景被展望。在普及和普及過(guò)程中,生物基聚合物的生物循環(huán)利用的主要問(wèn)題是確保性能和降低價(jià)格。在生物基聚合物的普及中,如何大幅度降低價(jià)格并增強(qiáng)傳統(tǒng)商業(yè)塑料的競(jìng)爭(zhēng)力直接關(guān)系到其未來(lái)。根據(jù)日本有機(jī)資源協(xié)會(huì)的計(jì)算,假設(shè)相關(guān)的生產(chǎn)條件與現(xiàn)在相同,則年產(chǎn)5萬(wàn)噸的PLA的生產(chǎn)成本為450日元/ kg,在原料加工過(guò)程中消耗了70%物料發(fā)酵得到乳酸單體。這表明以國(guó)內(nèi)生物質(zhì)為原料很難經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)聚乳酸。但是,通過(guò)將PLA分解為乳酸低聚物和單體的酶微生物進(jìn)行PLA的再利用和回收,以及通過(guò)生物回收和再利用進(jìn)行化學(xué)回收和再利用,在制造成本和回收方面有望與傳統(tǒng)塑料競(jìng)爭(zhēng)。




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