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深度解读【生物降解塑料】

什么是生物降解材料


生物降解塑料,是指在自然界如土壤和/或沙土等条件下,和/或特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中,由自然界存在的微生物作用引起降解,并最终完全降解变成二氧化碳(CO2)或/和甲烷(CH4)、水(H2O)及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质(如微生物死体等)。


要注意的是,每一种生物降解材料,其降解都需要一定环境条件,如果在不具备降解条件尤其是微生物生活条件下,其降解会很慢;同时,也并不是每一种生物降解材料在任何环境条件下都能够快速降解。因此,对待生物降解材料,应该从其环境条件出发,结合材料本身结构等进行分析判定其是否为生物降解材料。


如何判断一种材料是否可以生物降解,国际上和中国都出台了一系列的检测方法标准。

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生物降解塑料都有哪些种类?

根据原料来源,可将其分为生物基生物降解塑料及石化基生物降解塑料两类。


生物基生物降解塑料主要有4类:


第一类为天然材料直接加工得到的塑料,目前主要有热塑性淀粉生物纤维素多糖类聚氨基酸以及其共混改性化学改性的产物;


第二类为微生物发酵和化学合成共同参与得到的聚合物,聚乳酸(PLA)等;


第三类为由微生物直接合成的聚合物,聚羟基烷酸酯(PHA)等;


第四类为以上这些材料共混加工得到的,或这些材料和其他化学合成的生物降解塑料共混加工得到的生物降解塑料。


石化基生物降解塑料是指以化学合成的方法将石化产品单体聚合而得的塑料,如聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、二氧化碳共聚物(PPC)、聚乙醇酸(PGA)等。


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生物降解塑料的规模化生产会导致粮食危机吗?

目前,生物降解塑料的全球产能约为100万吨,年增长率约20%~30%,当前还是石化基来源的PBAT等生物降解塑料为主。


以玉米淀粉为原料制备的生物降解塑料主要是聚乳酸,目前聚乳酸全球产能约为28万吨/年,表观消费量约为16万吨/年。


即使按照报道中的聚乳酸产能建设在近几年都实现的话,利用玉米淀粉为原料制备的生物降解塑料也不过百万吨级左右,这对粮食还不会造成根本的影响。近5年乃至更长时间,发展生物降解塑料对粮食危机的影响程度是很低的。


可堆肥生物降解塑料的测试标准

堆肥化是产生堆肥的一种需氧处理方法,是利用自然界广泛存在的微生物,有控制地促进固体废物中可降解有机物转化成为稳定的腐殖质的生物化学过程。可堆肥,是指在堆肥过程中,材料被生物分解的能力。


一种材料如宣称有堆肥能力,必须说明材料在堆肥化体系中(如标准试验方法所示)可生物分解和崩解,并且在堆肥最终使用中是完全可生物分解的。堆肥必须符合相关的质量标准。质量标准如低重金属含量、无生物毒性、无明显可区分的残留物。


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工业化堆肥和家庭堆肥的区别?

肥是混合物生物分解得到的有机土壤调节剂。


堆肥的原料可以是城乡的有机固体废弃物,如农业作物秸秆农村养殖粪便城市生活垃圾厨余垃圾食品工业废渣等。


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工业化堆肥是指在控制条件下,微生物对固体和半固体有机物质进行好氧中温或高温降解,产生稳定腐殖质的过程。一般周期为180天,但随着好氧堆肥技术变化,最短时间也有到30天甚至更短。

家庭堆肥是指主要利用家庭厨余或园林垃圾,进行好氧堆肥,用于生产供自家使用的堆肥过程。家庭堆肥的时间较工业堆肥时间长,但一般最长不超过一年。


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生物降解塑料只能堆肥化处置?

这是不一定的。生物降解塑料能够在堆肥条件下生物降解,也能够在其他条件如厌氧消化装置生物降解,也能够在自然环境如土壤、海水等条件下生物降解,但具体与塑料的化学结构、制品的配方等以及降解环境条件有关系。


PHA、PBAT材料在海水、土壤、堆肥条件下都比较容易生物降解,而PLA在堆肥条件下比较容易生物降解,海水与土壤条件下降解周期或速度相对就会慢些。


生物降解塑料在土壤里是否能完全降解?

相比可堆肥化过程中条件受控的情况,自然界的土壤里,温度、水分、微生物等条件不可控。


从生物降解地膜应用及其实验室和野外降解实验结果看,多数的生物降解塑料在野外土壤条件下是可以生物降解的,像PBAT、PHA、PCL、PBS等在正常气候条件下5个月埋土情况下可以完全降解,且对植物不会造成影响;像PLA材料降解相对较慢,时间较长,但其和PBAT等材料共混后,从实验结果看,也能在半年左右内被完全降解。


下图是在门头沟利用自然土壤对PBAT、PBAT/PLA、PLA薄膜埋土实验后的观察结果。从照片可以看出,生物降解塑料在土壤湿度充足情况下,在北方春夏秋温度合适情况下,是可以被自然降解的。


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在自然条件下,生物降解塑料降解时间多长?

降解时间和自然条件及其塑料的结构与配方有关,不能一律概论。如果自然条件没有赋予微生物生长或生命活动的一些适宜条件,对生物降解塑料甚至是天然高分子如纸、秸秆、木头等来说,其降解也是会比较缓慢的!


我们在郊外林地或山上时能看到一些沙土上的树枝、木头或纸,在很长时间内没有被环境降解的现象,也是这个道理。


PBAT材料制作的生物降解地膜,从近5年中国的示范应用来看,快的时候4~5个月就能完全降解;在实际铺膜应用,即使作物收割当时没有完全降解,但在翻耕后都能完全降解。


像PHA、PBAT材料在海水、(25±3)℃条件下,约在30-60天就能完全降解。


生物降解塑料是否能够回收?

生物降解塑料其实是塑料中的一个特殊品种,其回收再利用和传统塑料是没有多大的区别,可以进行物理回收再利用,即熔融再生再加工利用


只不过因为它具备了生物降解的特性,所以比传统塑料多了可以生物回收的途径(如堆肥化处置),在地膜中应用中可以不再进行回收等。


另外,生物降解塑料的化学结构主要是以酯键为主的化学结构,易进行碱或酸或醇降解,因此,还可以进行化学回收。


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填埋或焚烧生物降解塑料与传统塑料有什么区别?

有些报道中认为生物降解塑料相比传统塑料来在焚烧时会产生二恶英等次生危害。但生物降解塑料也是塑料的一种,其聚合物结构上也没有氯元素等,焚烧时是不会有二恶英废气的。


另外,生物降解塑料的聚酯结构,决定了其相比传统塑料如聚乙烯等,主链上有机碳含量更低,在焚烧时候更容易充分燃烧。焚烧处理时,生物降解塑料比传统塑料不会产生更多废气。




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建立降解塑料标准体系重要性

自生物降解塑料出现,对于其性能的质疑和概念的混淆就一直存在,主要是由于在其发展之初没有科学的测定方法和标准对产品进行约束和界定。


“生物降解塑料”、“生物基材料”、“可堆肥材料”三者的概念及关系就经常被人们混淆!


生物基材料指的是由来自生物质的原料制备的塑料。但不是所有生物基材料都是可生物降解或可堆肥的。


生物降解塑料是指在自然界如土壤和(或)沙土等条件下,和(或)特定条件如堆肥化条件下或厌氧消化条件下或水性培养液中,由自然界存在的微生物作用引起降解,并最终完全降解变成二氧化碳或(和)甲烷、水及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的塑料。


可堆肥材料还要求其最后形成的堆肥中重金属含量、毒性试验、残留碎片等符合相关标准的规定。


因此,生物降解检测方法与标准体系的建立就显得尤为重要,它不仅有助于产业的健康发展,促进市场快速形成,推动行业迅速成长,更有利于产品走向国际市场。




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生物降解塑料趋势如何?

目前,全球生物降解塑料产能已达1000kt左右,并以每年超过20%的速度增长;中国生物降解塑料作为“十三五”期间塑料行业发展的重点,得到快速发展:国内产能已达500kt左右,其中PLA 产能已达50kt/年,PBAT产能已超200kt/年,并且还有大批生产线正在建设或计划建设中,PHA、PCL、PPC等材料产能和使用量也都在不断增大,相信在“十四五”期间生物降解塑料还将得到更好的发展。


可循环、易回收、可降解为导向,研发推广性能达标、绿色环保、经济适用的塑料制品及替代产品,打造有利于规范回收和循环利用、减少塑料污染的新业态新模式,是中国进一步加强塑料污染治理的基本原则,更是生物降解塑料发展的方向。


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文章转载公众号生物基全降解新材料智库,如有侵权联系删除


在环保政策的驱动下,PLA、PBAT、PHA、PCL、PBS等生物降解塑料,在一次性餐具、包装、农业、汽车、医疗、纺织等领域的应用正迎来市场发展新机遇。生物降解塑料的改性材料,以及相关助剂,如扩链接,抗水解剂,增韧剂,成核剂,抗菌剂也会有新一轮的创新。


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此外,对现有通用塑料如LDPE薄膜、PP注塑制品的替代,由于生物降解材料本身的特性,对片材,注塑,薄膜,吹塑,热成型设备有不同的要求,也会有更新换代的机会。为此艾邦建有生物降解塑料微信交流群,金发、海正生物、吉林中粮、蓝山屯河、中石化、九江科院、光华伟业,禾尔斯、科碧恩等企业已加入,欢迎加入一起交流探讨!


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