当前世界环境

介绍

塑料被用于各种各样的应用，并已成为我们社会不可分割的一部分。过去13年全球累计塑料产量是1950年以来塑料产量的一半。¹预计未来全球塑料产量也将增加。预计未来20年全球塑料消费量的增长速度将达到600公吨以上的生产水平。²不可否认的事实是，我们的地球母亲被大量的塑料垃圾所包围。尽管事实上，自从塑料成为我们社会不可或缺的一部分以来，它就一直是一个问题，但塑料污染的概念正在世界各地的人们中兴起。今天的传统塑料是由聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等石化产品生产的，生产这些塑料需要消耗更多的化石燃料，从而排放更多的温室气体。传统的石化塑料在环境中具有持久性，其生产和处理将成为世界上许多大城市面临的主要问题。^3.这些危险塑料废物的不当处理是环境污染的重要来源，它将危害生命。⁴传统的塑料废物将阻止水和空气渗透和消散到土壤中，从而降低土壤肥力，抑制其他有机废物的降解，并对动物生命造成危害。在海洋环境中，塑料垃圾的处理会对海洋哺乳动物造成窒息和缠绕。^5，6传统塑料也对废物管理造成了昂贵的影响。燃烧塑料也会释放出有毒的化学物质，比如二恶英。⁷如今，几种塑料被用于多种用途，塑料废物的回收也通过不同的工艺进行，因此塑料废物的收集和回收也更加困难。认识到这种不稳定的局势，世界各地的几个国家纪念2018年世界环境日的主题是“打击塑料污染”。新实施的环境法规、社会关注和日益增强的环保意识促使人们寻找与环境兼容的新产品。在这种情况下，用可生物降解和/或可再生的资源型塑料取代不可降解的石化塑料是决策者和塑料工业的主要兴趣所在。在这种情况下，提高公众对生物塑料的认识是一个令人羡慕的目标。因此，本文追溯了不同类型的生物塑料，并提供了其发展和废物管理的概述。本文还提出了加速从传统石化塑料向生物塑料转变的案例。

生物塑料

生物塑料是可生物降解的塑料和/或生物基塑料，来源于植物和/或微生物，而不是化石燃料。与传统塑料类似，生物塑料在普通条件下也有多种用途。唯一的区别是，生物塑料是可生物降解或生物基聚合物。可生物降解塑料和生物基塑料都包含“生物”这个词，但它们彼此不同。可生物降解塑料由天然或化石原料制成，可生物降解或矿化水和二氧化碳通过微生物的作用，在一段合理的时间内。术语“生物可降解性”的定义是材料的特性，可以被微生物降解为二氧化碳和水的最终产物，因此不太可能在环境中持续存在。可生物降解塑料是指其物理和化学性质在暴露于微生物时发生劣化并完全降解的材料，在特定的时间限制下，在有氧过程中转化为二氧化碳，在厌氧过程中转化为甲烷^{8 9 10}。完全分解所需的时间取决于材料、环境条件(如温度和湿度)以及分解的位置。可堆肥塑料是一组可以被微生物降解成腐殖质的塑料，不含有毒金属。可堆肥聚合物应符合规定的标准。有三个国际标准即,EN 13432:2000, ISO 17088:2012和ASTM D6400-12概述了可堆肥聚合物的标准。根据欧洲标准EN 13432:2000，至少90%的可堆肥聚合物必须在6个月内在工业堆肥厂转化为二氧化碳。此外，在此期间，颗粒必须分解成尺寸小于2mm的残留物。¹¹不是所有的可生物降解塑料是可降解的。生物塑料的另一组，生物基塑料是由广泛的植物性原料生产的，这些原料不一定是可生物降解的。一般来说，生物塑料是由微生物、植物和动物等中的天然聚合物生产的。此外，糖、双糖和脂肪酸等单体也被用作生物塑料生产的基本原料，可再生资源被改性加工成生物基塑料。¹²

因此，生物塑料是由生物系统产生的即,微生物，植物和动物或化学合成的生物原料，如淀粉，纤维素和乳酸。生物塑料的大规模生产和利用，既保留了不可再生的化石燃料资源，也带来了相应的环境问题。此外，它将提供诸如减少碳足迹和通过化学和有机回收提供额外废物管理选择等优势。¹³全球塑料污染问题将通过生物降解性得到解决。¹⁴一般来说，生物塑料是可堆肥的，因此它将被施用于土壤中没有任何有害影响，生物塑料将容易降解和分解。不幸的是，某些类型的生物塑料可能会在土壤中留下有毒的塑料碎片残留物，例如，某些类型的生物塑料只能在专门的堆肥器中高温降解。在海洋中任意处置可生物降解塑料可能会导致几种海洋生物死亡，¹⁵因为海洋环境不会为这种退化提供合适的环境。然而，有效地实施收集、分类和回收做法将在处理生物塑料期间提供改善资源回收的好处。的产物生物塑料具有较高的机械强度和热稳定性这与传统的原生塑料非常相似。生物塑料也有许多等级，具有各种各样的性能。¹⁶一般来说，生物塑料的产品被用作携带袋、尿布的高吸水性、废水处理、各种包装应用、医疗和牙科植入物、餐饮和卫生产品以及农业覆盖物。¹⁷尽管生物塑料是一个作为传统塑料的可行替代品，它们的成本效益不高¹⁸因此，生物塑料的潜力尚未实现。然而，对可持续发展的日益关注、减少对矿物燃料的依赖的愿望以及废物管理方面政策和态度的改变，都改善了生物塑料的效用和可得性。¹⁹此外，消费者和研究机构的行为和意识也在世界范围内升级了生物塑料新应用的商业化。^20.

生物塑料的优点和缺点

优势

由于塑料垃圾处理不当而产生的环境问题将通过生物塑料得到解决。生物塑料产品的主要优点是它们是由可再生资源而不是化石资源生产的。²¹可再生资源的使用将通过减少碳足迹有助于减少温室气体排放。^12日,22日与石化塑料相比，生物塑料的生产可以减少约80%的二氧化碳排放。²³生产生物塑料也比生产石化塑料消耗的能源少65%。²⁴在任何可能的再利用和回收方案之后，生物塑料的可再生生物质将被回收利用，并通过级联回收利用用于能源回收²⁵因此，它具有提高资源采收率的优势。此外，生物塑料可以避免一些环境问题，如不受控制的倾倒在陆地和处置在海上，以及相关的有毒物质的排放。然而，有效实施收集、分类和回收做法以及公众意识对于奖励生物塑料的好处也至关重要。

缺点

与石化塑料相比，生物塑料具有许多显著的优势，这是不可否认的事实。然而，它们也有一些需要考虑的缺点。不加控制和不当处理生物塑料废物也导致了诸如乱扔垃圾、土壤和水污染等问题。与传统塑料一样，乱扔的生物塑料垃圾也对野生动物有害。将生物塑料垃圾填埋可能会导致温室气体排放。生物塑料较高的制造成本也限制了这些塑料的使用。最后，种植制造生物塑料的作物可以在粮食生产的可耕地上产生竞争。²⁵

生物塑料的种类

生物塑料是一组性能各不相同的产品，其应用也因生物塑料产品所涉及的原料和制造工艺而异。目前，生物塑料可分为以下几类。

淀粉基生物塑料

第一个生物塑料是用玉米淀粉代替塑料发明的并以EverCorn™和NatureWorks等名称出售。这些塑料是由石油化工塑料聚合物与可生物降解的淀粉聚合物化合物共混而成的。²⁶目前，淀粉基聚合物可以从马铃薯、玉米、小麦、木薯粉中生产出来。¹⁰在处理这些生物塑料的过程中，聚合物中的淀粉分子将被微生物降解，从而塑料聚合物将被分解。然而，这种淀粉替代生物塑料的物理化学性能不适合实际应用。此外，不可降解的塑料残留物在土壤和水中的积累可能会造成环境污染。这种类型的生物塑料直接由淀粉制成，在暴露于水分期间会影响产品的稳定性。^{27日、28日}此外，这些生物塑料也是由淀粉通过微生物发酵过程生产的。例如，生物塑料如聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)是通过淀粉的微生物发酵过程生产的。²¹此外，淀粉和其他碳水化合物可作为制造新一代生物塑料的原料，如生物基聚烯烃聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)，以及部分生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

纤维素基生物塑料

纤维素是葡萄糖的聚合物，其中葡萄糖单元由β-1,4-糖苷键连接。²⁹纤维素存在于所有主要植物和绿藻的细胞壁中，也存在于大多数真菌的细胞膜中。一般来说，纤维素聚合物是通过天然纤维素的提取或化学改性生产的。纤维素塑料最主要的来源是棉纤维和木浆。有机纤维素酯和再生纤维素是纤维素塑料的两种类型。目前，全球约20%的化学级纸浆用于生产有机纤维素酯。^30.有机纤维素酯是纤维素与有机酸酯化反应的产物。工业上重要的有机纤维素酯是醋酸纤维素(CA)、醋酸丙酸纤维素(CAP)和醋酸丁酸纤维素(CAB)。有机纤维素酯被用于包装薄膜、香烟过滤器、纺织纤维、制药和其他特殊工业应用。再生纤维素是由纤维素通过化学物质溶解而产生的，然后以纤维或薄膜的形式重新构造。²¹目前，全球化学级纸浆总量的60%以上用于生产纤维素再生材料。^30.这种再生纤维素的例子有粘胶、粘胶丝、莱赛尔和人造丝。

聚乳酸基生物塑料

聚乳酸(PLA)、聚乳酸塑料是当今市场上最重要的生物塑料。³¹聚乳酸是以乳酸为基础的，主要由玉米、木薯、马铃薯、甘蔗和甜菜中淀粉的微生物发酵工艺生产。在淀粉替代生物塑料中发现的问题可以通过这些聚乳酸生物塑料来克服。在这个过程中，首先通过微生物将植物淀粉转化为乳酸单体，然后对乳酸进行化学处理，将分子连接成长链或聚合物。这种PLA塑料看起来像传统的石化塑料和这是一种真正的可生物降解塑料。PLA塑料的主要优点是具有较高的刚性、稳定性、透明性和热塑性，在现有的常规塑料制造设备中具有优越的性能。聚乳酸塑料的应用主要是在食品包装，因为它的性能类似聚乙烯和聚丙烯。此外，制造这种聚乳酸塑料节省了制造化石燃料塑料所需能源的三分之二。PLA塑料在垃圾填埋场的降解过程中排放的温室气体也比传统塑料少近70%。目前，PLA和PLA-共混物有不同等级的颗粒状，用于制造薄膜、模塑件、饮料容器、杯、瓶和其他日常用品。³²PLA基塑料的应用也正在扩大到广泛的领域，如医疗，纺织，化妆品和家居应用。此外，汽车工业也用PLA基塑料生产仪表板、门板等。^3.3.

聚羟基烷酸酯基生物塑料

聚羟基烷酸酯(PHA)基塑料是以植物淀粉为原料，经微生物发酵生产而成。这些PHA基塑料的物理和化学性质与聚酯、聚乙烯和聚丙烯非常相似。³⁴在碳源过多的情况下，几种天然微生物在细胞间形成pha颗粒。³¹通常用于制造塑料的不同基团的聚羟基烷酸酯有聚羟基丁酸(PHB)和聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯(PHV)、聚3-羟基丁酸酯-共戊酸酯(PHBV)。³¹几家公司大规模生产PHA基塑料。最著名的例子是Biopol和Bionelle。Biopol是聚羟基丁酸酯(PHB)的共聚物，称为聚3-羟基丁酸酯-共戊酸酯(PHBV)， Bionelle是化学合成的基于PHA的可生物降解塑料。有超过75属的原核生物和古细菌具有在细胞内产生PHA的能力。^{35 36 37}细菌，比如Alcaligensspp。假单胞菌和一些丝状属，如;诺卡氏菌属在营养有限的条件下也能产生这些pha。³⁸phaC基因负责微生物中PHA的合成和积累。³⁹

一般来说，特定的微生物在有限的营养条件下，通过新型转基因碳水化合物发酵，可以在细胞的细胞质中积累其体重80%的PHA聚合物颗粒。³⁶PHA聚合物是通过打破细胞壁纯化的，然后通过有机溶剂的水基萃取法收获。之后，PHA生物聚合物被纯化并转化为用于塑料制造的晶格形式。通过基因工程，科学家们开发了几种从phaC基因中产生PHA的转基因植物。柳枝稷、黍virgatum通过基因工程已将其用作产生PHA的宿主。⁴⁰后来，科学家们开发出了生产PHA的转基因玉米，这种植物也被有效地种植为塑料作物。最近，一家总部位于欧洲的生物科学工程公司Metabolix®通过优化柳枝稷、亚麻荠和甘蔗等作物的多基因表达技术，成功启动了一项生物基PHA生产计划。^{第四十一条、第四十二条}近年来，从厌氧消化池的消化液和好氧废水处理产生的污泥中也产生了聚羟基烷酸盐和海藻酸盐等生物聚合物。从污泥中生产生物聚合物将具有生产成本低的优点，因为它是从廉价的废污泥中生产的。^43、44

pha基塑料是真正的可生物降解塑料，在好氧和厌氧条件下，可在1年内被许多不同属和种的细菌和真菌完全生物降解。^45、46PHA在有氧条件下的生物降解产生二氧化碳和水。它是一种无毒的天然聚合物⁴⁷因此，它可以用于广泛的应用，如食品包装，医疗植入物和农业。⁴⁵在全球市场上，pha有薄膜和注塑等级，也有挤出和吹塑等级。人造颗粒泡沫板也是由聚3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯(PHBH)制成的，它与聚苯乙烯的性能非常相似。⁴⁸

完全替代型生物塑料

Drop-ins是一组完全或部分由生物基材料组成的生物塑料⁴⁹然而，这些塑料是不可生物降解的。这些塑料通常由玉米、甘蔗和甜菜制成。这些塑料是传统石化塑料的混合版本。完全或部分可再生生物基原料的存在是drop-in与传统塑料的唯一区别。目前，嵌入式生物基材料的生产和利用正在急剧增加。这些生物塑料的例子是生物聚乙烯(PE)，生物聚丙烯(PP)和生物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。像生物乙醇这样的可再生资源被用来制造传统的塑料，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)。这种插入式生物基塑料在化学上与传统塑料相同，因此它们可以用于完全相同的应用。据Van den Oever说et al .,⁵⁰bio-PE和bio-PET主要用于包装领域。生物pet塑料主要用于制造瓶子，生物ldpe塑料主要用于制造薄膜。生物基琥珀酸适用于运动和鞋类，汽车，包装，农业，非织造布和纤维应用中的几种应用。这些生物塑料的主要优点是减少了碳足迹，因为它是由可再生生物质组成的。也可以在现有的传统塑料设施中加工、制造和回收这些替代品，这将降低生产成本。

基于化石燃料的生物塑料

生物降解塑料不仅可以用生物基原料生产，也可以用石油化工原料生产。石化产品，如聚己二酸丁酯对苯二甲酸酯(PBAT)也用于制造生物塑料。PBAT是一种新的石化类聚合物，但仍然是可生物降解的，通常称为聚丁酸酯。⁴⁹由于其可生物降解性和刚性，它主要与淀粉和其他生物塑料材料结合使用，以提高特定应用性能。近年来，新型生物基或部分生物基PBAT的开发有所增加。这种PBAT塑料也是由可再生资源生产的。⁵¹例如，由己二酸、对苯二甲酸和1,4-丁二醇合成的聚己二酸丁二酯(PBAT)。PBAT是由己二酸丁二烯和对苯二甲酸酯组成的无规共聚物。它是可生物降解的，具有高弹性、断裂回弹性和柔韧性等特性，因此，它被用作诸如袋、包装和其他包装材料等产品的首选替代品。它也被用来生产垃圾袋和一次性包装，因为它的分解速度最快。它也被用作制造生物塑料的添加剂，以提供刚性和柔韧性。

生物塑料废物管理方案

生物塑料适用于各种使用寿命结束的选择，即再利用、机械回收、化学回收、有机回收和能源回收。这几个国家提出的“废物等级制度”也承认了减少、再利用和再循环等可持续处理和处置废物的选择。^{52, 53, 54, 55, 56，57}然而，进入城市垃圾流的生物塑料给现有的塑料回收系统带来了一些复杂性，因为它的基材比传统塑料有变化。^58岁的59生物塑料废物也作为堆肥的潜在底物，因为它本质上是可生物降解的，其中有价值的有机材料作为最终产品被回收。⁶⁰

回收选项

再生利用是生物塑料可持续管理的首选和可行的选择，然后焚烧与能量回收是比填埋更合适的方法。所有的回收方法，包括材料、化学和有机回收都是可行的生物塑料管理。材料回收被定义为将废料再加工成新产品。这种类型的回收也被称为机械回收。机械回收适用于所有类型的生物塑料，然而，大量生物塑料废物的不可靠供应将使这种回收在经济上不如传统塑料具有吸引力。机械回收公司通过洗涤、密度分离和复合等过程，将这些分类后的产品转化为可回收物。目前，生产的生物塑料很容易与传统塑料一起回收，这取决于基础材料。例如，生物基聚乙烯(PE)在PE流中回收，生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)在PET流中回收。通过这种方式，生物塑料有助于提高回收率。聚乳酸聚合物废弃物通过多次机械回收，转化为产品，可以在不改变化学和物理性质的情况下进行高效回收即,塑料木材，管道，花园家具和托盘。⁶¹

生物塑料回收的另一种选择是化学回收，其中生物聚合物废物将被重新熔化并重新颗粒化，以开发新产品。在某些情况下，生物聚合物废物也转化为化学组成部分，即可以再次用于生产生物聚合物的单体。这种类型的回收也被称为原料回收。这种回收是PLA基生物塑料的可行选择。目前，在比利时和美国等国家，PLA基生物塑料被有效地回收成乳酸并转化为新的PLA基产品。Loopla工艺也是一种化学回收工艺，将PLA水解成乳酸。⁶²

堆肥有可能将可生物降解的塑料废物回收利用，使其成为一种营养丰富的土壤改良剂，目前正在世界许多地方实施。⁶⁰天然微生物可将这些可生物降解的聚合物废弃物转化为较简单的化合物，再将较简单的化合物在好氧条件下分解为二氧化碳和水，在厌氧条件下分解为甲烷和二氧化碳。堆肥也被认为是一种材料回收，被称为有机回收。⁶³堆肥也相当于物质的循环利用⁶⁴因此，它被认为是生物塑料废物管理的可持续和环境友好型选择。范德泽⁶⁵在温度超过60℃的条件下，对10x10cm大小的聚乳酸基泡沫进行隧道堆肥研究，发现在2周的堆肥周期中，聚乳酸泡沫在3天内完全分解。根据ISWA，²⁵生物塑料在堆肥过程中不会产生任何有毒物质。与其他有机肥一样，可生物降解的塑料废弃物堆肥也改善了土壤质量，提高了植物生长参数。⁶⁶

能源发电

生物塑料废物通过厌氧消化、热解、焚烧等不同的过程产生能量。但它将在生物塑料废物中所有可回收材料完全回收后进行。⁶⁰由于生物塑料具有较高的热值，因此可以在一般的传统塑料垃圾焚烧设施中用于发电。^{67 68 69}尽管一些生物塑料如天然纤维素纤维和淀粉具有较低的总热值(GCV)的特性，但它们与木材相似，因此通过焚烧从这些生物塑料废物中回收能量是可行和可行的。^67年,70年焚烧生物塑料废物会排放大量的二氧化碳，这些二氧化碳将被捕获，并可用于开发新的生物基产品。⁵⁰这将使焚烧生物塑料废物的做法成为一种可持续的做法。

厌氧消化也被用于有效地管理来自单独废物收集计划的生物塑料废物，以及混合城市固体废物的机械处理。在厌氧消化中，生物塑料废弃物在厌氧条件下分解为甲烷和二氧化碳。⁷¹厌氧消化产生沼气和消化液，其中沼气可作为可再生能源，消化液可作为有机肥利用。首歌et al .,⁶⁰报道了生物可降解塑料废物适合厌氧消化，将废物生物聚合物转化为甲烷。此外，含甲烷的垃圾填埋气体也可用于发电。

生物塑料的市场需求

在过去的二十年里，人们并不知道生物塑料的重要性。然而，最近生物塑料已经成为我们社会不可分割的一部分。对生物塑料的持续研究和开发活动以及对环境保护意识的增强导致了整个生物塑料市场的显着增长。⁷²此外，一些政府对减少塑料使用的严格监管改革增加了对生物塑料的需求。目前，生物塑料产品在整个塑料市场中的贡献仅为1%左右。然而，欧洲生物塑料公司的年度市场数据更新结果于12月12日公布^th2017年11月29日在柏林举行的欧洲生物塑料大会证实了全球生物塑料行业的稳步增长。2017年全球生物塑料生产能力为205万吨，预计到2022年将增加到244万吨。⁷³生物塑料的年增长率约为20- 25%，但传统塑料的年增长率仅为4- 9%。⁷⁴欧洲生物塑料市场报告称，全球生物塑料市场将以每年20%以上的速度增长。⁷⁵全球生物塑料市场的唯一缺点是生产成本高于传统塑料，⁷⁶然而，它可以通过技术进步来克服。此外，原油价格的上涨也推动了制造商对生物塑料的生产，而不是石油基塑料。^20日,60印度、中国等发展中国家也通过提供激励措施和合同制造来促进生物塑料的发展，这也有望进一步促进生物塑料市场的增长。目前，drop-in型生物塑料在生物塑料市场占据主导地位。全球约56%的生物塑料生产仅为生物基塑料，即生物pet、生物pa和生物pe。⁶⁷在考虑个体类型的同时，生物基PET在生物塑料市场上占主导地位，超过其他类型的生物塑料，其次是淀粉基生物塑料。然而，聚乳酸和PHA基塑料生产预计将增加在生物塑料市场，由于其优良的质量和有效的报废选择。在应用方面，全球生物降解塑料市场分为包装、纺织、农业、电子、医疗、建筑施工、注塑等多个领域。其中，包装工业是最大的领域，占全球生物塑料产量的60%。

结论

生物塑料是一项重要的创新，它将提供可持续和环保的替代品，以避免塑料污染。此外，通过产业合作加强研究，促进生物塑料产品的大规模生产和商业化也是解决我们环境中的塑料污染的必然选择。生物塑料仍处于起步阶段，因此，通过政府和工业资金的加强研究将会发展出一项伟大的创新。这一领域的持续深入研究将促进进一步的突破和改进。然而，生物塑料并不是解决塑料污染问题的唯一办法。消费者在购买、消费和处置塑料方面的行为改变，以及公众对生物塑料的广泛认识，对控制塑料污染也至关重要。

致谢

感谢p.d oraisamy博士和m.m aheswari博士提出的宝贵意见和建议，使本文的内容有了很大的改进。

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