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寻找可持续塑料

寻找可持续塑料

作为石油基聚合物犯规,我们的海洋和垃圾我们的生活中,研究人员寻求更环保的方式来满足耐用,多功能材料的需求。 Flickr的:图片由博艾德(Flickr的/创作共用) 

七月29,2015 - 世界海洋的命运可能在一个不锈钢水箱内,而不是一个小啤酒桶的大小。 在内部,基因改造的细菌将玉米糖浆转化成可用于生产各种普通塑料的搅拌聚合物。

Metabolix公司首席科学官Oliver Peoples说:“这有点像制作酸奶。

总部设在美国马萨诸塞州剑桥市的公司,其中生物塑料初具规模实验室规模的发酵室是越来越多的企业和机构合作,以开发具有成本竞争力的,更环保的传统塑料,它是由化石燃料制成的替代品之一,失败分解并正在转向我们的海洋变成浮动塑料海域。

佐治亚大学环境工程系的Jenna Jambeck说:“我们看到塑料产量的大幅增长,也导致废弃物流量的增加。 “与生物降解材料不同,塑料具有所有这些问题。 它很容易进入水道,物理碎片变成很难或不可能收集的较小的碎片,并且倾向于吸收已经在环境中的化学污染物。

4.8中12.7百万吨到5.3百万吨(14百万吨到4百万吨)塑料,或者每年生产的300百万公吨(330百万吨)塑料的2010百分比(10百万吨),作为垃圾进入海洋。 根据Jambeck及其同事的研究,随着更多的塑料产量的增加,这个数字预计会在未来十年增加XNUMX倍,并随后逃避废物管理和回收的努力。 今年早些时候发表 在杂志 科学.

这些塑料对生物(包括人类)有什么影响, 尚不清楚。 最近的一些研究表明,小塑料中的化学物质,甚至是塑料本身,都可能积聚在鸟类,鱼类和其他海洋生物中。 实验室检测显示,构成它们的化学物质会对健康造成不良影响,包括肝脏损害和肝脏损害 内分泌紊乱 通过改变基因表达。 在实验室之外是否发生类似的影响,或者是否将食物链延伸到食用海洋生物的人还不得而知,但两者似乎都是合理的。

而这还不是全部。 塑料是在温室气体部门臭名昭著为好。 每年全世界所使用的石油的大致8%用于直接使塑料或供电的塑料的制造工艺,根据一个 世界观察研究所最近的报告.

“尽管人们觉得他们希望减少使用塑料,而不是更多,事实上,塑料是现代材料,使汽车更轻,净化水,为健康和安全应用带来巨大的好处。” - Marc Hillmyer只是减少我们的使用? 首先,塑料是非常通用的,满足了灵活性,成本和其他参数的替代材料需要难以匹配的一系列需求。 不仅如此,替代材料也会对环境,社会和健康造成不利影响。

“尽管人们觉得他们想少用,而不是多了,问题的事实是,塑料是现代材料,使车辆更轻,净化水质,并添加了巨大的好处的健康和安全应用,”马克Hillmyer说,导演 中心可持续聚合物 在明尼阿波利斯的明尼苏达大学。


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换句话说,追求更具可持续性的传统塑料替代品,即植物塑料,有着坚实的理由。 这种所谓的生物塑料能够降解,大大降低了污染土地或海洋的风险。 他们也降低了我们对化石燃料的依赖,减少了塑料的碳足迹。 与生物塑料有关的温室气体排放量比传统塑料的低26% 最近对玉米基和石油基塑料的生命周期分析 由密歇根州立大学的研究人员。

新兴替代品

然而,寻找非石油基可分解的当今塑料替代品并不容易。 由玉米,甘蔗或其他植物性材料制成的塑料不一定是可降解的,并且当你想使它难以发生降解时。

“你不希望你的塑料袋,而你是用它来降低,”Hillmyer说。 “在另一方面,你想让它迅速降解投入另一个环境时。”

而化学家有困难重新制定的基于石油的塑料,使它们可以降解,许多生物基,degradeable替代品正在出现。

尽管取得了这些成就和其他近期成就,但生物塑料在整个行业中仍然只占很小的一部分。 Natureworks是一家总部位于明尼苏达州Minnetonka的公司,是全球领先的生物塑料制造商之一。 该公司生产聚乳酸(PLA),它是从玉米淀粉中提取的一种可生物降解的塑料,并制成各种消费产品,包括一次性餐具,杯子和包装,这些产品在使用寿命到期时就会分解。 该公司位于内布拉斯加州布莱尔的最初生产工厂于2002年投入生产,每年可生产140,000万吨(150,000万吨)PLA。 该公司最近宣布了在东南亚开设第二家工厂的计划,该工厂将使用甘蔗作为原料。

生物塑料的另一个领先的制造商是可口可乐公司,这在2009推出的PlantBottle,由聚对苯二甲酸-PET制成的饮料瓶 - 包含高达百分之30生物基材料。 瓶子是不降解的,但是,不像大多数生物基塑料,可与现有的PET,一种常用回收塑料一起被回收。 2009以来该公司已生产35十亿原来PlantBottles的。 该公司在六月推出2015的新版本是100%的生物基。

尽管近来取得了这些成就,但生物塑料仍然是整个行业的一小部分。 这些材料非常适合单次使用的产品,例如消费者愿意为更具可持续性的产品支付额外费用的勺子和瓶子。 高耐用性,不太明显的应用 - 例如,通常用于住宅和商业管道的由PVC制成的水管 - 仍然完全由传统塑料制成。 据总部位于华盛顿特区的行业贸易集团塑料行业协会称,所有塑料中0.5以下的塑料都来自非石油资源。

政府调控,但是,导致越来越多地使用生物塑料。 在伊利诺伊州2014禁止微,微小的塑料磨料常用于面部磨砂,洗发水和牙膏使用, 由于对环境恶化的担忧 大湖。 在直径小于1毫米,微珠太小,由污水处理系统进行过滤和在淡水和海洋环境已被发现。

有机塑料8 7可从可降解PHA制成的消费品包括包装袋,餐具和电缆护套。 照片由Metabolix公司的。

随着联邦政府禁止使用微珠,Metabolix将于3月与霍尼韦尔(Honeywell)合作生产可生物降解的微珠替代品。两家公司正在开发的微珠是由聚羟基脂肪酸酯(PHA)制成的,这种生物基塑料比较昂贵,但也比通用解放军。 两家公司正在开发的微珠是由发酵玉米淀粉制成的,但也可以用柳枝稷等非粮食作物制成。 Peoples称,PHA微珠将在数月内以与纤维素或纸张相同的速度降解成二氧化碳和水。

围绕着侧面

随着我们加大对农作物,如玉米或甘蔗来源塑料的依赖,我们可能会无意中引入新的环境问题。 最近的一项研究在杂志 清洁生产 从农业原料种植生物塑料指出 使用显著量的水,杀虫剂和肥料 这可能会造成空气和水污染,并与粮食作物争夺土地。

一种可能的方式来解决的植物基塑料的向下双方同时还降低了对石油的依赖是使用CO2 作为原料来代替。 Novomer,公司从研究分拆出来在纽约州伊萨卡,康奈尔大学是变废有限公司2 从乙醇生产工厂到塑料生产。 该公司生产多元醇 - 用于制造床垫,座垫和绝缘材料的柔性泡沫塑料,以及一系列特种涂料和密封剂。

“如果你的床垫是用我们的材料制成的,那么二氧化碳的重量百分比大约为22%,”Novomer聚合物执行副总裁Peter Shepard说。 它需要一种温室气体,是一种废物,并将其变成一种有价值的产品。“

通常,CO2 过惰性与其他化合物反应的,使得其在塑料或其它应用困难使用。 杰弗里·科茨在伊萨卡康奈尔大学的化学教授和Novomer的创始人之一,开发的催化剂是加强合作的反应2 同时减缓另一种主要多元醇成分的反应性 - 使CO更容易加入2 进入所得聚合物。

“如果你有孩子,你给他们披萨和西兰花,你告诉他们每次你吃一口披萨,你必须吃一口西兰花,”科茨说,他也是可持续聚合物中心的成员。

生物塑料的最大挑战是,它们对常规的塑料,当与基于石油的化学品,使合并的已磨练过去60年,Novomer制成Scheer的says.The的多元醇是可降解的,但失去其降解难以置信廉价的材料竞泡沫。

虽然该公司目前正专注于制造泡沫和密封剂,谢泼德说Novomer的CO2基聚合物可用于制造具有CO的可降解塑料2 内容高达50%。

最大的挑战

尽管近年来的强劲增长,有人说生物塑料也没有辜负他们的潜力。

“生物塑料行业一直没有能够创建有足够的吸引力在定价方面和特性,这将使世界上愿意改变方面的聚合物,”Cereplast公司,一个曾经领先的生物塑料公司的前首席执行官弗雷德里克·希尔说:在这2014宣布破产。

Scheer说,生物塑料最大的挑战在于它们正在与传统塑料竞争,这是60过去几年已经磨平的令人难以置信的廉价材料。

他说:“人们对油基材料的环境影响有一定的认识,而这些材料不会生物降解,但他们不愿意花费额外的资金来推动[新]类型的材料。

随着石油价格下降一半,与石油塑料的竞争在过去一年才加剧。 Scheer说:“为了与传统的油基材料竞争,我们需要油价在$ 130附近,$ 140每桶。 “显然,在每桶$ 50,我们离竞争还很遥远。”

Scheer说,世界上所有来自非石油资源的塑料都存在,但要做到这一点需要政府的大力支持。 他说:“必须由管制推动,这将迫使塑料成本和石油成本大大高于现在。

聚乙烯竞争对手?

如果可持续塑料降低我们对矿物燃料的依赖并在其使用寿命结束时降解将成为主流,那么它们必须能够不仅用于微珠,泡沫和其他特殊应用,而且还用于热塑性塑料 - 低成本低,可塑性好的聚合物,其含量超过每年生产的数亿吨塑料的80%。

目前,Coates正在研究一种新型生物聚合物,其性能可与聚乙烯相媲美,或许也比聚乙烯好,聚乙烯是用于制造从垃圾袋到水瓶到塑料玩具等各种材料的最广泛的热塑性塑料。

即使是一层薄薄的聚乙烯也非常坚固,例如,邮件信封几乎不可能打开,因为没有剪刀或牛奶罐,在投入地板时不会破裂。 “大部分是因为它是一种半结晶材料,”Coates说。 “[聚合物]链条以非常紧密和特殊的方式彼此紧挨着,总体而言,给人留下深刻的印象。”

在一个 2014研究发表在 在美国化学学会的杂志,康奈尔大学的Coates和同事们描述了一种由糖原料制成的具有半结晶结构的新材料,其性能类似于聚乙烯,但在使用寿命结束时能更好地分解。

“这不会在一夜之间发生,但我认为有一些积极的迹象表明它可能是像聚乙烯这样的塑料的真正竞争者,”希尔迈尔说。

被称为聚(聚琥珀酸聚丙二醇酯)的新材料尚未经过测试,看它在垃圾填埋场或海洋环境中分解的速度有多快。 但根据其成分,科茨说,它应该在几个月后开始在水中降解,这段时间将超过大多数单次使用产品的使用寿命。 聚(聚丙二醇琥珀酸酯)分解成丙二醇和琥珀酸,进一步还原成CO的无毒材料2 并且当由微生物摄入水。

“如果你不得不吃聚合物降解产品,这些将是你想要的,”科茨说。

这是不可能的,聚(琥珀酸聚丙烯)都不会花费少了一斤磅的基础上比传统的聚乙烯,但其独特的晶体结构表明,它可以执行比石油更好的对应。 如果是这样,生物塑料制造商可能有朝一日能够通过之类的东西牛奶壶比石油基塑料显著较少的材料与今天的塑料行业竞争。

上海之战

短席卷那些对碳价格或要求所有塑料的生物降解政府法规,生物塑料将不得不想方设法outcompete传统的塑料,如果他们曾经将填满比利基应用程序的更多。

这是一场艰苦的战斗 - 但有另一个曾经小众产品,太阳能电池板,越来越获胜。

在2007太阳能发电量比美国发电量的0.1少。 由于智慧和创新,光伏组件的价格从每瓦4美元下降到每瓦0.50美元,使太阳能成为全国增长最快的电力来源。

也许那些在生物塑料的工作看到类似的翻天覆地的变化? 最终,有很多可能不仅对自己的产品如何打破,但他们多少可以打破传统塑料的竞争优势乘坐。查看Ensia主页

关于作者

麦肯纳菲尔·麦肯纳(Phil McKenna)是一位自由撰稿人,对迷人的个人和有趣的想法的融合感兴趣。 他主要关注能源和环境,重点关注消息背后的个人。 他的作品出现在 CSZ 纽约时报,史密森,有线,奥杜邦,新的科学家,技术审查, MATTER和NOVA,他是一名特约编辑。

这篇文章最初出现在 Ensia

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