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作(zuo)者(zhe):久(jiu)信達 閱讀量:次 發表時間:2020-12-14 17:00
生物分解塑料
塑料回收再利用技術可以分為物(wu)理方法(fa)(材料回收再利用和熱回收再利用)和化學方法(fa)(化學回收再(zai)(zai)(zai)利用(yong)(yong))兩大類。其(qi)中材料(liao)回收再(zai)(zai)(zai)利用(yong)(yong)比較簡便而且成本低(di),像PET瓶子目前(qian)回收再(zai)(zai)(zai)利用(yong)(yong)的(de)(de)(de)比率在90%以(yi)上(shang),但(dan)是(shi)材料(liao)回收再(zai)(zai)(zai)利用(yong)(yong)無法避免重(zhong)復再(zai)(zai)(zai)生的(de)(de)(de)塑料(liao)制品的(de)(de)(de)品質降(jiang)低(di),從而使再(zai)(zai)(zai)生利用(yong)(yong)受到很大限制。
化(hua)(hua)學回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利(li)用(yong)又可以(yi)分(fen)為廢(fei)(fei)塑(su)(su)(su)料的(de)(de)(de)氣化(hua)(hua)、油化(hua)(hua)、甲(jia)醇化(hua)(hua)回(hui)(hui)收(shou)(shou),和(he)廢(fei)(fei)塑(su)(su)(su)料的(de)(de)(de)單體化(hua)(hua)、低聚物(wu)化(hua)(hua)回(hui)(hui)收(shou)(shou)。從循環經濟(ji)角(jiao)度(du)的(de)(de)(de)觀點來看(kan),后者具(ju)有更大(da)的(de)(de)(de)優(you)勢。化(hua)(hua)學回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利(li)用(yong)對生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)分(fen)解(jie)(jie)(jie)塑(su)(su)(su)料的(de)(de)(de)回(hui)(hui)收(shou)(shou)處理(li)上也是可行(xing)的(de)(de)(de)。這是因(yin)為,生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)分(fen)解(jie)(jie)(jie)塑(su)(su)(su)料大(da)都是靠(kao)容(rong)易(yi)發生(sheng)(sheng)(sheng)水解(jie)(jie)(jie)的(de)(de)(de)酯鍵和(he)酰氨鍵結合而成的(de)(de)(de),比(bi)較容(rong)易(yi)發生(sheng)(sheng)(sheng)解(jie)(jie)(jie)聚反應,所以(yi)比(bi)較容(rong)易(yi)進(jin)行(xing)單體化(hua)(hua)回(hui)(hui)收(shou)(shou),因(yin)此,目前(qian)對生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)分(fen)解(jie)(jie)(jie)塑(su)(su)(su)料如何進(jin)行(xing)化(hua)(hua)學回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利(li)用(yong)的(de)(de)(de)研究也正在逐漸增多。
不(bu)管生(sheng)物分(fen)解(jie)塑(su)料(liao)是(shi)(shi)屬于微生(sheng)物產(chan)生(sheng)類(lei)、天然物類(lei)還(huan)是(shi)(shi)化學(xue)(xue)合(he)成類(lei),都(dou)(dou)要(yao)盡可能(neng)地謀求(qiu)循(xun)(xun)環(huan)利(li)用(yong)。這(zhe)是(shi)(shi)因(yin)為,生(sheng)物分(fen)解(jie)塑(su)料(liao)通過循(xun)(xun)環(huan)利(li)用(yong),在生(sheng)命周期整體上(shang)來看能(neng)量(liang)的消耗和二氧化碳產(chan)生(sheng)量(liang)都(dou)(dou)會比較(jiao)小(xiao)。在這(zhe)一(yi)點上(shang),聚(ju)乳酸(suan)(PLA)等生(sheng)物基聚(ju)合(he)物也是(shi)(shi)一(yi)樣的。在這(zhe)些物質(zhi)的制造中(zhong),由于發酵工程(cheng)和產(chan)生(sheng)物的化學(xue)(xue)變換(huan)過程(cheng)等中(zhong)都(dou)(dou)需(xu)要(yao)相(xiang)應的能(neng)量(liang),所(suo)以才(cai)更需(xu)要(yao)謀求(qiu)循(xun)(xun)環(huan)型回(hui)收利(li)用(yong)。
適用(yong)于生物(wu)(wu)分(fen)解(jie)塑料的(de)(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)(hui)收(shou)(shou)再(zai)利(li)用(yong)過(guo)程包括(kuo)重(zhong)復使用(yong)、材料回(hui)(hui)(hui)收(shou)(shou)利(li)用(yong)、熱(re)回(hui)(hui)(hui)收(shou)(shou)再(zai)利(li)用(yong)、化學回(hui)(hui)(hui)收(shou)(shou)再(zai)利(li)用(yong)和(he)(he)(he)生物(wu)(wu)回(hui)(hui)(hui)收(shou)(shou)再(zai)利(li)用(yong)等(圖8-1)。現(xian)在還是(shi)石油類生物(wu)(wu)分(fen)解(jie)塑料較多,今后,隨著生物(wu)(wu)質制(zhi)造(zao)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan),預期(qi)會逐(zhu)漸(jian)變成(cheng)生物(wu)(wu)基的(de)(de)(de)(de)(de)生物(wu)(wu)分(fen)解(jie)塑料。但(dan)由于資源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)有限(xian)性,即(ji)使是(shi)生物(wu)(wu)基的(de)(de)(de)(de)(de)生物(wu)(wu)分(fen)解(jie)塑料,也要不斷研究(jiu)制(zhi)造(zao)工程和(he)(he)(he)生命循(xun)環周(zhou)期(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)簡化、移動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質量的(de)(de)(de)(de)(de)減少、材料的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)性能化和(he)(he)(he)高(gao)技(ji)能化,以及循(xun)環技(ji)術和(he)(he)(he)相應的(de)(de)(de)(de)(de)系統。
物理回收再(zai)利(li)用
材料(liao)回收利用(yong)(yong)是保持(chi)塑(su)(su)(su)料(liao)的(de)高分(fen)(fen)子狀(zhuang)態,進(jin)行(xing)熔融、溶(rong)解(jie)(jie),然后(hou)加工成(cheng)型成(cheng)新(xin)的(de)產(chan)品的(de)方法。相比石化來源的(de)塑(su)(su)(su)料(liao),生(sheng)物(wu)分(fen)(fen)解(jie)(jie)塑(su)(su)(su)料(liao)也(ye)應該先(xian)進(jin)行(xing)重復多次使用(yong)(yong),然后(hou)進(jin)行(xing)材料(liao)回收利用(yong)(yong)。材料(liao)回收利用(yong)(yong)中難點在于(yu)異種聚(ju)合物(wu)和(he)(he)(he)添(tian)加劑的(de)混入,和(he)(he)(he)混入了部分(fen)(fen)水解(jie)(jie)后(hou)的(de)聚(ju)合物(wu)。生(sheng)物(wu)分(fen)(fen)解(jie)(jie)塑(su)(su)(su)料(liao)和(he)(he)(he)PET等(deng)通用(yong)(yong)塑(su)(su)(su)料(liao)一(yi)樣,收集后(hou)要進(jin)行(xing)雜質分(fen)(fen)離、挑選、粉碎等(deng)前處(chu)理,然后(hou)進(jin)行(xing)熔融、顆粒化等(deng)處(chu)理。一(yi)般地,根(gen)據(ju)塑(su)(su)(su)料(liao)的(de)用(yong)(yong)途不同(tong),對性能的(de)要求也(ye)會不同(tong)。所以(yi),由于(yu)前面所說的(de)原因,材料(liao)回收利用(yong)(yong)所得的(de)塑(su)(su)(su)料(liao)性能會降低,而無法再使用(yong)(yong)于(yu)同(tong)一(yi)用(yong)(yong)途,只能降級使用(yong)(yong)。
因此,繼材(cai)料(liao)(liao)回收(shou)利用的(de)方法之后(hou),就要考慮化(hua)學回收(shou)再利用了。現在(zai)生物分(fen)解塑料(liao)(liao)的(de)普及還十分(fen)有(you)限,所以(yi)循環再生也(ye)受到限制。例如,在(zai)日(ri)本2005年(nian)愛知世博會用過的(de)食品器具,作為材(cai)料(liao)(liao)回收(shou)利用的(de)實例,它(ta)被回收(shou)后(hou)制成植物栽培(pei)容(rong)器,用于同年(nian)10月開幕的(de)日(ri)本岡山國體等場(chang)合。
在實際使用(yong)中(zhong)(zhong),為了提高強(qiang)度、耐(nai)熱性等(deng)性質(zhi),會在PLA中(zhong)(zhong)配入各種添(tian)加劑和(he)混溶劑。例如,在電器的(de)外(wai)殼(ke)和(he)汽車(che)零部(bu)件中(zhong)(zhong)混入洋(yang)(yang)麻(ma)(ma)植(zhi)物纖維(wei)后,就可(ke)以(yi)得到強(qiang)度和(he)耐(nai)熱性足夠的(de)樹脂。洋(yang)(yang)麻(ma)(ma)自身生(sheng)長速(su)度很(hen)快(kuai),二氧化碳的(de)固定量(liang)也較多,但很(hen)少被(bei)作為植(zhi)物纖維(wei)使用(yong),有望(wang)被(bei)作為生(sheng)物基纖維(wei)使用(yong)。添(tian)加了洋(yang)(yang)麻(ma)(ma)植(zhi)物纖維(wei)的(de)PLA的(de)材料(liao)回收利(li)(li)用(yong)基本過程是(shi),熔融、顆(ke)粒化和(he)再成型,過程中(zhong)(zhong)不會出(chu)現明顯(xian)的(de)物性降(jiang)低,因此(ci)可(ke)以(yi)進(jin)行多次材料(liao)回收利(li)(li)用(yong)。
但是,將來隨著生物塑料品種和(he)使(shi)用(yong)量逐(zhu)漸增加,需要回(hui)(hui)收利用(yong)的量也會(hui)越(yue)來越(yue)多,單(dan)靠材料回(hui)(hui)收的話(hua)明(ming)顯無法(fa)處理(li),于是化學回(hui)(hui)收再利用(yong)逐(zhu)漸不被人們重視(shi)。
化學(xue)回收再利用
化(hua)(hua)學回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利用(yong)(yong)(yong),是(shi)把塑料(liao)以(yi)化(hua)(hua)學手(shou)段處理成有用(yong)(yong)(yong)的(de)低分(fen)子后(hou)再進行利用(yong)(yong)(yong)。有石油化(hua)(hua)學為主的(de)能量回(hui)(hui)收(shou)(shou),和(he)回(hui)(hui)收(shou)(shou)塑料(liao)原(yuan)料(liao)的(de)單(dan)體回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利用(yong)(yong)(yong)之分(fen),從后(hou)者的(de)意(yi)義上利用(yong)(yong)(yong)的(de)情(qing)況比較多。從反(fan)應類(lei)型來看,化(hua)(hua)學回(hui)(hui)收(shou)(shou)再利用(yong)(yong)(yong)又分(fen)為熱(re)(re)分(fen)解(jie)和(he)化(hua)(hua)學解(jie)聚兩大類(lei)。把塑料(liao)作為化(hua)(hua)學原(yuan)料(liao)和(he)燃料(liao)回(hui)(hui)收(shou)(shou)的(de)方(fang)法(fa)(熱(re)(re)分(fen)解(jie)技術),常(chang)見的(de)有隔絕(jue)空氣(qi)的(de)熱(re)(re)分(fen)解(jie)和(he)在(zai)氫氣(qi)下的(de)熱(re)(re)分(fen)解(jie)。曾經試著(zhu)把初期的(de)熱(re)(re)分(fen)解(jie)放置(zhi)在(zai)真空中還原(yuan)成單(dan)體,但(dan)是(shi)高(gao)溫熱(re)(re)分(fen)解(jie)中,在(zai)目標主反(fan)應之外也很容(rong)易產生(sheng)副反(fan)應,非常(chang)難以(yi)控(kong)制。
但是近來,通過在熱分(fen)解反應(ying)中(zhong)添加催(cui)(cui)化(hua)劑,慢(man)慢(man)可以(yi)控制反應(ying),并開發(fa)了(le)對(dui)應(ying)于精密聚(ju)合技(ji)術(shu)(shu)的精密解聚(ju)技(ji)術(shu)(shu)。化(hua)學(xue)解聚(ju)生(sheng)成單(dan)體的方(fang)法(解聚(ju)技(ji)術(shu)(shu))又可以(yi)按(an)催(cui)(cui)化(hua)劑和溶劑不同分(fen)為加水分(fen)解、加醇分(fen)解、葡萄(tao)糖分(fen)解等。此外,把酶和微生(sheng)物作為可再生(sheng)天然催(cui)(cui)化(hua)物使用的生(sheng)物化(hua)學(xue)法也得到(dao)了(le)關注。
生物分解塑料的生物分解和解聚發生的化學結構部位基本上是共通的。開始是PLA和PHA,到后來PCL、脂(zhi)肪族聚(ju)(ju)碳(tan)酸酯、聚(ju)(ju)氨酸等,許(xu)多(duo)生(sheng)物分(fen)解(jie)塑(su)料都被發現(xian)具有化(hua)學回(hui)收再(zai)利用機能。生(sheng)物(wu)分(fen)解(jie)塑料是(shi)根據物(wu)性要求進行(xing)混合的,所以比起熱分(fen)解(jie),通過(guo)解(jie)聚進行(xing)分(fen)別(bie)化學回(hui)收(shou)是(shi)更為有效的手段。而(er)且,隨著利(li)用(yong)超(亞(ya))臨界二氧化碳、水和甲醇的新(xin)技(ji)術的開(kai)發(fa),化學回(hui)收(shou)再利(li)用(yong)的優勢也(ye)會越來越大。
單(dan)體(ti)(ti)(ti)(ti)還原(yuan)型化學回收再利(li)(li)用中的(de)(de)(de)基本(ben)反(fan)應,是利(li)(li)用聚(ju)(ju)合(he)(he)反(fan)應和(he)解(jie)(jie)聚(ju)(ju)反(fan)應的(de)(de)(de)平衡(heng)(heng)狀態的(de)(de)(de)反(fan)應。環狀單(dan)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)開(kai)環聚(ju)(ju)合(he)(he)中,開(kai)環的(de)(de)(de)能量是聚(ju)(ju)合(he)(he)的(de)(de)(de)推動力(li),另一方(fang)面(mian),聚(ju)(ju)合(he)(he)消耗(hao)掉能量令平衡(heng)(heng)向(xiang)環狀單(dan)體(ti)(ti)(ti)(ti)方(fang)向(xiang)進行(xing),從而形成聚(ju)(ju)合(he)(he)-解(jie)(jie)聚(ju)(ju)的(de)(de)(de)平衡(heng)(heng)狀態。即如圖8-2所(suo)示,開(kai)環聚(ju)(ju)合(he)(he)隨反(fan)應條件變化反(fan)應是可逆的(de)(de)(de),平衡(heng)(heng)成立(li)。所(suo)以(yi),為了(le)促進單(dan)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)解(jie)(jie)聚(ju)(ju),會(hui)通過(guo)減壓等(deng)方(fang)法使生成的(de)(de)(de)單(dan)體(ti)(ti)(ti)(ti)氣(qi)化從而被隔離到(dao)系統外等(deng)方(fang)法。但是,一般在(zai)高溫下進行(xing)的(de)(de)(de)熱(re)分解(jie)(jie)反(fan)應,會(hui)受到(dao)副反(fan)應和(he)聚(ju)(ju)合(he)(he)物鍵的(de)(de)(de)末(mo)端基團結構的(de)(de)(de)影響,所(suo)以(yi)在(zai)控制上比精(jing)密解(jie)(jie)聚(ju)(ju)和(he)精(jing)密聚(ju)(ju)合(he)(he)更難(nan)。
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