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可回收再利用的塑料袋:可生物降解塑料

久信达发布于:2020-11-17 18:00文字:【大】【中】【小】

一、需氧性处理中的生物回收再利用


堆肥中的分解是好氧分解评估该分解方法的生物降解性的实验方法的标准化可以促进环保产品的市场开发和扩展。

为了建立“生物降解性评价实验方法的标准化”,BPS在日本进行了3年的生物降解剂(MODA法)验证试验,并将该实验方法作为ISO规格提交给了日本塑料工业联合会。 2003年,日本塑料工业联合会在2003年9月30日于荷兰的ISO / TC61 / SC5 / WG22 MAASTRICHT国际会议上将该实验方法作为新的操作项目建议(NWIP)提交,并获得通过。结果表明,不同国家的生物降解程度不同,这是由于保水率和有机质含量的不同所致。

塑料在堆肥条件下的生物降解能力取决于产生的二氧化碳量。堆肥和塑料样品的混合物在有氧条件下于58℃生物分解,并在6个月内测定。故障分类如图8-16所示。从图中可以看出,在诱导阶段(滞后阶段:生物降解率达到理论值的10%)和生物降解阶段后,经过150天进入高原阶段,总测量时间为6个月(180天)。



图8-16 生物分解度曲线

瑞典,意大利,中国,印度和日本的验证测试结果如图8-17所示。从图8-17可以看出,包括区域差异和实验误差在内,PCL在45天后的生物降解能力曲线的R2为0.8191,偏差在20%以内,可靠性为82%。每个国家的国内偏差(n = 2)低于5%(省略数据)。


图8-17   PCL的生物分解度曲线
从该结果可以得出以下结论。
①缩短上岗时间
②提高保水性
将这些作为未来的技术研究主题,并继续进行下一阶段的验证测试。

二,厌氧处理中的生物循环

生物回收和再利用的另一个有希望的过程是产生沼气。在该方法中可以获得可用作气体燃料的甲烷,因此也可以将其视为化学回收和再利用中的一种。像堆肥一样,这种方法自很久以前就已成为一种传统技术,但是在石油危机之后,这种方法也得到了改进,例如效率低下和易受外部环境影响。近年来,欧洲进行了许多新的尝试,例如使有机废水在甲烷菌的固定板上向上或向下流动,同时在55℃附近的高温下进行甲烷发酵。如图8-12所示,用作流体燃料的级别高于用作肥料的级别,并且与燃料电池结合使用更有吸引力,从而更易于使用电力或成为气体燃料。这种分解是厌氧生物分解,通过它可以以甲烷的形式回收能量,这将是未来的一个重要领域。
甲烷发酵是厌氧环境中常见的微生物反应,是在大量厌氧细菌共同作用下有机化合物分解为甲烷和二氧化碳的反应。在微生物的作用下甲烷的产生经历了三个阶段,如图8-18所示。



图8-18  在微生物作用下生成甲烷的路线

 
分解分两个阶段进行(图8-18)。第一步是将复杂化合物分解为简单化合物的过程,尤其是低级脂肪酸酯。第二阶段是将这些化合物进一步分解为甲烷和二氧化碳。在学术上,第二阶段的分解称为甲烷发酵,分解中的相关细菌统称为甲烷细菌。 A.M. Buswell(1930),H.A。Barker(1936)等人分别培养了各种甲烷细菌,因此了解了以下化学式所示的甲烷发酵机理。

(1)脂肪酸产生甲烷

脂肪酸产生甲烷

(甲酸酯)
甲酸酯
(醋酸)
醋酸
(丙酸)
丙酸
(丁酸)
丁酸
(戊酸)
戊酸
(2)甲烷由酒精产生
甲烷由酒精产生
(乙醇)
乙醇
(丙醇)
丙醇
(异丙醇)
异丙醇
(3)将二氧化碳还原为甲烷
将二氧化碳还原为甲烷
甲烷发酵包括两种方法:在常温下排放污水污泥和尿液时进行中温发酵(约38℃),在60〜70℃下排放工厂废水(如酒精的蒸馏水)进行高温发酵。
 
上述两种处理方法的摘要如图8-19所示。中国在这一领域的技术比较先进,因此应该积极向国际社会提出建议。从全球化的角度来看,可生物降解塑料作为增强中国工业竞争力的资本,对于中国技术的国际优势,中国在国际市场上的地位以及研发成果的普及至关重要。



图8-19 需氧分解和厌氧分解的总结

 
为了满足社会的需求,建立支持产业竞争力共同基础的实验评估方法非常重要。此外,为了通过海外计划中的验证测试获得客观的评估并使其成为全球标准,有必要研究和讨论可能出现的新问题。自1989年以来,BPS一直致力于建立可生物降解塑料的实验和评估方法,以期将来制定出日本发布的ISO规范。

近年来,PLA泡沫已被引入Precision City的鱼箱市场,并进行了在中等温度(约38℃)下甲烷发酵的实验,该实验利用损坏的鱼箱和食物残渣回收沼气。该产品还具有一些问题,例如由于其低发泡率而导致重量大和强度不足。而且,需要讨论材料的粉碎方法以及与食物残渣的混合比,但是已经将其生物分解并转化为沼气。

与食物残渣和牲畜粪便相比,堆肥,甲烷发酵和掩埋在土壤中,缓慢的分解速度是这些材料的共同特征。图8-20是堆肥环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)之间的可生物降解性的比较。尽管它们之间存在差异,但与生活垃圾(2〜5天)和牲畜粪便(5〜7天)相比,分解速度非常慢,所需时间(天)也很长。我们不能指望在混合中使用塑料作为主要原料,因此我们必须掌握适当的混合比例。



图8-20 堆肥环境下的生物分解度曲线

三,生物循环利用的前景

至于生物基化学品,2015年琥珀酸的表观消费量约为100,000吨。根据透明市场研究机构2013年发布的报告,预计到2018年琥珀酸市场需求将达到8亿美元。2014年,全球乳酸表观消费量约为40万吨,国内乳酸制酸能力超过20万吨,但实际表观消费量仅为6万吨。尽管国内供需失衡很大,但仍有企业为乳酸生产项目做准备,必须引起注意。

近年来,生物基塑料发展迅速,关键技术取得突破,产品类型迅速增加,产品经济性提高。它们正在成为工业投资的热点,显示出强劲的发展势头,数十条产能超过10,000吨的生产线已经或正在建设中。在短期内,由于生物基塑料的高成本,一些功能性应用品种将迅速发展。例如,可生物降解塑料由于其可生物降解性而满足欧美发达国家塑料禁令的要求,即使成本高,市场空间也很大。从长远来看,除了可生物降解塑料的发展外,某些不可生物降解的塑料,例如生物基尼龙,生物基聚乙烯和生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯,可能会在世界范围内得到广泛使用。但是,在中国,由于尚未对这些材料进行测试,因此短期内不会大规模开发。生物基材料产业正处于实验室研究开发阶段,进入工业化生产和大规模应用阶段,并逐渐成为工业化的散装材料。但是,在微生物合成菌株,原料研发,产品成型加工技术和设备以及大规模应用示范等方面,仍需不断发展。
 
生物基聚合物的生物循环为例,可生物降解塑料或生物基聚合物的生物循环的前景被展望。在普及和普及过程中,生物基聚合物的生物循环利用的主要问题是确保性能和降低价格。在生物基聚合物的普及中,如何大幅度降低价格并增强传统商业塑料的竞争力直接关系到其未来。根据日本有机资源协会的计算,假设相关的生产条件与现在相同,则年产5万吨的PLA的生产成本为450日元/ kg,在原料加工过程中消耗了70%物料发酵得到乳酸单体。这表明以国内生物质为原料很难经济地生产聚乳酸。但是,通过将PLA分解为乳酸低聚物和单体的酶微生物进行PLA的再利用和回收,以及通过生物回收和再利用进行化学回收和再利用,在制造成本和回收方面有望与传统塑料竞争。




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