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作者:久信達(dá) 閱讀量:次 發(fā)表時(shí)間:2020-12-14 17:00
生物分解塑料
塑料回收再利用技術(shù)可以分為物理方法(材料回收再利用和熱回收再利用)和化學(xué)方法(化學(xué)回收再利用)兩大類。其中材料回收再利用比較簡(jiǎn)便而且成本低,像PET瓶子目前回收再利用的比率在90%以上,但是材料回收再利用無(wú)法避免重復(fù)再生的塑料制品的品質(zhì)降低,從而使再生利用受到很大限制。
化學(xué)回收再利用又可以分為廢塑料的氣化、油化、甲醇化回收,和廢塑料的單體化、低聚物化回收。從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度的觀點(diǎn)來(lái)看,后者具有更大的優(yōu)勢(shì)?;瘜W(xué)回收再利用對(duì)生物分解塑料的回收處理上也是可行的。這是因?yàn)椋锓纸馑芰洗蠖际强咳菀装l(fā)生水解的酯鍵和酰氨鍵結(jié)合而成的,比較容易發(fā)生解聚反應(yīng),所以比較容易進(jìn)行單體化回收,因此,目前對(duì)生物分解塑料如何進(jìn)行化學(xué)回收再利用的研究也正在逐漸增多。
不管生物分解塑料是屬于微生物產(chǎn)生類、天然物類還是化學(xué)合成類,都要盡可能地謀求循環(huán)利用。這是因?yàn)?,生物分解塑料通過(guò)循環(huán)利用,在生命周期整體上來(lái)看能量的消耗和二氧化碳產(chǎn)生量都會(huì)比較小。在這一點(diǎn)上,聚乳酸(PLA)等生物基聚合物也是一樣的。在這些物質(zhì)的制造中,由于發(fā)酵工程和產(chǎn)生物的化學(xué)變換過(guò)程等中都需要相應(yīng)的能量,所以才更需要謀求循環(huán)型回收利用。
適用于生物分解塑料的回收再利用過(guò)程包括重復(fù)使用、材料回收利用、熱回收再利用、化學(xué)回收再利用和生物回收再利用等(圖8-1)?,F(xiàn)在還是石油類生物分解塑料較多,今后,隨著生物質(zhì)制造技術(shù)的發(fā)展,預(yù)期會(huì)逐漸變成生物基的生物分解塑料。但由于資源的有限性,即使是生物基的生物分解塑料,也要不斷研究制造工程和生命循環(huán)周期的簡(jiǎn)化、移動(dòng)的物質(zhì)量的減少、材料的高性能化和高技能化,以及循環(huán)技術(shù)和相應(yīng)的系統(tǒng)。
物理回收再利用
材料回收利用是保持塑料的高分子狀態(tài),進(jìn)行熔融、溶解,然后加工成型成新的產(chǎn)品的方法。相比石化來(lái)源的塑料,生物分解塑料也應(yīng)該先進(jìn)行重復(fù)多次使用,然后進(jìn)行材料回收利用。材料回收利用中難點(diǎn)在于異種聚合物和添加劑的混入,和混入了部分水解后的聚合物。生物分解塑料和PET等通用塑料一樣,收集后要進(jìn)行雜質(zhì)分離、挑選、粉碎等前處理,然后進(jìn)行熔融、顆粒化等處理。一般地,根據(jù)塑料的用途不同,對(duì)性能的要求也會(huì)不同。所以,由于前面所說(shuō)的原因,材料回收利用所得的塑料性能會(huì)降低,而無(wú)法再使用于同一用途,只能降級(jí)使用。
因此,繼材料回收利用的方法之后,就要考慮化學(xué)回收再利用了?,F(xiàn)在生物分解塑料的普及還十分有限,所以循環(huán)再生也受到限制。例如,在日本2005年愛(ài)知世博會(huì)用過(guò)的食品器具,作為材料回收利用的實(shí)例,它被回收后制成植物栽培容器,用于同年10月開(kāi)幕的日本岡山國(guó)體等場(chǎng)合。
在實(shí)際使用中,為了提高強(qiáng)度、耐熱性等性質(zhì),會(huì)在PLA中配入各種添加劑和混溶劑。例如,在電器的外殼和汽車零部件中混入洋麻植物纖維后,就可以得到強(qiáng)度和耐熱性足夠的樹(shù)脂。洋麻自身生長(zhǎng)速度很快,二氧化碳的固定量也較多,但很少被作為植物纖維使用,有望被作為生物基纖維使用。添加了洋麻植物纖維的PLA的材料回收利用基本過(guò)程是,熔融、顆粒化和再成型,過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的物性降低,因此可以進(jìn)行多次材料回收利用。
但是,將來(lái)隨著生物塑料品種和使用量逐漸增加,需要回收利用的量也會(huì)越來(lái)越多,單靠材料回收的話明顯無(wú)法處理,于是化學(xué)回收再利用逐漸不被人們重視。
化學(xué)回收再利用
化學(xué)回收再利用,是把塑料以化學(xué)手段處理成有用的低分子后再進(jìn)行利用。有石油化學(xué)為主的能量回收,和回收塑料原料的單體回收再利用之分,從后者的意義上利用的情況比較多。從反應(yīng)類型來(lái)看,化學(xué)回收再利用又分為熱分解和化學(xué)解聚兩大類。把塑料作為化學(xué)原料和燃料回收的方法(熱分解技術(shù)),常見(jiàn)的有隔絕空氣的熱分解和在氫氣下的熱分解。曾經(jīng)試著把初期的熱分解放置在真空中還原成單體,但是高溫?zé)岱纸庵?,在目?biāo)主反應(yīng)之外也很容易產(chǎn)生副反應(yīng),非常難以控制。
但是近來(lái),通過(guò)在熱分解反應(yīng)中添加催化劑,慢慢可以控制反應(yīng),并開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)于精密聚合技術(shù)的精密解聚技術(shù)?;瘜W(xué)解聚生成單體的方法(解聚技術(shù))又可以按催化劑和溶劑不同分為加水分解、加醇分解、葡萄糖分解等。此外,把酶和微生物作為可再生天然催化物使用的生物化學(xué)法也得到了關(guān)注。
生物分解塑料的生物分解和解聚發(fā)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)部位基本上是共通的。開(kāi)始是PLA和PHA,到后來(lái)PCL、脂肪族聚碳酸酯、聚氨酸等,許多生物分解塑料都被發(fā)現(xiàn)具有化學(xué)回收再利用機(jī)能。生物分解塑料是根據(jù)物性要求進(jìn)行混合的,所以比起熱分解,通過(guò)解聚進(jìn)行分別化學(xué)回收是更為有效的手段。而且,隨著利用超(亞)臨界二氧化碳、水和甲醇的新技術(shù)的開(kāi)發(fā),化學(xué)回收再利用的優(yōu)勢(shì)也會(huì)越來(lái)越大。
單體還原型化學(xué)回收再利用中的基本反應(yīng),是利用聚合反應(yīng)和解聚反應(yīng)的平衡狀態(tài)的反應(yīng)。環(huán)狀單體的開(kāi)環(huán)聚合中,開(kāi)環(huán)的能量是聚合的推動(dòng)力,另一方面,聚合消耗掉能量令平衡向環(huán)狀單體方向進(jìn)行,從而形成聚合-解聚的平衡狀態(tài)。即如圖8-2所示,開(kāi)環(huán)聚合隨反應(yīng)條件變化反應(yīng)是可逆的,平衡成立。所以,為了促進(jìn)單體的解聚,會(huì)通過(guò)減壓等方法使生成的單體氣化從而被隔離到系統(tǒng)外等方法。但是,一般在高溫下進(jìn)行的熱分解反應(yīng),會(huì)受到副反應(yīng)和聚合物鍵的末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響,所以在控制上比精密解聚和精密聚合更難。
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