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生物分解塑料的回收再利用技术-生物降解环(huán)保塑

生物分解塑料

塑料回收再利用技术可以分为物理方法(材料回收再利用和热回收再利用)和化学方法(化学回收再利用(yòng))两大类。其中(zhōng)材料回收再利用比(bǐ)较(jiào)简便而且成(chéng)本低,像PET瓶(píng)子目前回收再利用的比率在90%以上(shàng),但是材料回收再利用无法避免重复再生的塑料制品的品质(zhì)降低,从而使再生利用受(shòu)到很大限制。

化学回收再利用又可以分为废(fèi)塑料的气化、油化(huà)、甲醇化回收,和(hé)废塑料的单体(tǐ)化、低聚物化回收。从循环经济角度(dù)的观点来看,后(hòu)者具有更大的优势。化学回收再利用对(duì)生物分解塑料的回收处理上(shàng)也是可行的(de)。这是因为,生物分解(jiě)塑料(liào)大(dà)都是靠容易发生水解的酯键(jiàn)和酰氨(ān)键结合而成的,比较容易发(fā)生解聚反应,所以比较容易进行单(dān)体化回收,因此,目前对生(shēng)物分解塑(sù)料如何进(jìn)行(háng)化学回收再利用的研究也正在逐渐增多。

不管生物分解(jiě)塑料是属于微生物(wù)产生类、天然物类还是化学合成类,都要尽可能地谋求循环利用(yòng)。这是因为,生(shēng)物分解塑料通过循环(huán)利用,在生命周(zhōu)期整体上(shàng)来看能量的消耗和二氧化碳产生量都会比较小。在这一点上(shàng),聚乳酸(PLA)等生物基(jī)聚合物也是一样的。在这(zhè)些物质的制造中,由于发酵工程和产生物的化学变换过程等中(zhōng)都需要相应的能量,所以才(cái)更(gèng)需要谋(móu)求循环型回收(shōu)利用。

适(shì)用于生物分解塑料的回收再(zài)利用过程(chéng)包括重复使用、材料回收(shōu)利用、热回收再利用、化学回收再利用和生物回收再利用等(děng)(图8-1)。现在还是石油类生物分解塑料较多,今后,随着(zhe)生物质制造技术的发展,预期会逐渐变成生物基的生(shēng)物分解塑(sù)料。但由于资源(yuán)的有限(xiàn)性,即使是生物基的生物分解塑料,也(yě)要不断研究制造工(gōng)程和生命循环周期的简化、移动的物质量的减少、材料的高性能化和高技(jì)能化,以及循环技术和相应的系统(tǒng)。

生(shēng)物分解塑料的回(huí)收再利用技术(shù)-生物降解环保塑(图1)

物理回收(shōu)再利用

材(cái)料回收利用是保持塑料的(de)高分子(zǐ)状态,进行(háng)熔融、溶解,然后加工成型成新的产品(pǐn)的方法。相比石化来源(yuán)的塑料,生物分解塑(sù)料(liào)也应该(gāi)先进行重复多次(cì)使用,然后进行材料(liào)回收利用。材料回收(shōu)利用中难点在于异种聚合物和添加剂的(de)混入,和混入了部分水解后的聚合物。生物分解塑(sù)料和PET等通用塑料一样,收集(jí)后要进行杂质分离、挑选、粉碎等前处理,然后进行熔融、颗粒化等处理。一般(bān)地,根据(jù)塑(sù)料的用途不同,对性能的要求也会不同。所以,由于前面所说的原因,材料回(huí)收利用所得的塑料性能会降低,而无法再使用于(yú)同一(yī)用途,只能降级使用。

因此,继(jì)材料(liào)回收(shōu)利用的方法之后,就要考虑化学回收再利用了。现在生物(wù)分解塑料的普(pǔ)及还十分有限,所以循环再生也受到限制。例如(rú),在日本2005年爱知世博会用过的食品器具,作为材料回收利用(yòng)的实例,它被回收后制成植(zhí)物栽培容器,用于同年10月开幕的日本冈山国体等场合。

在实际(jì)使用中(zhōng),为了提高强度、耐热性等性质,会在PLA中配入各种(zhǒng)添加剂和混(hún)溶剂。例(lì)如,在(zài)电器的外壳和汽车零部件中混入洋麻植物纤维后,就可以(yǐ)得到强度和耐热性足够(gòu)的(de)树脂。洋麻自身(shēn)生长速度很快,二氧化(huà)碳的固定量也较多,但很少被作为植物纤维使用,有望被作为生物基纤维使用。添(tiān)加了洋麻植物纤维的PLA的(de)材(cái)料回收利用(yòng)基本过程是,熔融、颗粒化和(hé)再成(chéng)型,过(guò)程中不会出现明(míng)显的物性降(jiàng)低,因此可以进行多次材料回收(shōu)利用。

但是,将来随着生物塑料品种和(hé)使用量逐渐增加(jiā),需要回收(shōu)利用的量也会越来越(yuè)多,单靠材料回收的话(huà)明显无法处理,于(yú)是化学回收(shōu)再利用逐(zhú)渐不(bú)被人们重视。

化学回收再利(lì)用

化学(xué)回收再利用,是(shì)把塑料(liào)以化学手段处理(lǐ)成有用的低分子后再进行利用。有石油化学(xué)为主的能(néng)量回收(shōu),和回收塑料原料的单体回收再利用之分,从后者的意义上利用(yòng)的情况比(bǐ)较多。从反应类型来看,化学回收再利用又分为热分(fèn)解和化(huà)学解聚两大类。把塑料作为化学(xué)原料(liào)和燃料(liào)回收(shōu)的方法(热分解技术),常见的有(yǒu)隔绝空气的热分(fèn)解和在氢(qīng)气下的热分解。曾经试着把初期的热分解放置在真(zhēn)空中还原成单体,但是高温热分解中,在目标主反应之外也很容易产生副(fù)反应,非常难以控制。

但是近来,通过在热(rè)分解反应中添加催化剂(jì),慢慢可(kě)以控制反(fǎn)应,并开发了(le)对(duì)应于精密聚合技术的精密(mì)解聚(jù)技术。化学解聚生(shēng)成(chéng)单体的方法(解(jiě)聚技术)又可以按催化剂和溶剂不同分为加水分解、加醇分解(jiě)、葡萄糖分解等。此外,把酶和微生物作为可再生天然催化物使用的生物化学法也得到了关注。

生物分解塑料(liào)的生物分解和(hé)解聚发(fā)生(shēng)的化学结构部位基本上(shàng)是共通的。开始是PLA和PHA,到后来PCL、脂肪(fáng)族聚碳酸(suān)酯、聚氨酸等,许多生物分解塑料都被发现具有化学回收再利用机能。生物分(fèn)解塑料是根据物(wù)性要求进(jìn)行混合的,所以比起热分解,通过(guò)解聚进行(háng)分(fèn)别(bié)化学回收是(shì)更为有效的手段。而且,随着利用超(亚)临(lín)界二氧化碳、水和甲醇的新技术的开发,化学回收再利用(yòng)的优势也会越来(lái)越大。

单体还原型化学(xué)回收再(zài)利用中的基本反应,是利用聚合反应和解聚反应的平(píng)衡状态的反应。环状单体的开环聚合中,开环的能量是聚合的推动力,另一方面,聚合消耗掉(diào)能量令平衡向环状单(dān)体方向进行(háng),从而形成聚合-解聚的平衡状态。即如图8-2所(suǒ)示,开(kāi)环聚(jù)合随反应条件变化反应是可逆(nì)的,平衡成立。所(suǒ)以,为了促进单(dān)体的解聚,会通过减压等(děng)方法使生成的单体气化从而被隔离到系统外等(děng)方法。但是(shì),一(yī)般在高温下进行的热分解反应,会受到副反应和聚合物键的末端基团结构的影响,所(suǒ)以(yǐ)在控制上比精(jīng)密解聚和精密聚合更难。

生物分解塑料的回收再利用技(jì)术-生物降解环保塑(图2)

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