尋求可持續塑料

尋求可持續塑料

作為石油基聚合物犯規,我們的海洋和垃圾我們的生活中,研究人員尋求更環保的方式來滿足耐用,多功能材料的需求。 Flickr的:圖片由博艾德(Flickr的/創作共用) 

7月29,2015--世界海洋的命運可能停留在一個不像小啤酒桶大小的不銹鋼罐中。 在裡面,轉基因細菌將玉米糖漿變成攪拌的聚合物,可用於生產各種普通塑料。

“這有點像製作酸奶,”Metabolix公司首席科學官Oliver Peoples說。

總部設在美國馬薩諸塞州劍橋市的公司,其中生物塑料初具規模實驗室規模的發酵室是越來越多的企業和機構合作,以開發具有成本競爭力的,更環保的傳統塑料,它是由化石燃料製成的替代品之一,失敗分解並正在轉向我們的海洋變成浮動塑料海域。

“我們已經看到塑料產量大幅增加,導致廢物流量增加,”喬治亞大學環境工程系教授Jenna Jambeck說。 “與生物降解的材料不同,塑料具有所有這些問題。 它很容易進入水道,它會物理碎成較小的碎片,這些碎片極其難以收集,並且[它傾向於]吸收已經存在於環境中的化學污染物。“

一些4.8百萬至12.7百萬公噸(5.3百萬至14百萬噸)的塑料,或每年生產的大約4百萬公噸(300百萬噸)塑料的330百分比,在2010中作為垃圾進入海洋。 Jambeck及其同事的一項研究表明,隨著塑料的生產越來越多,隨後越過廢物管理和回收工作,這一數字預計將在未來十年內增加10倍。 今年早些時候發布 在雜誌 科學.

所有這些塑料對生物,包括人類, 尚不清楚。 最近的一些研究表明,少量塑料中的化學物質,甚至塑料碎片本身,都會積聚在鳥類,魚類和其他海洋生物中。 實驗室測試表明,構成它們的化學物質會對健康造成不良影響,包括肝臟損傷和 內分泌紊亂 通過改變基因表達。 是否在實驗室外發生了類似的影響,或者它們是否將食物鏈延伸到食用海洋生物的人們仍然未知,但兩者似乎都是合理的。

而這還不是全部。 塑料在溫室氣體部門也是臭名昭著的。 大約每年全球使用的石油的8百分比可直接製造塑料或為塑料製造工藝提供動力。 世界觀察研究所最近的報告.

“即使人們覺得他們想要使用更少的塑料而不是更多的塑料,事實上,塑料是現代材料,使汽車更輕,淨化水,並為健康和安全應用增加巨大的利益。” - Marc Hillmyer為什麼不只是減少我們的使用? 一方面,塑料具有令人難以置信的多功能性,滿足了對靈活性,成本和其他參數的一系列需求,替代材料很難匹配。 不僅如此,替代材料還會對環境,社會和健康產生不利影響。

“儘管人們覺得他們想少用,而不是多了,問題的事實是,塑料是現代材料,使車輛更輕,淨化水質,並添加了巨大的好處的健康和安全應用,”馬克Hillmyer說,導演 中心可持續聚合物 在明尼阿波利斯的明尼蘇達大學。

換句話說,有充分理由尋求更傳統塑料的可持續替代品 - 即植物塑料。 這種所謂的生物塑料能夠降解,大大降低了它們最終污染土地或海洋的風險。 它們還降低了我們對化石燃料的依賴,減少了塑料的碳足跡。 據報導,與生物塑料相關的溫室氣體排放量比傳統塑料產生的溫室氣體排放量低26% 最近對玉米基和石油基塑料的生命週期分析 密歇根州立大學的研究人員。

新興替代品

然而,找到當今塑料的非石油基,可分解的替代品並不容易。 由玉米,甘蔗或其他基於植物的材料製成的塑料不一定是可降解的,並且當您想要它時可能難以降解。

“你不希望你的塑料袋,而你是用它來降低,”Hillmyer說。 “在另一方面,你想讓它迅速降解投入另一個環境時。”

而化學家有困難重新制定的基於石油的塑料,使它們可以降解,許多生物基,degradeable替代品正在出現。

儘管取得了這些成就和其他近期成就,但生物塑料在整個行業中仍只佔很小的一部分。 Natureworks是一家總部位於明尼蘇達州Minnetonka的公司,是全球領先的生物塑料製造商之一。 該公司生產聚乳酸(PLA),它是從玉米澱粉中提取的一種可生物降解的塑料,並製成各種消費產品,包括一次性餐具,杯子和包裝,這些產品在使用壽命到期時就會分解。 該公司位於內布拉斯加州布萊爾的最初生產工廠於2002年投入生產,每年可生產140,000萬噸(150,000萬噸)PLA。 該公司最近宣布了在東南亞開設第二家工廠的計劃,該工廠將使用甘蔗作為原料。

生物塑料的另一個領先的製造商是可口可樂公司,這在2009推出的PlantBottle,由聚對苯二甲酸-PET製成的飲料瓶 - 包含高達百分之30生物基材料。 瓶子是不降解的,但是,不像大多數生物基塑料,可與現有的PET,一種常用回收塑料一起被回收。 2009以來該公司已生產35十億原來PlantBottles的。 該公司在六月推出2015的新版本是100%的生物基。

儘管有這些和其他最近的成功,生物塑料仍然是整個行業的一小部分。 這些材料非常適合一次性產品,如勺子和瓶子,消費者願意為更可持續的產品支付額外費用。 高耐久性,不太明顯的應用 - 例如,通常用於住宅和商業管道的PVC製成的水管 - 仍然完全由傳統塑料製成。 根據位於華盛頓特區的工業貿易集團塑料工業協會的統計,總共不到0.5%的塑料來自非石油來源。

政府調控,但是,導致越來越多地使用生物塑料。 在伊利諾伊州2014禁止微,微小的塑料磨料常用於面部磨砂,洗髮水和牙膏使用, 由於對環境惡化的擔憂 大湖。 在直徑小於1毫米,微珠太小,由污水處理系統進行過濾和在淡水和海洋環境已被發現。

有機塑料8 7可從可降解PHA製成的消費品包括包裝袋,餐具和電纜護套。 照片由Metabolix公司的。

隨著聯邦禁止微珠的預期,Metabolix於3月與霍尼韋爾合作生產可生物降解的微珠替代品。兩家公司正在開發的微珠是由聚羥基鏈烷酸酯(PHA)製成的,這種生物基塑料比昂貴但也更通用。解放軍。 兩家公司正在開發的微珠是通過發酵玉米澱粉製成的,儘管它們也可以用柳枝稷等非糧食作物製成。 Peoples說,PHA微珠將在幾個月內以與纖維素或紙相同的速率降解為二氧化碳和水。

在Down Side附近

隨著我們加大對農作物,如玉米或甘蔗來源塑料的依賴,我們可能會無意中引入新的環境問題。 最近的一項研究在雜誌 清潔生產 從農業原料種植生物塑料指出 使用顯著量的水,殺蟲劑和肥料 可能導致空氣和水污染,並與種植作物的作物競爭土地。

一種可能的方式來解決的植物基塑料的向下雙方同時還降低了對石油的依賴是使用CO2 作為原料來代替。 Novomer,公司從研究分拆出來在紐約州伊薩卡,康奈爾大學是變廢有限公司2 從乙醇生產廠到塑料廠。 該公司生產多元醇 - 用於製造床墊,座墊和隔熱材料中的柔性泡沫的聚合物,以及一系列特種塗料和密封劑。

“如果你的床墊是用我們的材料製成的,那麼二氧化碳的重量百分比大約為22%,”Novomer聚合物執行副總裁Peter Shepard說。 它需要溫室氣體作為廢物,並將其變成有價值的產品。“

通常,CO2 過惰性與其他化合物反應的,使得其在塑料或其它應用困難使用。 杰弗裡·科茨在伊薩卡康奈爾大學的化學教授和Novomer的創始人之一,開發的催化劑是加強合作的反應2 同時減慢另一種關鍵多元醇成分的反應性 - 使CO更容易加入2 進入所得聚合物。

“就像你有孩子一樣,你給它們披薩和西蘭花,你每次吃一口披薩就告訴他們你必須吃一口西蘭花,”科茨說,他也是可持續聚合物中心的成員。 。

生物塑料的最大挑戰是,它們對常規的塑料,當與基於石油的化學品,使合併的已磨練過去60年,Novomer製成Scheer的says.The的多元醇是可降解的,但失去其降解難以置信廉價的材料競泡沫。

雖然該公司目前正專注於製造泡沫和密封劑,謝潑德說Novomer的CO2基於聚合物的聚合物可用於製造具有CO的可降解塑料2 內容高達50%。

最大的挑戰

儘管近年來的強勁增長,有人說生物塑料也沒有辜負他們的潛力。

“生物塑料行業一直沒有能夠創建有足夠的吸引力在定價方面和特性,這將使世界上願意改變方面的聚合物,”Cereplast公司,一個曾經領先的生物塑料公司的前首席執行官弗雷德里克·希爾說:在這2014宣布破產。

Scheer說,生物塑料最大的挑戰在於它們與傳統塑料競爭,這些材料是過去60年代經過磨練的非常便宜的材料。

“人們有些意識到油基材料不會生物降解對環境的影響,但他們不願意花費額外的資金來推銷[新]類型的材料,”他說。

由於石油價格下跌了一半,石油基塑料的競爭在過去一年中愈演愈烈。 “為了與傳統的油基材料競爭,我們需要石油價格在130左右,每桶140,”Scheer說。 “很明顯,在每桶50美元的情況下,我們遠沒有能夠參與競爭。”

Scheer表示,存在從非石油來源製造世界上所有塑料的能力,但這樣做需要政府的大力支持。 “它將不得不受到監管的推動,這將迫使塑料成本和石油成本大大高於現在,”他說。

聚乙烯競爭對手?

如果能夠減少我們對化石燃料的依賴並在其使用壽命結束時降解的可持續塑料將成為主流,那麼它們必須不僅能用於微珠,泡沫和其他特殊應用,還能用於熱塑性塑料 - 低 - 成本,可成型聚合物,每年生產數億噸塑料的80百分比超過XNUMX%。

Coates目前正在開發一種新的生物聚合物,其性能可與聚乙烯相媲美或更好,聚乙烯是生產最廣泛的熱塑性塑料,用於製造從垃圾袋到水瓶到塑料玩具的所有產品。

即使是一層薄薄的聚乙烯也非常強大,例如,製作的郵寄信封幾乎不可能在沒有剪刀或牛奶壺的情況下打開,這些信封在掉落在地板上時不會破裂。 “大部分原因是因為它是一種半結晶材料,”科茨說。 “[聚合物]鏈條以非常緊密和特殊的方式彼此相鄰,整體上給人以非常令人印象深刻的特性。”

2014研究發表在 美國化學學會雜誌康奈爾大學的科茨和同事描述了一種半結晶結構的新材料,該材料由糖原料製成,具有與聚乙烯類似的性質,但在其使用壽命結束時能夠更好地分解。

“這不會在一夜之間發生,但我認為有一些積極的跡象表明它可能是像聚乙烯這樣的塑料的真正競爭對手,”希爾邁爾說。

這種被稱為聚(聚丙烯琥珀酸酯)的新材料尚未經過測試,以了解它在垃圾填埋場或海洋環境中分解的速度有多快。 但Coates表示,基於其成分,它應該在幾個月後開始在水中降解,這段時間將超過大多數單一用途產品的使用壽命。 聚(聚丙烯琥珀酸酯)分解成丙二醇和琥珀酸,無毒材料進一步還原成CO2 並且當由微生物攝入水。

“如果你不得不吃聚合物降解產品,這些就是你想要的產品,”科茨說。

這是不可能的,聚(琥珀酸聚丙烯)都不會花費少了一斤磅的基礎上比傳統的聚乙烯,但其獨特的晶體結構表明,它可以執行比石油更好的對應。 如果是這樣,生物塑料製造商可能有朝一日能夠通過之類的東西牛奶壺比石油基塑料顯著較少的材料與今天的塑料行業競爭。

艱難的戰鬥

短席捲那些對碳價格或要求所有塑料的生物降解政府法規,生物塑料將不得不想方設法outcompete傳統的塑料,如果他們曾經將填滿比利基應用程序的更多。

這是一場艱苦的戰鬥 - 但有另一個曾經小眾產品,太陽能電池板,越來越獲勝。

在2007中,太陽能發電量占美國發電量的0.1%。 憑藉獨創性和創新,光伏組件的價格已從每瓦4降至每瓦0.50美元,使太陽能成為該國發展最快的電力來源。

也許那些在生物塑料的工作看到類似的翻天覆地的變化? 最終,有很多可能不僅對自己的產品如何打破,但他們多少可以打破傳統塑料的競爭優勢乘坐。查看Ensia主頁

關於作者

麥肯納菲爾Phil McKenna是一位自由撰稿人,對迷人的個人和有趣的想法的融合感興趣。 他主要撰寫有關能源和環境的文章,重點關注新聞背後的個人。 他的作品出現在 紐約時報,史密森,有線,奧杜邦,新的科學家,技術審查, MATTER和NOVA,他是一名特約編輯。

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