自然降解塑料
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郑强教授---关于塑料与“白色污染”刍议

2021-11-23 02:34:43

这位“网红校长”更喜欢别人叫他“强哥”。

摘     要

塑料(Plastics)、橡胶(Rubber)、纤维(Fiber)三大类合成高分子材料,是继石器、陶瓷、水泥,铜、铁、铝、钢后,人类对物质和材料的认识与应用的重大发展,是近代具有里程碑意义的科技创造。其中,尤以塑料的应用最为广泛全球塑料的体积产量已达钢铁和水泥总和的26%,且消耗量以每年8%的速度增长,涉及人类生活和现代工业的方方面面。当今的社会,不能没有塑料;人们的生活,也离不开塑料

“白色污染”的概念一方面源于被随意丢弃的大量一次性使用塑料制品对生态环境造成的影响,另一方面源于人们对随意丢弃的废弃塑料的不良感观。问题的出现,既与塑料的“轻”“薄”特性有关,更与人的行为规范与社会公德有关。客观地讲,若不被当作价廉物美的一次性制品使用,尤其是若使用后不被随意丢弃,“白色污染”的污名就不会扣到塑料头上。

绝大多数应用广泛的塑料制品不要求降解(Degradation)、不需要降解,甚至要求在使用期限内不能降解。需要降解的主要针对的是“一次性使用的塑料制品”。从专业角度讲,“禁止使用不可降解一次性塑料制品”的表述是准确的,是科学的;将其随意改述为“禁止使用一次性不可降解塑料制品”是不专业的、错误的,需要纠正;任何“禁塑”的提法,不仅不现实,还将对社会发展和民众生活造成严重影响。

面对有限的地球资源,基于环境绿色保护和资源可持续利用理念,有必要思考:除特殊用途和使用场合,任何材料和制品,包括塑料,“一次性使用”是否科学?是否符合绿色可持续发展理念?“多次使用”“长期使用”,是否更应倡导?是否更应追求?

基于现实,若要逐步实施“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,似更有必要同时大力推动塑料使用方式的变革,减少并限制“一次性塑料制品”的生产和使用,倡导“多次使用”“长期使用”此倡导将对塑料制品丢弃量的减少产生线性甚至指数正相关效果,这对实现塑料更加绿色、更加环保的可持续应用,不失为一种科学的理念和策略。从材料科学的分子设计到工程技术角度,塑料经多次使用或长期使用后,若能做到“引发降解(Initiated  degradation)”并达到“可控降解(Controlled  degradation),应成为追求并实现的理想目标。

需要强调,为满足人们日常生活和特殊需求,尝试利用非石油基,尤其是生物基原料,用于制备可降解(易降解)一次性使用的塑料制品,是塑料学术界和产业界引人关注的新领域,为寻求解决所谓“白色污染”做出了积极贡献。但是,任何使用后的废旧物品(材料),如不能做到有序回收处理,都将成为污染,不是“白色污染”就是“灰色污染”或是“黑色污染”。因此,即使是可降解塑料(Degradable  plastics),如不高度重视有序回收和处理仍有成为“白色污染”之可能。

特别指出两点:一是夸大并渲染降解塑料(塑料降解)产业的重要,将塑料研究和产业的重点转向可降解塑料领域,盲目跟风上项目,将对我国高性能多功能塑料的研发尤其是解决若干卡脖子的高端塑料专用料的研发产生冲击,会对我国塑料工业发展产生误导;二是将非石油基、生物基原料产生开发的目的局限于可降解一次性塑料制品的制备生产,是短视的,缺少远见的。非石油基、生物基原料用于制备高性能非一次性使用塑料制品是具有重要科学价值和广阔市场前景的新领域


关键词:


塑料,一次性制品,可降解/不可降解,石油基,“白色污染” 








近年来,随着国家环境保护工作力度的不断加大,特别是人们对绿色环境保护意识的不断增强,关于塑料“白色污染”的讨论日渐增多,不时还甚为激烈。据悉,一些地方政府正在讨论并准备出台涉一次性使用塑料制品的文件或法规。说实在的,对一种物质材料有如此空前的关注度,恐怕是任何其它种类材料所不能比拟的。一方面,说明全民科学知识普及程度的日益提高;另一方面,也恰恰表明塑料对人类今天的影响多么重大和深远!作为一位高分子学者、一位从事塑料专业教育的大学教授,觉得有必要谈谈自己肤浅的认识和看法。



01


塑料从何而来?

地球亿万年演变产生的石油,经过催化裂解、分离提纯等步骤,可制备得到各种有机小分子化合物。进一步聚合反应,可获得合成高分子,包括常用的塑料、纤维、橡胶、涂料、胶粘剂等。一百多年前,人类发明了第1种合成高分子——酚醛树脂它的出现标志着继石器、陶瓷、水泥,铜、铁、铝、钢后人类对物质和材料的认识与应用进入了新的时代


02


塑料有多重要?

在塑料(Plastics)、橡胶(Rubber)、纤维(Fiber)三大合成高分子材料中,塑料的应用最为广泛它不仅与人们日常生活密不可分,还广泛应用于航空航天、交通运输、城市建筑、医疗卫生以及电子电器、包装密封等各个领域。按2019年数据统计,全球塑料产量约为3.59亿吨(中国塑料制品产量为8184万吨),全球钢铁产量18.485亿吨,水泥产量41亿吨。若以塑料平均密度0.9、钢铁平均密度7.8、水泥密度3.1计,全球塑料的体积产量已达钢铁和水泥总和的26%,这是一个惊人的比例!有关资料显示,从1950年至2015年,人类已经生产了83亿吨塑料制品,约60亿吨成为废弃物(其中约49亿吨被直接填埋或被遗弃,直接焚烧8亿吨);仍在使用的约20亿吨(其中1亿吨为再生塑料)。塑料的使用量未来还呈现进一步增长态势,预计全球塑料消耗量将以每年8%的速度增长

在人们的日常生活中,为什么有那么多诸如一次性杯、盒、包装材料、农膜材料是用塑料制造的?这是因为相比于金属(钢铁)材料、无机非金属(水泥、陶瓷)材料,塑料具有密度小、比强度大、比模量高、耐腐蚀、成本低(往往是传统的陶、铜、铁、铝、钢等器具价格的1/10-1/100)、绝缘性能好、保温、隔音、防震性能优良等特点。由于其本身质轻价廉,易于压塑、吹塑成薄质生活必需品,塑料才被当成“一次性用品”使用的。

塑料又何止那么一点可被人类当作“一次性”物质使用的优点——实际上,它已渗入到人类生活的方方面面——制造电线电缆、集成电路基板、芯片制造用光刻胶等现代产品,塑料均成为不可或缺的一部分;手机、电脑、电视机、电冰箱、洗衣机、空调主要功能和结构件,离不开塑料;汽车、轮船、飞机、高铁、建筑主体结构和内饰,不能不用塑料;医院大量使用的药物容器、输液管、一次性注射器,大多是塑料;没有塑料育秧膜、大棚膜,还会有现代农业吗?城乡建设给水排水、天然气和石油输送越来越多地采用塑料管道。可以说,人类无法回到没有塑料的时代!塑料,禁用不了;塑料,也不可能禁用



从家用电器,到芯片、医疗卫生用品,再到飞机、高铁,塑料无处不在



如果塑料像其它材料一样——用,不是那么便宜;丢,不是那么舍得,它还会被人们当作一次性用品吗?如果使用后不被随意丢弃,还会成为“白色污染”吗?



03


塑料有过吗?

       ●一问:将煤炭直接燃烧转变为煤炭深加工直至生产碳基(素)材料被看作世界和我国煤炭能源的根本性变革。石油基原料的80%被作为燃料直接烧掉,而将其不到20% 的剩余部分用于生产包括塑料在内的合成材料,有何错之过?可以讲,塑料及其它合成高分子的出现,是石油的最优利用,是人类具有划时代意义的科技创造
       ●二问:为何每年全球有10亿条废旧轮胎竟然没有被称为“黑色污染”?究其原因:一是橡胶轮胎比重大,不能像塑料一样飞起来、飘起来;二是基本做到了有序收集处理
       三问:人类使用后丢弃的石器、陶器、铜器、铁器在地里埋了数百年、数千年甚至上万年,离析降解了吗?近代大量使用水泥的建筑物体(如桥梁、楼宇、道路、隧洞等)废弃后,若不敲毁、炸损,见过自然降解的吗?虽然尚不能判定在自然环境中各种材料离析或降解的确切年限,但可以肯定,与石器、陶瓷、水泥,铜、铁、铝、钢相比,塑料要短上数十年、数百年甚至数千年


 随意丢弃的一次性塑料用品                 一次性塑料用品产生的“白色污染”

“白色污染”概念一方面源于被随意丢弃的大量一次性使用塑料对生态环境造成的影响,另一方面源于人们对随意丢弃的废弃塑料的不良感观由于比重轻、质地薄,塑料袋、塑料瓶、塑料膜极易随风飘浮移动,实际上更多的是“视觉污染”


堆积成山的废旧轮胎
 

距今2500年的越王勾践剑 

诚然,应该从科学角度,以一种紧迫感、责任感面对并解决巨量一次性塑料制品使用带来的环境问题。但必须指出,塑料的“白色污染”,既与塑料的“轻”“薄”特性有关,更与人的行为规范和社会公德有关实际上,任何使用后的废旧物品(材料),如不能做到有序回收处理,都将成为污染,不是“白色污染”就是“灰色污染”或是“黑色污染”。如果人们能够真正做到严格分类回收一次性塑料制品“白色污染”的坏名极有可能是不存在的! 


“白色污染”到底是材料本身属性的问题, 还是使用材料的人的行为规范与社会公德的问题,

值得思考

为满足人们日常生活和特殊需求,尝试利用非石油基,尤其是生物基原料,用于制备可降解(易降解)一次性使用的塑料制品,是塑料学术界和产业界引人关注的新领域,为寻求一次性塑料制品使用后造成的所谓“白色污染”问题的破解之法,做出了积极贡献。需要强调,即使是可降解塑料(Degradable plastics)如不高度重视并严格有序回收和处理,仍然可能成为“白色污染”。


04


废旧塑料从何而来?

大吨位使用的通用高分子塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯),从化学本质和材料结构讲,是环境友好的材料。与工业排放的有毒有害气体以及燃料燃烧产生的废气(尾气)相比,这些塑料制品几乎是“惰性”的。

为何大量的塑料制品变成了废旧塑料?从本质讲,塑料的化学结构是通过长的化学键链构筑的,其“链”越长,就越容易存在“弱点”(弱键)。在光、热、电、水、气等各种外界作用下,这些“弱点”(弱键)都存在“断链”的可能。断链部分相当程度是源于化学结构中最不稳定的“自由基”的产生或氧化。在高分子专业上叫“老化(Aging)”。由于老化,使用存在期限,就会导致废旧塑料的产生。实质上,这跟人类等生命体的衰老是由于“自由基氧化”的结果有某种相似之处。因此,无论从材料科学角度——材料使用后必然失去性能(功能)讲,还是从人类伦理角度——辛苦劳作的劳动者逐渐丧失劳动力讲,因塑料废旧而否定塑料的价值和功劳,都是有失公允的。


05


废旧塑料制品如何处理?

大致有四种方法:一是分类回收利用——通过旧料加新料共混改性生产制品,大量应用于日常生活中的桶、盆、以及建材等。二是化学循环——通过分解回收原料单体进行再利用。三是焚烧——可用于生热和发电。四是填埋——与日常生活及工业垃圾堆放在特定场所。就第1种方法而言,共混改性后的制品虽提高了塑料的使用频率,但也将面临终废的问题。就第二种方法来讲,分解后产生的有机小分子化合物可以作为新的基础化工原料,但其投资、技术和环境要求高。就第三种方法来讲,焚烧法虽直接快速,但存在CO2排放问题。就第四种方法来说,填埋虽可在一定时间范围解决集中处理废弃塑料问题,但场地选择日趋困难。

塑料生命周期示意图



一处垃圾填埋作业现场

     


何谓塑料降解?

针对上述问题,学术上和产业上提出了“塑料降解(Plastics degradation)”“降解塑料(Degradable plastics)”的概念。“降解”,是合成高分子及结构解离的过程。除了通常所说的降解,化学循环也是一种受控的降解。为此,国内外科学家和产业界做出了不懈努力,取得了许多有重大价值的重大成果,为生态环境保护做出了重要贡献。准确理解并正确界定关于塑料降解的科学术语和概念,对高分子材料产业尤其是塑料产业,既有必要,也极为重要。



废弃塑料的化学循环过程


      

近年来,针对“降解塑料”或“塑料降解”,无论是在一些地方法规,还是一些关于治理塑料“白色污染”的媒体报道中,出现了以下几种主要表述:一是“禁止使用一次性不可降解塑料制品”二是“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,三是甚至出现“禁塑”的提法。表述不同,尤其是“一次性”三个字的位置不同,将导致对塑料制品可降解(或不可降解)的认知产生歧义和误导。从专业角度讲,第1种表述是不专业的、错误的,需要纠正;第二种表述是准确的,科学的;第三种表述不仅不现实,还将对社会发展和人们生活造成严重影响




       

在第1种表述中由于将“一次性”置于“不可降解”前,极易理解为是对可降解性能(或不可降解性能)的要求和限定,即要求或限定的是“一次性不可降解的塑料制品”。这在塑料专业的学科上和工程上都是不严谨的,甚至是错误的。因为严格讲,无论是在学术还是工程上,均未曾提出、也不存在“一次性降解(或不可降解)塑料”的概念。事实上,常见的各类塑料制品,即使是标称为“可降解塑料”,也无法实现一次性降解。如目前具有代表性的可降解塑料聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)等均不能实现“一次性”降解,需专门的堆埋才能实现。因此,“禁止使用一次性不可降解塑料制品”中除“一次性”三字的放置有误外,还包含有全面禁止塑料制品使用的含义,是不专业的,是不正确的




一次性使用的聚乳酸塑料制品


      

在第二种表述中,明确“一次性塑料制品”为目标对象,着重突出塑料的“使用性和使用次数”,即一次性使用,不重复使用。比如:一次性塑料杯、打包盒、塑料袋、保鲜膜等,这些都是轻质塑料制品,用完一次就可弃掉。人们日常生活中大量使用的这些塑料制品,如属不可降解(或难降解),随意丢弃将给环境造成“白色污染”。显然,这里明确的是“禁止使用不可降解的一次性塑料制品”,其表述是正确的

其实,对于塑料制品而言,不能片面简单地追求塑料制品具有降解特性,降解是有范围和限定的,不能无限扩大。绝大多数广泛应用的塑料制品不要求降解、不需要降解,甚至要求在使用期限内不能降解。飞机、汽车中的塑料部件,日常使用的冰箱、电视、洗衣机、空调中的塑料部件,广泛使用的建筑管材,大量使用的塑料桶、盆等,不希望、更要防止在使用过程中发生降解。因为一旦发生降解,则性能将迅速劣化。大部分的高端设备、精密仪器、大型装备中均使用高端塑料部件,追求的恰恰是在自然环境中或苛刻条件下不发生分解和难以降解,只有这样才能保证其高性能,才能确保长期使用的安全性。



在过去三十年间,汽车的塑料用量已从20世纪60年代初的10kg左右上升到21世纪初的200kg量级,塑料在自然环境中或苛刻条件下不发生分解或者难以降解是保障其高性能及长期使用安全性的基础




正在安装中的超高分子量聚乙烯排水管

     

从科学的专业角度讲,只提“可降解”的概念和要求是不够的,还需评估降解成什么了?降解物将产生什么影响?尤其是“可降解塑料”在降解过程中产生的中分子量、低分子量产物对环境、生态的危害,尤其是降解产生的1-5mm的微粒塑料将产生什么影响是塑料可控降解的一个难题。“不可降解”和“可降解”提法本身也不严谨,存在偏颇,即不能把塑料可否降解当作一种“非0即1”的取舍。从时间上将塑料降解分为“短时降解”“长时降解”;或按难易程度分为“易降解”“难降解”,似更为合理,更为科学。

微塑料及其在环境中的循环

        正在影响人类的健康       

有必要指出,就“禁止使用不可降解一次性塑料制品”而言,要真正立法并予以实施,需要更多方面配套政策和措施统筹:一如是否有足够的可降解塑料制品生产并投放市场以替代现有一次性制品使用需求?二如可降解塑料制品与原有不可降解(难降解)制品的市场价格竞争力如何?再如可降解塑料制品的回收与降解处理场地与设备如何配置?又如可降解塑料原料获取与制备过程是否更节能、更绿色?等等。

基于现实,若要逐步实施“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,似更有必要大力推动塑料使用方式的变革,减少并限制“一次性塑料制品”的生产和使用,倡导“多次使用”“长期使用”。此倡导将对塑料制品丢弃量的减少产生线性甚至指数正相关效果,这对实现塑料更加绿色、更加环保的可持续应用,不失为一种科学的理念和策略。从材料科学的分子设计到工程技术角度,塑料经多次使用或长期使用后,若能做到“引发降解(Initiated  degradation)”并达到可控降解(Controlled  degradation)”,应成为追求并实现的理想目标。

特别指出两点:一是夸大并渲染降解塑料(塑料降解)产业的重要,将塑料研究和产业的重点转向可降解塑料领域,盲目跟风上项目,将对我国高性能多功能塑料的研发尤其是解决若干卡脖子的高端塑料专用料的研发产生冲击,会对我国塑料工业发展产生误导;二是将非石油基、生物基原料产生开发的目的局限于可降解一次性塑料制品的制备生产,是短视的,缺少远见的。非石油基、生物基原料用于制备高性能非一次性使用塑料制品是具有重要科学价值和广阔市场前景的新领域。

应该开始尊重科学,尊重自然规律,尊重让传统塑料自然降解的新技术。

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