年均碳排数十亿吨，塑料如何走上碳中和之路？

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石化产品应用无处不在，如包装、餐具、农用地膜、建筑、电子等，需求量逐年增加。每年有超过 800 万吨塑料流入海洋，预计到 2025 年将累积约 110 亿吨塑料。石化废物的扩散不仅对生态环境造成严重危害，而且严重影响人体健康。因此，迫切需要开发新一代的生物材料来替代石油化工产品，减少塑料污染。
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本文共计：28045字 | 9分钟阅读

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3 x5 N0 @4 r' _4 i无处不在的“塑料”

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在人类世界中，塑料是无处不在的。每年人类生产3亿多吨塑料，在欧洲只有30％的塑料被回收，而在美国，回收比例仅为9％。
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* P  k# S* j) S" d: b3 V6 z未被回收的塑料慢慢降解成微塑料，纤维和塑料碎片。出现在地球的每个角落，从佛罗里达海滩到北极海冰，从农田到城市的空气。

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/ y; X/ i3 M  N1 P9 {一篇名为《人类对微塑料的消费》的研究提到，美国人每天要摄入203至312块微塑料。

                               
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当我们使用塑料制品装食物时，我们无意间吃下了很多塑料颗粒，大多数来源于食物和水的塑料包装，微塑料在包装时可能渗透进食物。
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东京农业科技大学的研究表明，东京湾发现的凤尾鱼中，80％的消化系统中都含有微塑料，大小在0.1到1毫米之间，数量在150个左右。

                               
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因此，据估计，喜爱食用贝类海鲜的人也不能幸免于难，每年可能要食入11,000件微塑料。

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在贻贝的血细胞里发现的塑料颗粒
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就算离开了塑料盛放的食物和被污染的水源，耕地中的塑料数量也非常惊人。
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农民在施肥时有时会使用处理过的污泥，虽然养分丰富，但废水中无法撇去的塑料纤维却留了下来。


目前科学家尚不清楚这些塑料颗粒本身对我们是否有害，但可以确定的是，颗粒中附着的化学物质，真的对人类健康不利。

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7 S) i* K, m, n2 d2 v( ?! L而根据《中国塑料的环境足迹评估》，塑料工业消耗了全球8%的石油，仅塑料制造阶段（将树脂制成塑料产品）就产生了全球1%的碳排放。若从全生命周期考虑，塑料生产和使用的碳排放占全球碳排放的3.8%。
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, {: z& n: @( x塑料全生命周期产生的排放量

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* Q' Z7 |' o8 z7 S9 ]塑料在全生命周期的温室气体排放正威胁着我们全球气候目标的实现：


1 G/ k: z3 ^$ l6 S  a0 H一、化石燃料的燃烧释放大量 CO。应对气候变化，国际社会必须迅速减少使用化石燃料，然而几乎所有塑料都源自化石燃料。

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/ I% S$ Q$ K% r  }9 G7 F二、塑料制造是能源密集型和排放密集型的，通过将烷烃裂解成烯烃，将烯烃聚合和塑化成塑料树脂，以及其它化学精炼工艺，将产生极大的温室气体排放量，这与我们的全球气候目标是相悖的。


三、塑料生命周期的每个阶段都会排放温室气体：
1) 化石燃料的开采和运输，
2) 塑料的精炼和生产制造，
3) 塑料废弃物的管理，
4) 塑料进入海洋、水体和陆地环境后产生的持续影响。

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按照目前的趋势，到 2050 年，塑料产生的温室气体累计排放量可能超过 560 亿吨，占剩余碳预算总量的 10 至 13%。

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  @8 i/ f  w2 w9 ~+ H气候变化作为潜伏在塑料垃圾背后的更大威胁，昭然若揭。

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可生物降解塑料

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为了避免这一悲剧，可生物降解的塑料就是一种替代品。我国科学家发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上的一篇文章介绍了一种生产蛋白质基塑料的新方法，这种塑料易于加工、可生物降解、具有生物相容性，并具有良好的机械性能。

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9 ?$ m) _1 f4 a+ X9 C来自中国科学院和中国人民解放军总医院第一医疗中心的研究团队推出了新型生物塑料，其特性可以根据需要进行定制。为此，他们开发了两种富含赖氨酸的蛋白质，并在细菌培养皿中培养它们。第一种蛋白质是“ELP”，它是一种类似于结缔组织蛋白的多肽，具有韧性和弹性；第二种是“SRT”，它由ELP和具有β-片状结构的乌贼蛋白的结晶段组成。

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# ?+ J/ J% }5 h' h6 fELP（或SRT）通过其赖氨酸氨基与聚乙二醇（PEG）衍生物交联。如果交联发生在水中，那么材料可以在一个模具中干燥，从而生产出一种坚韧、透明、耐溶剂的生物塑料。它的机械性能可以通过改变PEG的比例来改变。这样就可以在室温下生产出任何形状的高机械强度的生物塑料，而且不需要有毒化学品或复杂的加工步骤，如液化、挤压或吹塑。此外，它们的断裂应力超过了许多商业塑料。
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: u- |0 }1 K  b# g3 Y4 L研究员表示，生物工程蛋白质和 PEG 醛之间开发的动态共价键为生产生物塑料提供了一种替代的环保途径。

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. r9 s, Q1 h5 \- ], ~3 ~与传统的石化产品不同，传统的石化产品是在超高温下将原材料熔化并成型为所需的形状，而目前的生物塑料是在环境条件下生产的。优化的发酵方法允许工程蛋白塑料的可扩展且具有成本效益的生产。
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& U/ k, c" `2 ^$ C3 u( d0 Y与传统的石化塑料形成鲜明对比，生物塑料具有显着的力学性能、超强的可塑性、结构稳定性、良好的生物降解性和生物相容性。


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' n6 h3 q" q$ h  n7 n塑料如何“碳中和”

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- O2 `- \, u; m+ J研究表明，最终可以使全球塑料生命周期的温室气体排放降至最低的是：100%生物基塑料，100%能源脱碳，100%回收利用，需求增长减少。以到 2050 年的全球塑料温室气体排放量计算，与目前的趋势相比，采取这一措施组合（需求增长减少假设全球塑料需求的年增长率降至 2%）有望使排放量减少 93%。
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据 Nova Institute 研究，从技术角度来看，几乎所有由化石资源制造的工业材料都可以被生物基来源的材料进行替代。


生物基化学品近年来产量快速增长。据 IEA Bioenergy 估算，2019 年生物基化学品总产量近 1000 万吨/年（不包含燃料乙醇），2011 年至今年均复合增长率近 10%。
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目前全球主要的大宗生物基化学品包括乙烯、乙二醇、丙二醇、甘油、丁二醇、乳酸、癸二 酸等等，生物合成技术已经产业化。

                               
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7 M- {* X/ v- E- c$ C4 i/ G# U- |4 t, j! s可降解塑料助力实现碳中和主要有以下路径：生物基、CO2原料和绿电。


7 r, l" O# r4 y: v" ~( U. C! F5 W生物基材料，按照合成方式划分可分为化学制造与生物制造，两者各有优缺点，通常来讲化学制造的成本更低、反应更快，而生物制造对反应条件的要求更温和。如聚乳酸PLA的合成属于化学制造，经过聚合作用将乳酸单体聚合成为聚乳酸，而PHA降解材料则来自细菌的发酵，直接利用糖源进行合成。
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0 h% q9 b7 m( n( \4 ~; a可降解塑料中的聚乳酸（PLA）因为基于生物基原料，其碳足迹仅为0.5吨CO2/吨PLA，远低于基于石化原料的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等。而可降解塑料中的碳酸亚丙酯（PPC）以CO2作为主要原料之一，其碳足迹同样远低于常规塑料。
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8 U6 U* e1 r# _' N; z& B6 E- [此外，可降解塑料主要类别之一的PBAT，同样可以通过两大手段来降低其碳足迹，为实现碳达峰碳中和做出贡献：1. 采用生物基原料；2. 生产过程采用基于可再生能源的“绿电”。
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PBAT原料包括BDO、己二酸和PTA。生物基BDO的技术已经基本成熟，而生物基己二酸和PTA的技术也在研发之中。其中PTA不仅可以通过生物基生产，还可以通过CO2为原料，通过CO2制甲醇，甲醇MTA的工艺生产，同样可以大幅降低碳足迹。

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在化工生产中采用基于可再生能源的“绿电”也是大幅降低产品碳足迹的重要手段。


5 Q& E% s0 g9 y5 p: M生物质原料替代石油基原料、生化法结合或生物法是化学品制造业发展的重点方向，生物基材料的应用将随着碳中和的我国双碳目标的到来迎来更广阔的发展。
参考资料：
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1. 《具有超强可塑性、非凡机械性能、生物降解性、生物相容性和信息存储能力的生物合成结构蛋白》
2. 我国科学家推出新型塑料：兼具韧性与强度，还可生物降解
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- \5 [$ Z) O6 a( `& d1 \6.可降解塑料助力碳中和的路径分析—生物基、CO2原料和绿电
7.图片来源于网络
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