英国杜伦大学江龙博士等利用生物质废料与所捕集的二氧化碳合成100%生物塑料PEF

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碳捕集资源化利用与可持续塑料的相关研究近年来受到越来越多的关注，并逐渐成为研究热点。最近英国杜伦大学研究团队在《Nat. Sustain.》上发表了题为“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”的论文，创新性地提出了一种利用生物质废料与所捕集的二氧化碳来合成100%生物塑料PEF的技术，同时采用能效分析、生命周期评估和投资回收期等方法从工业大规模的角度全面分析了该技术未来前景。结果表明通过应用最佳设计和成熟技术，由工业二氧化碳和生物废物合成的PEF可能是PET和其他塑料材料可行且具有竞争力的替代品，从而进一步解决全球塑料污染的问题。

图1所示为采用工业二氧化碳与生物废料合成PEF的新型途径，其中包括四个转化步骤，即从木聚糖依次转化成糠醛、糠酸、2,5-呋喃二甲酸、PEF。前两个步骤是比较成熟的工业过程，而后两个步骤还处于实验阶段。该流程由于来自于生物废料，故不与食物资源竞争，同时有效解决了碳排放问题。

图1. 新型PEF生产途径

图2为新型PEF合成途径与其他不同塑料能耗与温室气体排放性能对比。能耗结果表明，采用玉米乙二醇作为新型PEF生产途径具有最低能耗，即每吨PEF可产生46GJ，与PTT相比降低了40.5％。温室气体排放结果表明，每生产一吨的PEF，其温室气体的排放量相比于其他塑料最多可以减少1.86吨二氧化碳当量，除PEF, PEF+与HDPE以外，与PET和其他塑料温室气体排放量相近或更低。这主要是因为参考文献中的PEF合成方法全部处于实验阶段，同时食物被用来作为合成原料，可能没有全面考虑其温室气体排放情况。

图2新型PEF合成方法与不同塑料性能对比 (a)能耗；(b)温室气体排放

进一步对新型PEF合成途径进行了全面的环境评估分析如图3所示。结果表明，生产1吨PEF时，非生物耗竭（化石），全球变暖潜力和人类毒性潜力（分别标记为II，VI和VII）是三个最重要的环境影响因素，其数值可以分别达到6.90×10⁴ MJ，3.75×10³ kg二氧化碳当量和2.18×10³kg DCB当量值(见图3a)。此外，本研究对11种不同情况进行了敏感性分析，以评估其环境结果的敏感性。如图3b所示，当供电量、天然气量与二氧化碳利用率这些参数改变10％，分别会导致非生物耗竭（化石）和全球变暖潜力结果有约17％和大约7％的差异，这是受这些变量影响最大的两个环境指标。

图3新型PEF合成方法的环境评估 (a)参考案例性能；(b)敏感度分析

图4 为新型PEF合成途径的经济性评估结果。结果表明，通过新途径生产PEF的成本约为每吨2435美元而现有 PET的生产成本为每吨1800美元存在一定差距 (见图4a)，但其与本研究中提出的新途径生产的PEF相比，其二氧化碳排放当量增加了50％。如图4b所示，从1吨PET的总生产成本得出，一个237毫升PET瓶的生产成本为0.162美元。假设237毫升PET瓶的平均质量为9克，若一个PEF瓶的生产成本尽可能与PET瓶相同，则PEF瓶需从9 g减少至6.67 g。

图4 新型PEF合成方法的经济性评估 (a)对比成本；(b)瓶体分析

以上工作以“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”为题发表在Nat. Sustain.上。论文杜伦大学Long Jiang、Abigail Gonzalez Diaz 和Janie Ling Chin博士为并列第一作者，通讯作者为Long Jiang博士，合作作者包括杜伦大学Tony Roskilly教授、Andrew Smallbone博士和Abdullah Malik博士。该工作得到了英国EPSRC重点项目 (EP/N024567/1)的资助。同时该创新理念获得了英国皇家化工学会Rush light Award奖励。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-020-0549-y

PDF链接：

https://rdcu.be/b4yso

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