继PBIAT后PIC横空出世！氨解还能生产尿素！生物塑料化学回收最新研究

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TK生物基材料报道，近日东京工业大学（东京理工大学）科学家发表在Green Chemistry上的研究发现，生物塑料可以以一种简便且环保的方式通过化学方法回收成富氮肥料。他们的发现为可持续循环系统铺平了道路，该系统同时解决了塑料污染、石化资源枯竭和世界饥饿等问题。

塑料在上个世纪风靡全球，几乎在我们生活的各个方面都有应用。然而，这些构成塑料基础的合成聚合物的兴起导致了许多严重的环境问题。其中最糟糕的是过度使用石化化合物和处理不可生物降解的材料而没有回收利用；只有 14% 的塑料废物被回收利用，这几乎不能解决问题。

为了解决塑料难题，我们需要开发“循环”系统，在该系统中，用于生产塑料的原材料经过处理和回收后可以完整循环。在东京工业大学，由青木大辅助理教授和大冢秀幸教授领导的一组科学家正在开创一个新概念。

在他们新的环保工艺中，使用生物质（生物塑料）生产的塑料被化学回收成肥料。这项研究将发表在英国皇家化学学会的期刊 Green Chemistry 上，该期刊专注于可持续和环保技术的创新研究。

1.异山梨醇的应用

该团队专注于聚（异山梨醇碳酸酯）或“PIC”，这是一种生物基聚碳酸酯，作为石油基聚碳酸酯的替代品而备受关注。PIC 是使用一种从葡萄糖中提取的无毒材料异山梨醇 (ISB) 作为单体生产的。

异山梨醇是山梨醇的2次脱水产物，是一种新型生物基材料。其原料山梨醇来源丰富、价格便宜，因此异山梨醇是唯一在工业上实现大批量生产的糖类二醇。

近年来，对于异山梨醇的研究热点是将其作为共聚单体，用来改性现有的聚合物，提高其物理性质，改善聚酯的性能。

如利用异山梨醇提高PET聚合物的玻璃化温度、增加聚酯强度并改善吸湿性。同时国内研究较多的是将异山梨醇与PBS生物降解聚酯进行共聚，研究发现异山梨醇的引入能够加速共聚酯的降解，同时PBIS共聚酯具有良好的加工性能，并且其在薄膜以及热熔胶领域具有良好的应用前景。

另外,此前韩国三养（Samyang）株式会社宣布，已在全州工厂开始量产生物降解塑料“PBIAT”，也是使用异山梨醇改性PBAT。

2.氨解过程制造尿素

有趣的是，加入 ISB 单元的碳酸盐链接可以在称为“氨解”的过程中使用氨 (NH3) 切断。该过程产生尿素，这是一种广泛用作肥料的富含氮的分子。虽然这种化学反应对科学来说并不是什么秘密，但很少有关于聚合物降解产物的研究，关注所有降解产物的潜在用途，而不仅仅是最终变成二氧化碳与水的单体。

首先，科学家们研究了在温和条件下（30°C 和大气压）在水中完全氨解 PIC 的效果。这一决定背后的基本原理是避免使用有机溶剂和过多的能源。该团队通过各种手段仔细分析了所有反应产物，包括核磁共振光谱、傅里叶变换红外光谱和凝胶渗透色谱。

虽然他们设法以这种方式生产尿素，但即使在 24 小时后 PIC 的降解也并不完全，许多 ISB 衍生物仍然存在。因此，研究人员尝试提高温度，发现在 90°C 下大约 6 小时内可以实现完全降解！Aoki 博士强调了这种方法的好处，“反应在没有任何催化剂的情况下发生，这表明使用氨水和加热可以轻松地进行 PIC 的氨解。因此，从化学回收的角度来看，该程序操作简单且环保。”

最后，为了证明所有 PIC 降解产物都可以直接用作肥料，该团队用模式生物拟南芥进行了植物生长实验。他们发现用所有 PIC 降解产物处理的植物比只用尿素处理的植物生长得更好。

这项研究的总体结果展示了开发塑料肥料系统的可行性。这些系统不仅可以帮助对抗污染和资源枯竭，还有助于满足世界日益增长的粮食需求。Aoki 博士总结道：“我们相信，我们的工作代表着在不久的将来开发可持续和可回收聚合物材料的里程碑。‘塑料面包’时代即将来临！”

3.生物塑料的化学回收途径

根据欧盟专利局的全球专利统计数据，在塑料的三大回收技术中，再生塑料每年的专利数正在下降，而塑料的化学回收以及生物塑料堆肥专利正在缓缓攀升。重磅报告！物理/化学/堆肥，三大塑料回收技术对比，欧美碾压亚太！

就生物降解塑料而言，堆肥一直是首选选项，生物降解塑料多做一次性用途，使用完后堆肥成为生物降解塑料发展的配套设施。但由于后端处理的不完善及堆肥塑料处理条件的苛刻，即便是堆肥技术先进的欧美国家仍然难以做到堆肥塑料——堆肥处理，在欧盟最新发布的SUP指令中，生物降解塑料在一次性塑料领域的使用遭到禁止。

而塑料的化学回收技术，陶氏、壳牌、联合利华等多家国外企业都曾计划投资，但最终都因效果不好而搁置。

陶氏公司曾于2018 年与化学回收初创公司 Renewlogy 合作，计划让 Renewlogy 处理难以回收的爱达荷州博伊西家庭产生的软包装废物，但该公司最终证明无法处理用于制作购物袋和食品包装的塑料“薄膜”。Renewlogy 声称博伊西废物污染太严重而无法处理，最终退出该项目。

壳牌则计划将塑料通过化学回收转化为燃料，但最终因为资金的担忧停止。

聚乳酸PLA的化学回收日益受到关注，近日，PLA主要生产企业道达尔科比恩就宣布推出再生PLA牌号，表示再生PLA中目前含有20%的再生成分，这个比例将在未来逐步提高。实现PLA的闭环。终于，道达尔再生PLA牌号面市！包含20%可回收成分

国内方面，安徽丰原选择与四川大学合作，投资金额过亿，将聚乳酸的解聚为丙交酯再做合成，是国内首家探索生物降解材料末端处理的原料厂商。

目前针对生物塑料末端处理及其降解产物的研究仍然不多，PBAT等石油基降解材料仍然面临着“有毒论”的质疑，而生物降解塑料的末端处理不足也是广受诟病的一环。

塑料的三大回收办法各有优劣，对生物塑料末端处理的进一步研究或许能给生物塑料的使用带来更多机遇！

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