Green Carbon文章 | 德国斯图加特大学Rolf Schmid教授：以巴斯夫和赢创为例的绿色聚合物发展趋势

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

英文原题：Towards greener polymers: trends in the German chemical industry

作者：Adam W. Franz, Stefan Buchholz, Rolf W. Albach, Rolf Schmid*

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背景介绍

Background

塑料是现代社会不可或缺的材料，数据统计显示，预计到2060年，全球塑料产量将达到6亿吨。塑料的生产与使用一方面造成了大量温室气体的排放，另一方面塑料污染也带来了严峻的环境问题。为了应对这些挑战，联合国、欧盟以及世界众多国家正在制定监管政策，鼓励化学工业生产环境足迹较小的塑料。德国化学工业贡献了欧盟约三分之一的聚合物产量，并正在向可持续发展转型。为此，来自德国斯图加特大学Rolf Schmid教授于Green Carbon上发表了标题为“Towards greener polymers: trends in the German chemical industry”的综述文章，概述了德国头部化工公司巴斯夫和赢创如何响应对更环保聚合物的呼吁，以及如何开发技术来实现聚氨酯的循环塑料经济。并进一步从国际、欧洲、德国的角度对塑料行业的发展趋势及挑战进行了讨论。

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文章简介

Introduction

简介

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与其他有机化学品不同，合成聚合物塑造了现代材料世界。人类早就知道橡胶等生物弹性体、油漆等生物塑料以及琥珀等树脂材料。直到现代化学工业发展了煤、原油和天然气等化石原材料的应用技术，合成塑料才得以迅速发展。然而，大多数塑料难以降解，其在环境中可持续数个世纪，同时可能伴随着增塑剂等有害化学物质的释放。塑料垃圾带来的白色污染对生态环境造成了巨大的危害，同时微塑料的产生加剧了塑料对环境的破坏。面对这一现状，经济合作与发展组织提出要将塑料对环境的贡献减少到几乎为零的计划。联合国也呼吁采取行动以控制海洋环境中的塑料污染。与此同时，面对塑料生命周期中大量温室气体排放的问题，包括《巴黎气候协定》和《欧洲绿色协议》等均对塑料的生产与使用提出了低碳的要求。

实现塑料的可持续发展正逐渐成为全球的目标与努力方向。为了衡量实现这些目标的进展，“塑料管理指数”（PMI）被提出作为一个重要的衡量指标，用于评价国家在塑料管理政策的颁布、塑料废物处理的程度与投资、企业与消费者的贡献等方面的发展现状。根据对该指数的分析，欧洲和德国总体上处于解决塑料循环使用问题的最前沿，这一领先地位得益于它们的积极政策以及为创新和研究提供资金的能力。欧洲颁布的《欧洲绿色协议》中提出要到2050年实现碳中和，欧盟对一次性塑料、塑料中回收材料的比例等均有明确的相关规定，这些政策对化学工业造成了深刻的影响。德国作为重要的塑料生产国，其化学工业正处于向可持续发展过渡的开端。越来越多的用于生产塑料和化学品的资源是基于可再生能源和可再生原材料。巴斯夫、赢创等塑料制造商正在通过再利用、物理或化学回收以及生物基和可生物降解塑料的开发创造新的材料循环。本文着重对巴斯夫、赢创这两家化工企业在塑料可持续发展方面的努力进行了介绍。

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巴斯夫--将增长与资源消耗脱钩

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塑料是巴斯夫产品集合的重要组成部分，尤其是以聚氨酯、苯乙烯泡沫和聚酰胺等产品为代表的工程塑料。为了确保塑料材料未来的可持续性，必须从其制造、使用直至使用寿命终结的全生命周期进行综合考虑，因此，需要新的策略来使产业发展与资源消耗脱钩。巴斯夫的2022年年度报告设定了到2030年通过循环工艺实现的产品销售额目标为170亿欧元，是2020年的两倍。其采取的行动主要体现在以下方面：

（1）更加绿色的能源

巴斯夫制定了长远的行动目标：与2018年相比，到2050年实现净零排放，到2030年将二氧化碳排放量减少25%。目前，巴斯夫及其合作伙伴（Vattenfall和Allianz）正在建设世界上最大的无补贴海上风电场。它将为巴斯夫在德国和欧洲其他地区的生产基地提供低碳排放的绿色能源，并大大减少对化石燃料的依赖。减少二氧化碳排放的另一个关键因素是在技术中使用绿色氢气。巴斯夫开发了一种开创性的甲烷热解制氢工艺，其所需能源比电解水少80%。

（2）塑料回收

图1. 基于塑料回收的塑料循环经济

由于资源有限、可持续材料市场不断增长以及政策推动等因素，塑料的回收利用在化学工业中变得越来越重要。巴斯夫的目标是从2025年起，将回收或废物原材料的加工量增加到每年约250000公吨。回收的和基于废物的原材料是指可物理回收的原材料或作为热解油进行化学回收的产品。

作为终止塑料废物联盟（AEPW）的创始成员，巴斯夫在塑料物理回收方面开发了诸多方案。例如，使用适当的添加剂包括抗氧化剂、光稳定剂、阻燃剂、抗静电剂、表面改性剂等，可以使塑料能够在不损失质量的情况下循环更多次。巴斯夫开发了近红外光谱设备可以区分废物混合物中的各种塑料类型，为塑料的分拣提供解决方案。

然而，并不是所有的废塑料都适用于物理回收。作为一种互补技术，塑料的化学回收已成为工业上的一条主要途径。在巴斯夫，目前的研究与应用重点是热解。用于热解的原料是混合塑料废物或废轮胎。在热解过程中，聚合物链被热分解以获得具有不同分子量的烃材料，如石脑油、油和蜡，其产率可以通过改变反应参数来控制。除了热解，巴斯夫目前正在开发化学回收硬质聚氨酯泡沫废料的工艺，可以从高度污染的废物流如冰箱和冰柜的绝缘材料中回收得到高质量多元醇。此外，巴斯夫在回收废旧床垫泡沫方面也取得了系列进展，可以从聚氨酯中回收单体，并用于制造新床垫。

（3）质量平衡方法

当化石、生物基和回收原料在一批中用于合成时，很难确定非化石原料在产品中的比例。为应对这一挑战，巴斯夫及其合作伙伴的理论和实验研究表明，可再生原料在最终产品中的份额可以通过质量平衡计算来确定。目前巴斯夫将质量平衡计算已应用于1000多种销售产品，包括许多塑料材料。

（4）可生物降解塑料

可生物降解塑料极大促进了循环经济的发展。巴斯夫致力于可生物降解塑料的开发，例如ecoflex®和ecovio®是经过认证的可堆肥解聚塑料。ecoflex®主要组成为聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT），ecovio®是PBAT、聚乳酸和添加剂的混合物。

赢创--绿色特种聚合物的新途径

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赢创是德国最大的特种化学品生产商，尤其是工程聚合物的生产。工程聚合物的耐久性是其可持续性的主要因素。尽管如此，赢创仍在不断寻找新的方法来进一步减少其环境足迹。例如用于制造牙刷、服装和体育用品的聚酰胺-6,10和聚酰胺-10,10，其单体可部分或全部由生物来源的蓖麻油制备。另一个例子是聚酰胺12，它使用来自先进的热电联产厂的电力和蒸汽。目前，在这些热电联产工厂中使用废物中的生物甲烷气可将PA12生产过程中的二氧化碳排放量平均减少40%。使用生物基或再生的原材料、可再生能源是促进塑料可持续发展的重要手段。

当聚合物废物在使用后无法收集和回收时，应评估其生物降解性，以避免其在自然界中积累。这些聚合物的典型应用包括化妆品。赢创已经为化妆品中使用的所有聚合物提供可生物降解的替代品。例如，赢创凭借其在聚甘油酯领域的专有技术，开发了新的生物基、易生物降解和无害乳化剂，用作乳化剂的标准石化基聚醚可以被完全基于植物来源的甘油和脂肪酸的聚甘油酯取代。用于合成它们的酯化反应是一种新型“绿色化学”的案例，可以通过酶催化进行。

图2. 赢创与西门子能源开发的人工光合作用方案

另一个很重要的案例是，赢创和西门子一直致力于人工光合作用。该联盟使用电解槽从水中生产氢气，从二氧化碳中生产一氧化碳，这些气体被送入生物反应器，微生物在生物反应器中将这种“合成气”转化为特种化学品。以这种方式可获得的产品之一是丁醇，丁醇可以脱水成1-丁烯，1-丁烯是聚乙烯生产中的重要共聚单体。1-己烯也可以使用该方法生产。相比自然光合作用的能量效率约为1%，而人工光合作用过程的总体能源效率可超过5%。

案例研究--循环经济中的聚氨酯泡沫

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聚氨酯（PUR）于90年前在德国被成功发明，目前已成为应用最为广泛的交联聚合物，其主要应用于泡沫领域。聚氨酯的合成原料为聚醚或聚酯和异氰酸酯，通过氨基甲酸酯和脲键连接。由于该结构的热稳定性差，聚氨酯的物理回收目前仅限于切碎和粘合来生产片状复合材料。

目前回收PUR的方法主要有化学循环和CO₂捕获利用两种途径。

PUR可以被化学裂解，经过分离回收不同组分，例如聚醚的回收。由于氨基甲酸酯键和聚对苯二甲酸乙二醇酯PET中的酯键对化学裂解很敏感，因此用于PET回收的概念也可用于PUR基绝缘材料的回收：化学分解成碎片，随后使用异氰酸酯重建新的聚合物网络。在最近的一些研究中，胺组分也被分离与回收。通过回收PUR燃烧时产生的二氧化碳进行CO₂捕获和利用也是一种重要的途径。这也可以被认为是一个“仿生”循环，因为大自然利用太阳能在自养生物中从二氧化碳中重建聚合物。因此，CO₂不会被浪费。

此外，包括生物基单体的开发、生物基化合物的合成等都是实现聚氨酯泡沫循环经济的重要手段。

总结与展望

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文章的最后概括了全球塑料生产和使用的情况以及各国的行动计划。

从国际趋势来看：全球正在努力解决塑料污染问题，重点关注塑料生产和使用的改善。中国和美国是全球最大的塑料生产国，两国都有责任为更好的塑料管理做出贡献。例如中国的“十四五”规划明确了整治塑料污染的行动计划。在美国，减少聚合物管理中温室气体排放的计划包括塑料废物的回收、二氧化碳和生物原料的合成使用，以及生产过程中的碳捕获、利用和封存。印度、日本等国也在采取措施应对塑料污染，例如加强塑料垃圾管理和推动生物降解塑料的发展。

从欧洲趋势来看：欧洲正在采取多方面措施应对塑料污染，包括政策领导、塑料管理激励措施、塑料废物收集、分类和回收能力的提升，以及利益相关者的积极参与。欧盟在其27个成员国于2019年签署的绿色协议中，承诺到2050年实现碳中和。一些跨部门联盟相继成立，致力于在欧洲建立一个有竞争力、有活力和可持续的生物经济。例如欧洲成立了循环生物欧洲联合企业，致力于促进生物塑料等可持续产品的生产和使用。

从德国趋势来看：德国化学和制药行业拥有大量公司和员工，并且正在向可持续性转型。政府计划也支持这一趋势，如Link2B计划，旨在支持中小企业利用生物资源开发环保材料。

此外，文章也指出了塑料绿色发展下一步需要重点关注的问题，包括以下几个方面：

（1）改进塑料回收和分类分拣技术; 

（2） 使用计算化学和人工智能调整聚合物的配方以简化回收；

（3） 开发新的兼具性能与可回收性的塑料材料；

（4）利用合成生物学生产生物基聚合物；

（5）开发可生物降解的一次性塑料；

（6）从植物材料中开发生物塑料。

最后，作者指出目前未回收和管理不善的塑料垃圾主要集中在中低收入国家，需要更多的官方发展援助来解决全球塑料管理问题。

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文章摘要

 Abstract

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Abstract

Global plastics production is expected to exceed 400 million tons and reach 600 million tons by 2060. Their synthesis currently accounts for approximately 3% of global greenhouse gas emissions. Approximately 60% of all polymers are produced for single-use. Examples include shopping bags, packaging materials, mulch films, and soluble polymers for cosmetics and other purposes. Currently, only a portion of single-use plastic is recycled or disposed of in incinerators or landfills. An estimated 20% is not disposed of properly and pollutes the global environment, especially the oceans. In response to these challenges, the United Nations, European Union, and many nation-states are developing regulatory frameworks that encourage the chemical industry to produce plastics with a smaller environmental footprint and often support this through research funding. Possible solutions include a) the use of green energy, green hydrogen, bio-based feedstocks, or CO2 in synthesis; b) the reuse or recycling of plastics through conversion or pyrolysis; and c) the production of biodegradable polymers. The German chemical industry contributes approximately one-third of polymer production in the EU. It is embedded in the EU regulatory and research landscape and anchored in the European Green Deal, which aims for carbon neutrality by 2050. In this paper, we describe how BASF and Evonik, two leading German chemical companies with strong but different polymer portfolios, respond to the call for greener polymers and how technologies are being developed to make polyurethanes, a particularly important and difficult-to-recycle family of elastomers and duromers, renewable and circular. Reducing the environmental footprint of plastics requires not only innovative materials but also proper governance, regulatory and collection systems, and public willingness to cooperate. In an international comparison of these competencies, expressed by the "polymer management index" (PMI), Germany achieved a top position.

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作者

 Author

Rolf Schmid 教授

Rolf Schmid教授，Green Carbon顾问委员会委员，毕业于德国慕尼黑大学化学专业和德国弗赖堡大学生物化学专业，自然科学博士，在法国和美国进行博士后学习，获得德国罗伊特林根大学国际营销工商管理硕士学位（MBA）。先后在德国汉高公司（杜塞尔多夫）担任生物研发负责人，在亥姆霍兹感染研究中心担任酶技术部门负责人，在德国不伦瑞克大学担任全职教授，在德国斯图加特大学生物化学技术研究所担任所长。主要研究方向集中在酶设计、生物传感器和工业生物技术等领域。2007年，成立Bio4Business公司。

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论文信息

Franz A, Buchholz S, Albach R, et al. Towards greener polymers: trends in the German chemical industry[J]. Green Carbon, 2024.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.02.002

供稿：徐广强 副研究员 杨茹琳 博士

（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）

编辑：Green Carbon 期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

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