碳捕集資源化利用與可持續(xù)塑料的相關(guān)研究近年來受到越來越多的關(guān)注，并逐漸成為研究熱點。最近英國杜倫大學(xué)研究團隊在《Nat. Sustain.》上發(fā)表了題為“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”的論文，創(chuàng)新性地提出了一種利用生物質(zhì)廢料與所捕集的二氧化碳來合成100%生物塑料PEF的技術(shù)，同時采用能效分析、生命周期評估和投資回收期等方法從工業(yè)大規(guī)模的角度全面分析了該技術(shù)未來前景。結(jié)果表明通過應(yīng)用最佳設(shè)計和成熟技術(shù)，由工業(yè)二氧化碳和生物廢物合成的PEF可能是PET和其他塑料材料可行且具有競爭力的替代品，從而進一步解決全球塑料污染的問題。
圖1所示為采用工業(yè)二氧化碳與生物廢料合成PEF的新型途徑，其中包括四個轉(zhuǎn)化步驟，即從木聚糖依次轉(zhuǎn)化成糠醛、糠酸、2,5-呋喃二甲酸、PEF。前兩個步驟是比較成熟的工業(yè)過程，而后兩個步驟還處于實驗階段。該流程由于來自于生物廢料，故不與食物資源競爭，同時有效解決了碳排放問題。
圖1. 新型PEF生產(chǎn)途徑
圖2為新型PEF合成途徑與其他不同塑料能耗與溫室氣體排放性能對比。能耗結(jié)果表明，采用玉米乙二醇作為新型PEF生產(chǎn)途徑具有最低能耗，即每噸PEF可產(chǎn)生46GJ，與PTT相比降低了40.5％。溫室氣體排放結(jié)果表明，每生產(chǎn)一噸的PEF，其溫室氣體的排放量相比于其他塑料最多可以減少1.86噸二氧化碳當(dāng)量，除PEF, PEF+與HDPE以外，與PET和其他塑料溫室氣體排放量相近或更低。這主要是因為參考文獻(xiàn)中的PEF合成方法全部處于實驗階段，同時食物被用來作為合成原料，可能沒有全面考慮其溫室氣體排放情況。
圖2新型PEF合成方法與不同塑料性能對比 (a)能耗；(b)溫室氣體排放
進一步對新型PEF合成途徑進行了全面的環(huán)境評估分析如圖3所示。結(jié)果表明，生產(chǎn)1噸PEF時，非生物耗竭（化石），全球變暖潛力和人類毒性潛力（分別標(biāo)記為II，VI和VII）是三個最重要的環(huán)境影響因素，其數(shù)值可以分別達(dá)到6.90×104 MJ，3.75×103 kg二氧化碳當(dāng)量和2.18×103kg DCB當(dāng)量值(見圖3a)。此外，本研究對11種不同情況進行了敏感性分析，以評估其環(huán)境結(jié)果的敏感性。如圖3b所示，當(dāng)供電量、天然氣量與二氧化碳利用率這些參數(shù)改變10％，分別會導(dǎo)致非生物耗竭（化石）和全球變暖潛力結(jié)果有約17％和大約7％的差異，這是受這些變量影響最大的兩個環(huán)境指標(biāo)。
圖3新型PEF合成方法的環(huán)境評估 (a)參考案例性能；(b)敏感度分析
圖4 為新型PEF合成途徑的經(jīng)濟性評估結(jié)果。結(jié)果表明，通過新途徑生產(chǎn)PEF的成本約為每噸2435美元而現(xiàn)有 PET的生產(chǎn)成本為每噸1800美元存在一定差距 (見圖4a)，但其與本研究中提出的新途徑生產(chǎn)的PEF相比，其二氧化碳排放當(dāng)量增加了50％。如圖4b所示，從1噸PET的總生產(chǎn)成本得出，一個237毫升PET瓶的生產(chǎn)成本為0.162美元。假設(shè)237毫升PET瓶的平均質(zhì)量為9克，若一個PEF瓶的生產(chǎn)成本盡可能與PET瓶相同，則PEF瓶需從9 g減少至6.67 g。
圖4 新型PEF合成方法的經(jīng)濟性評估 (a)對比成本；(b)瓶體分析
以上工作以“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”為題發(fā)表在Nat. Sustain.上。論文杜倫大學(xué)Long Jiang、Abigail Gonzalez Diaz 和Janie Ling Chin博士為并列第一作者，通訊作者為Long Jiang博士，合作作者包括杜倫大學(xué)Tony Roskilly教授、Andrew Smallbone博士和Abdullah Malik博士。該工作得到了英國EPSRC重點項目 (EP/N024567/1)的資助。同時該創(chuàng)新理念獲得了英國皇家化工學(xué)會Rush light Award獎勵。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-020-0549-y
PDF鏈接：https://rdcu.be/b4yso
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