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“可降解” 塑料,环保的上佳方案还是错觉?

 导  读

“可降解” 塑料已然成为环保新风尚,然而,从生产使用到分拣处理,“可降解” 带来的问题远比解决得多。不仅成本高,不如传统塑料耐用;变成废弃物后,还需要非常细致的分类收集和工业堆肥环境才能真正实现 “降解”,然而,这两项条件在大部分地区目前难以提供,让我们有理由质疑,它是否应该走出实验室,走向大规模应用。

撰文 | 于杨今奇

责编 | 冯灏

为迎接即将到来的2022北京冬奥会,中国石化宣布其所属北京石油将向冬奥会延庆赛区所在地张山营镇捐赠10万只可降解塑料袋,以减少赛事运行期间的塑料污染。这些塑料袋的材料是PBAT(己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物),在堆肥条件下可降解 [1]。随着公众对塑料污染问题认识的提升,可降解塑料被视为解决白色污染的金钥匙。 

然而,越来越多的研究开始质疑可降解塑料作为解决塑料污染方案的有效性 [2]。比如,所谓的可降解塑料,在什么样的情况下可以得到降解?它对当前垃圾处理设施系统将产生怎样的影响? 

在回答这些问题之前,我们不妨先来看看 “可降解塑料” 的概念、原理、条件和目前的实际应用状况。

1、什么是可降解塑料? 

抛开条件谈降解,就像抛开剂量谈毒性。

可降解性的条件包括很多方面——温度、湿度、氧气、微生物群体等都要考虑在内。另外,时间因素至为关键。普通化石基的塑料,比如常见的塑料瓶,在自然环境中经过450-500年也可以降解,但这对于我们当前所谈的环境保护毫无意义 [3]

从材料分子结构的角度来看,降解的过程,实际上就是干扰一般塑料的化学结构,即将聚酯长链碳键分解成短链,再分解成二氧化碳、水和生物质,安全回归自然界的物质循环。

图1 降解的过程 | 图源:文献[4]

 市面上常见的大部分塑料都属于不可降解塑料,比如聚丙烯(PP)、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等。它们可以回收再生,但是若丢弃在填埋场,一般需要几百年才能降解 [5] 

常被提起的塑料降解一般有两种方式,光氧降解和生物降解。鉴于光氧降解目前争议很大(如下表格所示),本文着重探讨生物降解。

光氧降解(oxo-degradable)一般通过在传统化石基塑料中加入添加剂,使其在有氧、光照或高温下加速碎裂。虽然光氧降解塑料一般在几个月或几年内就可以碎片化,甚至碎化到肉眼不可见的程度,但碎裂的塑料残留在环境中会逐渐变成微塑料(通常指粒径小于5毫米的塑料微粒)。目前还没有证据证明微塑料可以在短时间内完全降解,因此,光氧降解争议重重,有很大的 “洗绿” 嫌疑。

此外,光氧降解塑料在实际中并不耐用,且在用后既不能被回收再生,也不能被堆肥,反而对两种处理方式都会造成干扰——降低再生塑料性能,污染堆肥产物。全球各大品牌(例如联合利华、百事可乐)、研究机构和公益机构目前都在倡议禁止这种塑料的生产 [8],直到有证据证明其在短时间内可以完全降解 [9]

生物降解,指材料在特定环境下,通过微生物作用,完全转化成二氧化碳和水。可以将聚酯短链变成二氧化碳的微生物包括细菌、真菌和原生生物, 它们分泌的一种酶可将聚酯键分解 [4]

目前,市面上号称可生物降解的塑料超过20种 [6]。人们常把它与生物基塑料(成分来自可再生生物资源)混淆,实际上,可生物降解塑料既可以是生物基,也可以是化石基(成分来自不可再生的化石资源)

 生物基塑料常以木薯、玉米和甘蔗等作为原料 [7]。需要明确的是,并不是所有生物基塑料都可生物降解,比如,在巴西以甘蔗为原料大规模生产的bio-PE就不可降解 [4]。而化石基塑料大部分都不可生物降解。当然,也存在例外,比如聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT)

 2、三类可规模生产的生物降解塑料

根据欧洲生物塑料市场数据报告,2019年生物降解塑料的全球总产能达117万吨,占全球塑料年产(3.6亿吨)的0.3% [10]。目前,大规模商业生产的主要有三种 [10] 

一是以植物淀粉为原料的淀粉塑料和聚乳酸(PLA)[10]。淀粉便宜、产量高、工艺简单,弊端是不防水,且依赖粮食作物为原料,大量占用耕地。当前,产业界也在研究从农业和工业废弃物(比如玉米棒和纤维素)等中提取原料 [11] 

二是以石油副产品或生物为原料的二元酸二元醇共聚酯(PBS、PBSA、PBAT,下称PBS类塑料),这类塑料的产能也在逐年递增 [12] 

三是聚羟基脂肪酸酯(PHA),是微生物以糖类或油脂为原料在发酵过程中自身代谢合成的,目前产能尚少,全球仅25,000吨。但因为类似PLA,有着以农业副产品和其它有机废弃物为原料的潜力,PHA的前景很被看好 [10] 

生物可降解塑料的价格当前普遍高于传统塑料,但随着产能增加带来的规模化效应和油价波动对传统塑料的影响,可降解塑料的价格也越来越有市场竞争力 [13]

澳大利亚塔斯马尼亚大学极地海洋生态学博士贾柊楠告诉《知识分子》,可降解塑料在中国目前最常见的使用形式是膜类,尤其以可降解地膜的试验和推广为主导,在城市区域则以超市购物袋和食品包装等应用最为广泛。

3、可降解塑料,真的容易降解吗?

塑料垃圾若不能被有效收集而散落在自然环境中,会造成极为严重的负面影响。收集后的塑料垃圾常见的处理方式有填埋,焚烧,回收和降解。

  填 埋 

图2 图源:Pixabay [14] 

填埋是最不理想的处理方式,不仅污染环境,威胁公共健康,可降解塑料被填埋后,会与其他有机垃圾一同释放甲烷。而等量甲烷对温室效应的贡献是二氧化碳的25倍 [10],加剧气候变化。因为缺乏塑料降解所需的温度、湿度等条件,在填埋场中,可生物降解的塑料与不可降解塑料的 “可降解性” 事实上几乎无差别。

 中国合成树脂协会塑料循环利用分会技术副会长汪军告诉《知识分子》,“即使假设可降解塑料在自然中降解只需要二十年的时间,比不可降解塑料短得多,然而,在其未能被完全降解的二十年里,对自然界生态和生物造成的危害与其他塑料并无区别。”

  焚 烧 

焚烧发电或发热的处理方式优于填埋,尤其考虑到化石基塑料的热值高于煤炭 [10],若仅从能源利用的角度,燃烧使用过的塑料比燃烧其他不可再生能源(煤炭、石油、天然气)更为高效。

然而,同济大学的研究团队在焚烧厂的炉渣中发现了很难应付的微塑料 [15],研究估计,每吨投入焚烧炉的垃圾就能产生360~10.2万个微塑料颗粒。换句话说,即使焚烧,也不能一劳永逸地解决塑料污染问题。而且,若从资源角度看,塑料焚烧也很浪费,不可降解塑料和可降解塑料都被迫缩短了自己的使用周期,与下文提到的通过回收环节变成再生塑料相比,失去了循环利用的可能性。

 回 收 

相比焚烧对资源简单粗暴的处理方式,回收是目前普遍倡导的塑料垃圾解决方案。化石基不可降解塑料(如PET)可以被大规模回收再生,再次投入塑料或纺织产品的生产。总部位于挪威的分选和回收解决方案提供商陶朗集团循环经济业务副总裁常新杰告诉《知识分子》,“PET瓶回收再生在中国已成规模,据陶朗估计收集率已达85%;而可降解塑料目前主要针对一次性应用场景的材料替代,而没有关于用后的收集与再生利用的考虑,这样就不见得比可再生利用的传统塑料更好。 

常新杰介绍,现在不少后期处理公司的光学分拣设备可以将PBAT、PLA等可生物降解材料从PP和PE中识别出来,然而,问题在于,当前很多产品并非单一材质,不同生产厂家在其产品中可能会混合PLA、PBAT和淀粉等不同材质,并且配比各不相同,当前设备无法有针对性的识别,给后期分拣带来了更多麻烦。

常新杰表示:“当前,国内进入回收体系的可降解塑料体量不大,但若日后可降解塑料被大量使用,前端产品标准、垃圾分类又不够严格精细,那么,可降解塑料便很有可能混入回收用塑料,甚至扰乱整个回收过程。”

相似原理,一般的纸质食品包装(比如一次性纸杯)都是由复合材料构成,有一层塑料膜用于防水、防油,若不能有效分离,那么纸也会影响塑料回收。

在实践中,使用后的可生物降解塑料必须进入配套的降解渠道才有机会完成其降解使命。然而常新杰透露,目前在国内,这类配套设施仍寥寥无几。

 4、可降解塑料当前无法形成材料闭环

汪军认为,目前可生物降解塑料非常不成熟,或者说绝大多数时候是一个伪概念。

 其理由是,人们脑子中的 “降解” 概念是在来源于对自然的观察,例如木材等有机体可以被自然存在的微生物完全降解,成为其他机体的营养,形成物质闭环,而目前 “可生物降解” 塑料等人造的聚合物,都是聚酯类高分子,需要特定的水解条件进行第一步化学降解,然后才有可能被微生物消化。

 “这与自然降解是不同的。在自然界没有进化出以合成塑料为直接食物来源的微生物前,合成塑料走天然闭环的路,即把塑料扔给自然去降解吸收,不是对环境的负责任的做法。” 汪军说。 

实验室中被研究的可降解塑料可以享受适宜的温度、湿度、丰富的微生物种群,助力降解过程,但要走出实验室,可降解塑料面临现实的 “关山重重” ——分类、收集、处理——环环相扣,一环都少不得。 

目前,国内城市的垃圾分类体系并不能实现可降解塑料的单独储运,若各种塑料殊途同归进入焚烧厂,那么消费者花高价购买可生物降解塑料就失去了环保意义 [6]

 退一步讲,假设垃圾分离体系严格推行,后端降解设施还需要达到生物降解的条件(高效降解一般需要氧气,50摄氏度的高温和55%的湿度  [16]。目前,国内大多数厨余垃圾的厌氧消化设施并不能有效满足生物降解所需,比如缺少氧气。

 而堆肥是降解最常见的一种方式,最终可将聚酯通过生物过程转为二氧化碳、水、矿物盐和生物质,且不产生对自然环境(水、土壤)或动植物有毒的物质。根据欧盟的标准 [17],在工业堆肥条件下,可堆肥材料须被自然存在的微生物完全分解,并满足四个条件:

1

成分必须包含50%以上有机物,重金属含量不超标;

2

堆肥条件下,90%的材料需在六个月内完全降解;

3

在堆肥条件下,十二周内需碎片化至肉眼不可分辨的大小(<2毫米);

4

堆肥产物对植物生长发芽(和蚯蚓)无害。

当前,号称可堆肥的产品很难考证真实性,全球符合标准的工业堆肥系统也远远不及这类塑料的产量。这些带着可降解标签的 “绿色” 包装,仍会流入自然环境,比如水系或土壤中。

 汪军认为,“可降解塑料比普通塑料更容易碎片化,若大规模进入环境,几乎不可能再被重新收集,塑料污染问题也会更加严峻。” 

即使暂时忽视后端处理问题,可降解塑料在使用阶段也存在局限。

 汪军解释说,现在可降解塑料和天然降解材料相比的不成熟,是天然材料的降解是有 “开关” 机制的,“如树叶在树上时是不降解的,只有在落下后,即生命周期结束后降解才发生。” 他认为,“可生物降解” 塑料没有这个机制,它就面对一个 “使用” 和 “降解” 的矛盾问题。“可降解塑料处在既不如传统不可降解塑料耐用,也不如全天然材料可降解的尴尬境地。” 汪军说。

人类生存在地球上已有千百万年,而塑料的使用和普及不过在最近一个世纪 [10]。在塑料被大规模使用之前,人们与产品包装的关系并不似现在。保质期短的食物常常在产地附近,以散装的形式被销售;人们带着自家的油壶、米袋去粮油店采买口粮;精致且保质期更长的茶、饼干则以精美的金属盒作为包装,这些盒子大多会被主人留下,找到其他用途。

塑料无疑为我们带来了很多便利,但并不是所有的塑料包装都是必须的。 

“塑料是人类的产物,我们不要指望靠自然来解决人类造成的问题。我们既然造出塑料,就要尽量让它形成闭环,留在人的系统循环,而非进入自然系统大循环。” 汪军表示。

 5、政策正在转变

随着可降解塑料在实践中的挑战日益凸显,2021年9月8日,国家发展改革委和生态环境部印发了 “十四五” 塑料污染治理行动方案(“方案”)—— 完善塑料污染全链条治理体系,推动塑料生产和使用源头减量的同时,也要科学稳妥推广塑料替代品 [18]

“方案” 中提出要充分考虑可降解塑料制品的全生命周期资源环境影响,研究不同类型可降解塑料的机理和影响,科学评估其环境安全性和可控性。

 中国合成树脂协会塑料循环利用分会、再生PET分会常务副会长王旺对《知识分子》分析道,这份 “方案” 表明了政策层面对可降解塑料的态度。即可降解塑料的全生命周期环境影响、降解机制和安全可控性尚不清楚,且目前存在无序发展、产能盲目扩张的现象,应予以纠正。 

如 “方案” 中提出,可降解塑料产业应有序发展,合理布局,其应用领域需要规范,降解条件和处置方式也需要明确。其中的政策信号可以理解为:“现在还不适合可降解塑料大规模推广应用”,王旺总结说。 

 参考文献:(上下滑动可浏览)

[1] 中国石化. “中国石化可降解塑料为北京冬奥会‘添绿’. 2021. http://www.sinopecgroup.com/group/xwzx/mtbd/20210915/news_20210915_310454240507.shtml

[2] Jingkun Zhu, Can Wang. “Biodegradable plastics: Green hope or greenwashing? “ Marine Pollution Bulletin. Volume 161, Part B, December 2020. 111774

[3] 新华网. “垃圾的真相:塑料瓶降解要450年,人均垃圾产量该国居首“. 2019.

[4] Maja Rujnic-Sokele and Ana Pilipovic (2017). Challenges and Opportunities of biodegradable plastics: A mini reivew. Waste Management & Research

[5] Kunnika Changwichan, Shabbir H. Gheewala. “Choice of materials for takeaway beverage cups towards a circular economy”. Sustainable Production and Consumption. Volume 22, 2020. 34-44

[6] 绿色和平. “破解‘可降解塑料’:定义、生产、应用和处置”. 2020

[7] S. Mehdi Emadian, Turgut T. Onay. “Biodegradation of bioplastics in natural environments”. Waste Management. Volume 59, 2017, 526-536

[8] Sustainable Brands. “150 Companies, NGOs Call for Global Ban on Oxo-Degradable Plastics Packaging”. 2018. https://sustainablebrands.com/read/chemistry-materials-packaging/150-companies-ngos-call-for-global-ban-on-oxo-degradable-plastic-packaging

[9] Ellen MacArthur Foundation. Oxo statement.  https://www.newplasticseconomy.org/about/publications/oxo-statement

[10] European Bioplastics. Bioplastics market data 2019.

[11] Jiaxin Chan, Joon Fatt Wong, Azman Hassan, Zainoha Zakaria. “Bioplastics from agricultural waste”. Biopolymers and Biocomposites from Agro-Waste for Packaging Applications (pp141-169). Matthew Deans. 2020

[12] S. Ayu Rafigah, Abdan Khalina, Ahmad Saffian Harmaen, Intan Amin Tawakkal, Khairul Zaman, M. Asim, M.N. Nurrazi and Ching Hao Lee. “A Review on Properties and Application of Bio-Based Poly (Butylene Succinate). Polymers (Basel). 2021 May; 13(9): 1436.

[13] Martien van den Oever, Karin Molenveld, Maarten van der Zee, Harriette Bos. “Bio-based and biodegradable plstics – Facts and Figures”. Food & Biobased Research Wageningen. 2017

[14] Vkingxl. Scrapyard metal waste. Pixabay

[15] Zhan Yang, Fan Lv, Hua Zhang, Wei Wang, Liming Shao, Jianfeng Ye, Pinjing He. “Is incineration the terminator of plstics and microplastics. Journal of Hazardous Materials. Volume 401. 2021.

[16] 聚烯烃人.“‘生物降解材料’国内外标准及方法介绍” 生物降解材料研究院。2021.  https://mp.weixin.qq.com/s/dRIl8U8vrZgeqvK5vOf4rA

[17] STAR4BBI. Standards and Regulations for the Bio-based Industry. 2019.

https://www.plasticseurope.org/en/about-plastics/what-are-plastics/history

[18] Plastics: a story of more than 100 years of innovation. PlasticsEurope. https://www.plasticseurope.org/en/about-plastics/what-are-plastics/history.

制版编辑 | 卢卡斯



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