塑料白色污染的出路：低碳生物可降解聚合物基的可持续未来

20世纪最辉煌的成就之一是以石油为基础的塑料的发展。80年后，随着研究和工业创新方面的开创性进步和一系列突破，塑料已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。

尽管塑料的应用种类繁多，但其无限制的处置正在对生态系统服务和生物多样性造成破坏。

此外，塑料经济完全依赖于不可再生的、会改变气候的石化资源。

循环经济(CE)旨在在系统中保持塑料在最长时间内的最高价值，是克服这些挑战的策略之一。

【J】K. Amulya , Ranaprathap Katakojwala , Seeram Ramakrishna , S. Venkata Mohan , Low Carbon Biodegradable Polymer Matrices for Sustainable Future, Composites Part C: Open Access (2021), doi:
https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100111

原文：Abstract

One of the crowning glories of 20th century was the development of petroleum-based plastics. Eighty years later, with pioneering advances and series of breakthroughs in research and industrial innovations, plastics have become an integral part of our everyday life. While the applications of plastics are multifarious, their unrestricted disposal is causing damages to the ecosystem services and biodiversity. Furthermore, the plastic economy entirely relies on non-renewable, climate-changing petrochemical resources. A circular economy (CE), which aims to retain plastics at their highest value for a longest period of time in the system is one of the strategies to overcome these challenges. The present article discusses about strategies that can be employed to incorporate circularity and concepts of CE in plastics production systems. It emphasizes that although CE aims at design out waste, it needs to go a step ahead and also consider the impact of raw materials, the entire product value chain and end-of life options to achieve sustainability. It captures the emerging area of biodegradable low-carbon polymers from renewable resources with an emphasis on technical and environmental advantages that contribute to reduction in carbon footprints. Research done from a sustainability standpoint by considering CO2 emissions right from production stage to end-of-life are reviewed. Some challenges that need to be addressed for future work, the potential role of sustainability analysis in enhancing use of biopolymers are summarized. Furthermore, it sheds light on integrating a low-carbon economy with the CE to achieve a holistic and sustainable plastics production value chain.

人类对聚合物一直很熟悉，各种天然聚合物如棉花、丝绸、羊毛、纤维素纤维和蛋白质的使用可以追溯到几个世纪以前。

然而，随着化石燃料的出现，从自然资源中生产这些大分子材料遭受了重大挫折。在2020年的黎明，化学兄弟会庆祝“聚合物科学100周年”，回顾herman Staudinger的出版物“聚合论”。这篇文章的重点是橡胶的链状结构，由几个等量的化学结构单元组成，以及链长对橡胶力学性能的影响。此外，Staudinger将这些长链和高分子量的分子称为“大分子”，并 告说，它们特殊的物理和化学性质是由于它们的高分子量和大量的碳键。通过对纤维素进行化学改性，合成了第一批热塑性聚合物。

1930 – 1950年期间被认为是作为聚合物的黄金时代,在大量低成本的合成单体和聚合物链增长缩聚反应过程建立和优化了更高的收益和合成新型聚合物。随后，聚合物表征的新分析方法出现了，随着对材料的不断需求，工程聚合物被设计成具有特定性能，以满足各自应用。合成了聚氯乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、纤维(尼龙)、橡胶(氯丁橡胶)和粘合剂等几种人造塑料。

这些塑料材料逐渐淹没了各种领域，如包装、服装、通信、运输部门、住房和建筑、医疗保健和其他行业。在几十年的时间里，化石基聚合物已经达到了技术成熟的水平，并在经济体中站稳了脚跟。

塑料材料促进了经济的发展，其产量从1950年的1500万吨增加到2014年的3.11亿吨，预计到2050年将达到1.124亿吨。预计到2020年，全球市场将达到6543.8亿美元，2020-2027年复合年增长率(CAGR)为3.2%。

尽管不可否认的事实是，塑料具有非凡的性能，已经融入我们的社会，并对经济做出了贡献，目前的生产模式和一次性过程是不可持续的。

1 困境

与使用塑料相关的回 迅速到来，而且规模空前。另一方面，使用它们的严重程度也是前所未有的，导致了意想不到的后果。越来越多的环境问题、可持续性问题、无效的使用寿命(EoL)选择和原材料价格等挑战正在影响塑料行业。

目前，合成聚合物主要来自化石资源(90%)，其制造使用的石油储量占世界的4-8%。如果这样使用继续下去，预计到2050年，塑料生产将消耗掉总石油的20%，年增长率为3-5%，远快于石油总需求的年增长率0.5%。

此外，耐用性和不可降解性等特性已经成为这些塑料的EoL阶段的缺点，导致它们在环境中长时间堆积。它们持续存在于环境中，正在破坏海洋等自然系统，在它们的生产和使用后的处理过程中产生温室气体排放，并对人类健康造成有害影响(图2)。

目前，聚合物垃圾的处理主要有三种方式，即填埋、焚烧和机械回收。

填埋导致这些废物的降解非常缓慢，其中所包含的能量随之消失。

焚烧会释放有害气体到环境中，而且这些聚合物的能量回收也很低。

另一方面，机械回收被认为是一种临时的快速解决方案，包括对消费后的聚合物产品进行分类、清洗和干燥，然后再用于生产新的聚合物。

虽然，回收是聚合物废料管理的一种选择，但它是有限的，而且只对少数种类的聚合物(热塑性)有利可图。像邻苯二甲酸盐这样的化学物质，用于塑料的制造，以增强其灵活性、透明度和耐久性，对人类健康有巨大的影响。此外，副产品和未反应的单体化合物，如甲醛、苯乙烯、氯乙烯和双酚A，都是致癌物，对生态系统造成不利影响。这些聚合废物中的一些可能渗入水和土壤，释放干扰内分泌的化学物质。

此外，处理在陆地和水中的不可生物降解的聚合物可能经历光化学风化，部分分解和解聚，从而产生更小的塑料碎片，称为微塑料和纳米塑料。

据 道，这些塑料痕迹存在于生物圈的所有组成部分，如海洋环境、湖泊和河流生态系统、陆地生态系统和农业土壤。由于每种塑料的大小、形状、可降解性、元素组成等理化特性不同，其相关风险也可能多样化。微塑料污染会影响浮游植物的CO2封存能力。此外，一些先进的耕作方法，如覆盖，在农业领域覆盖聚乙烯(PE)薄片，以保持温度，水分和防止杂草生长，导致粉碎的土壤塑料已成为一个值得注意的问题。

为了应对这些困境，人们提出了各种各样的策略，从完全消除塑料的使用，开发可生物降解的替代品，从化石原料分离塑料生产和回收它们重新使用。

它阐述了各种可再生原料和生产工艺用于合成生物可降解聚合物。它定义了循环经济(CE)在聚合物工业中的作用，并提供了最近萌芽和快速涌现的低碳经济概念的理解。此外，它还阐明了如何整合低碳经济，重点是与CE减少二氧化碳排放，以实现一个整体和可持续的塑料生产价值链。

2 解决措施

2.1 替代解决方案

减少与塑料有关的环境问题的最理想的方法是减少塑料的使用，这似乎是一个牵强的想法，考虑到塑料在经济中扮演着核心角色。

另一种应对这一问题的方法是使用生物基或生物可降解塑料，作为石化产品的可持续替代品。

这些材料不仅可以替代化石碳，有助于保存化石储量，而且还具有生物相容性、生物降解性和CO2封存等额外优势，而CO2封存是全球变暖的主要原因之一。

科学文献中经常使用生物基塑料和生物可降解塑料这两个术语，但两者之间存在一个关键的区别。生物可降解聚合物是指当暴露在好氧、厌氧或微生物过程中会发生变质的材料。

另一方面，生物基塑料是由可再生资源生产的，可以是可生物降解的(淀粉，聚羟基丙酸盐(PHA))或不可生物降解的(bio-PE)。然而，并非所有的可生物降解塑料都必须是生物基的(聚己内酯)。

生物可降解性可以定义为化合物完全降解的能力，影响可降解性的因素包括其大小、厚度、组成等特性。图3描述了基于起源和降解性的聚合物分类。除按原料和可降解性分类外，还可分为drop-in plastics和chemical novel type。drop-in plastics生物塑料的化学结构与石化塑料相似，唯一的区别是它们是由生物基原料生产的。因此，它们被加工和回收，就像现有的塑料。另一方面，化学新类型是独特的，它们没有任何类似的石化化工同行，因此不能以常规方式回收。

生物基塑料的生产主要有三种途径。

第一种方法是直接使用部分改性的天然生物基塑料。一旦获得了这些天然塑料，它们就可以作为天然塑料使用，或者可以进一步进行化学改性或催化，获得其他塑料，如醋酸纤维素、丙交酯、呋喃二甲酸(FDCA)等。这种方法用于生产淀粉和纤维素基塑料，有各种用途。

第二种方法是从有机废物残渣中生产聚合物。生物基单体的生产是通过发酵或绿色化学路线，然后再进行单体聚合。这类单体和聚合物的例子分别有丁二酸、己二酸、乳酸和聚乳酸(PLA)、丁二酸 (PBS)、PE。然而，农业残留物也可以用于生产这些单体，通过对它们进行预处理获得简单碳糖。

2.2 生物或化学方法合成的生物可降解聚合物

在各种生物聚合物中，聚乳酸PLA无疑是商业市场上最成功的产品，也是一种可行的生物聚合物替代品。这是因为它的性能和制造过程类似于传统塑料，如PE，聚丙烯(PP)，和聚对苯二甲酸乙酯(PET)，不需要额外的资本支出(CAPEX)的加工。

聚乳酸是由乳酸自缩聚或丙交酯开环聚合而成的热塑性聚酯。

聚乳酸的生产一般分为连续两个步骤，第一步是通过可再生原料发酵生成乳酸，然后是连续的均聚/缩聚乳酸。

聚乳酸是一种可降解性较强的柔性聚合物，其成分的变化和质量的不同，使其要么在短时间内容易降解，要么可以持续数年。

PLA具有良好的结构稳定性和高透明度，在食品工业中用于敏感食品包装。

除了PLA，其他生物可降解聚合物如PBS和聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)也是化学合成的生物可降解聚合物。

然而,这些现在还通过生物途径产生,其中单体等生产琥珀酸,己二酸,1、较大影响和对苯二甲酸合成生物,然后是化学转化为PBS或PBAT(图4)。

PBS是一种脂肪族聚酯，表现出类似于热塑性树脂和PLA的属性。它应用于包装工业、纺织和农业薄膜。

PBAT是脂肪族-芳香族共聚物(聚酯)，已被开发应用于包装材料和卫生用品等领域，需要具有韧性和柔韧性的聚合物。除此之外，聚乙烯呋喃酸盐(PEF)是另一种由2,5-呋喃二甲酸(FDCA)和从可再生原料衍生的单乙二醇(MEG)单体生产的聚合物。PEF的热阻和阻隔性能与PET相当，实际上表现出比PET更好的水蒸气阻隔性能，使其成为包装应用的合适聚合物。

大豆蛋白塑料(SP)是另一种可降解塑料，它是从脱脂豆粕中去除可溶性糖和蛋白质制成的。它由20种不同的氨基酸组成，因此有很强的分子间和分子内的相互作用，使其加工困难。因此，添加甘油、水、乙二醇和山梨醇等增塑剂来提高其加工性能。

2.3 生物法合成生物降解聚合物

PHA可分为脂肪族聚酯可以生物细菌产生的胞质聚合各种特定的营养和生长条件下,剩余的碳量和缺乏一个或多个重要的营养,如氧、氮、磷、硫和其他微量元素如镁、钙和铁。聚3-羟基丁酸(PHB)和聚3-羟基戊酸(PHV)是微生物通过加工葡萄糖产生的常见PHA，与合成塑料类似。

PHB是完全可生物降解和生物相容性的聚合物，非常适合广泛的工业、医疗和农业应用。

然而，PHA的商业化生产受到一些因素的限制，如特定的培养基条件、纯培养物的使用以及下游工艺，如生物聚合物的提取和纯化，这反映在运营支出(OPEX)的增加上。

PHB在水中不溶性和耐水解性等物理特性使其不同于其他生物可降解聚合物。

PHB的另一个独特的特点是其热稳定性和绝对降解性，没有任何残留物。

纤维素是另一种广泛使用的从植物原料中提取的多糖生物聚合物，用于包装。由于其在水中的溶解度较低，因此不能用于包装，但可以与增塑剂混合或其表面可以修改，使其适合各种应用。除了直接使用外，纳米纤维素还可以从纤维素中获得，因为纤维素具有较高的机械稳定性和光学透明度，可以用作纳米填料。

此外，醋酸纤维素纤维(另一种纤维素的衍生物)也用于涂料、摄影胶片、扑克牌和香烟过滤嘴的制造。

淀粉基生物聚合物由于具有良好的生物相容性、低毒、可降解性和优异的机械性能，在医疗领域得到了广泛的应用。

2.4 生物可降解聚合物的改性

尽管生物可降解聚合物具有环保优势，但它们在物理和机械性能方面的表现仍不能与化石基聚合物相媲美。因此，为了创造具有所需功能特性的可生物降解聚合物，与其他生物基材料共混或掺入，一般采用增塑、物理和化学方法。

塑化是一种对生物可降解聚合物进行改性以提高其加工性能和其它性能的技术。增塑剂的性质和浓度对生物可降解聚合物的性能有重要影响。不同类型的增塑剂，如水，尿素，甲酰胺和甘油一般使用。

对于聚乳酸，常用的增塑剂有甘油、聚乙二醇、不同的酯类等。对于phase来说，由于聚合物的组成可以在生产阶段通过提供不同类型的单体来定制，增塑剂并不是一个广泛使用的选择。

将两种不同的生物高聚物共混，是合成具有良好性能的可生物降解聚合物复合材料最简单、最经济的方法之一。在某些商业应用中，这些聚合物混合物被认为比化石基生物可降解聚合物更有用。

有时，少数生物聚合物不能相互兼容或混溶，因此需要进行化学修饰或反应增容。

这些聚合物共混物的例子包括淀粉/聚酯共混物，淀粉/PVA共混物，聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸酯)/聚(乙烯基苯酚)，PHB/聚己内酯(PCL)， PLA/PBS, PHB/PLA, PHB/纤维素，PHB/PBS等。

这些混合物大多广泛应用于移动和电脑外壳、箔纸、罐头、模具、瓶子和其他包装材料。

因为，这些生物聚合物中的一些，如PHA和PLA是生物兼容的;它们可以被用作医疗植入物，如螺钉、钉子、支架和钢板，用于身体吸收。此外，聚乳酸纳米粒子和PHA分子被用于给药系统。

由于PLA是热塑性塑料，在60℃时软化，限制了其在热饮和食品包装中的适用性，但与耐热聚合物和填料的共聚可以有助于克服的缺点。对于淀粉，进行糊化以破坏晶体结构，这种类型的淀粉被称为热聚合淀粉(TPS)。与其他生物可降解聚合物相比，淀粉基聚合物便宜。目前，TPS在全球生物聚合物市场上占有最大份额，广泛适用于包装、农业等各个领域。

3 生物复合材料

除了上述改善生物可降解聚合物性能的方法外，在过去几年中，人们还广泛使用各种填料和天然纤维来生产一组多孔材料，即生物复合材料。

生物复合材料通常由生物基/天然材料和生物基/生物可降解聚合物混合而成，以生成描述两种单独成分特性的混合产品。这些材料在市场上的日益普及，可以从它们在包装、建筑、汽车和航空航天工程中的应用来理解。

具体来说，汽车行业对使用生物复合材料来降低成本，同时实现可持续发展非常感兴趣。它们由嵌入刚性和高强度强化阶段的聚合物基质组成。基质作为钢筋的平台，通过剪切应力吸收钢筋界面的外力，保护钢筋不受环境破坏。

常用的基体材料是合成聚合物，如聚苯乙烯、聚乙烯、PP和聚氯乙烯。然而，随着使用生物基材料的需求日益迫切，研究集中在增加复合材料的可再生部分，同时不影响力学性能。因此，天然纤维和生物源颗粒作为增强剂被广泛应用于制备复合材料。

通常根据所要求的强度、热稳定性和刚度来选择配筋。此外，可用性、加工和成本是决定用于生物复合材料的增强材料选择的额外因素。

4 使用可再生资源-低碳原料

如前所述，开发可行的替代品，即生物可降解的生物基聚合物，有助于克服传统塑料的挑战。从可再生原料中开发生物可降解聚合物，作为石油化工塑料的碳中和和碳负替代品。已经提出了各种生物技术方法来生产生物可降解聚合物，但它们还没有达到经济可行性。

因此，2019年生物可降解聚合物的批量产量仍不到整个塑料产量的1%(3.35亿吨)。这主要是由于由廉价化石原料制成的传统塑料之间的竞争，这些化石原料虽然含碳量很高，但通常没有被计入。

第一代生物可降解的生物聚合物是由富含碳水化合物的农业原料如玉米、土豆和大豆合成的。然而，由于对食品和饲料的竞争，重点已经转移到其他原料的使用，如农业废物(木质纤维素生物质)，生物废物(有机废物)和废水通过生物技术方法。

生物质(农业废弃物)经过一系列预处理，获得碳水化合物、木质素、油脂和蛋白质，并通过生物和化学方法进一步转化，得到可持续的生物可降解聚合物。生物质原料的定价不仅将使碳中性替代品的使用成为可能，而且还将生产出不同结构的塑料，否则这些塑料是无法合成的。这类塑料的例子包括呋喃基单体、FDCA和异山梨酯。因此，许多其他潜在的废物流，如乳清废物、制糖业废物、废油脂、石化废物、甘油和合成气也被用于生产生物塑料。

此外，利用气态废物(CO2、合成气和CH4)生产非化石塑料的研究也取得了显著的进展。农业纤维残留物，如大豆秸秆、玉米秸秆和麦秸，工业潜力较低，而且比其他天然纤维和传统纤维，如大麻和亚麻，价格更便宜，也被用作复合材料的增强材料。在塑料生产中推广它们可以给农民带来更多的激励。

所有可再生资源在用作生物可降解聚合物的原料之前都需要加工。加工和生产步骤可以在一个称为废物生物炼制的单一综合设施中进行。与20世纪石化生物炼制的出现类似，21世纪将出现用于生产有价值的化学品和能源的废弃生物炼制厂。

这些生物精炼厂的原料选择范围从低价值的植物、生物质残留物到各种废物。天然聚合物，如纤维素、甲壳素、半纤维素、淀粉等，可以通过绿色化学工艺直接在这些生物精炼厂中提取，并根据其应用进行进一步改性。

在这些生物精炼厂中，生产聚合物的间接途径是通过对废弃物/生物质的预处理来获得单体或平台分子，这些单体或平台分子可以作为前体来生产聚合物。木质纤维素生物质也可以通过物理化学过程获得纳米晶体或纳米纤维等生物复合材料的天然增强材料，并可集成到生物精炼厂。

5 通过生物途径减少基体内碳

“碳足迹”和“温室气体排放”这两个词是当前的大趋势。

根据国际标准化组织产品的碳足迹(CFP)被定义为“温室气体排放总量,并删除在产品系统中,用二氧化碳当量表示和基于生命周期评估和温室气体排放是“质量的温室气体释放到大气中”。

这些足迹被进一步划分为主要足迹和次要足迹。初级足迹是指由于各种人为活动而燃烧化石燃料产生的直接碳排放，而次级足迹则是间接的碳排放，如产品的生命周期及其可持续性。

2019年，Zheng及其同事发表的一篇文章提供了2015年10种石化和5种生物基塑料生产过程不同阶段的温室气体排放信息。根据他们的研究，提供了未来聚合物生产和温室气体排放的预测。

根据他们的研究结果，2015年石化塑料在其生命周期内排放1.8 GtCO2e(不包括回收产生的碳信用)，相当于当年排放的总二氧化碳(47 GtCO2e)的3.8%[89]。在他们的研究中，在塑料生产的各个阶段，我们观察到树脂生产阶段产生了总排放量的61%，然后是转化阶段的30%。在不同种类的塑料中，聚酯和聚丙烯酰胺在这两个阶段的温室气体排放最高，其次是聚烯烃聚合物。

还有 道称，在EoL阶段，焚化是温室气体的主要贡献者，其排放量远远高于垃圾填埋场产生的排放量，尽管大多数塑料垃圾是在垃圾填埋场处理的。通过回收，产生了49 MtCO2e，如果这些回收塑料取代原始材料，预计EoL阶段的排放将从161 MtCO2e减少到45 MtCO2e。同时，整个生命周期的排放量也将达到2015年全球年排放量的3.5%。基于这一轨迹，预计塑料的温室气体排放将从2015年的1.7 GtCO2e迅速增加到2050年的6.5 GtCO2e，如果它们被焚烧，排放量将进一步增加到8.0 GtCO2e。然而，如果塑料被回收利用，那么到2050年的排放量将减少到4.9 GtCO2e。

同样，生物碳的计算也非常重要，具体来说，从生产到处理，生物可降解塑料和化石塑料进行比较。生物可降解聚合物的独特特征是对大气碳的封存，在温室气体排放的剖面中，大气碳可以被认为是一个负流。这种负流可以中和处理(焚烧)过程中的二氧化碳排放。根据plasticserope的数据，传统塑料的全球变暖潜能值(GWP)在1.6403 ~ 6.4 kg CO2eq/kg材料之间，而生物基聚合物的全球变暖潜能值在-0.3 ~ 11.9 kg co2e /kg材料之间，比传统塑料的最小值更低，最大值更高。

据估计，用可生物降解塑料替代总石化塑料的65.8%每年可减少241 – 316mtco2e。从植物、农作物、生物质残留物和森林废弃物中获得的天然纤维是正碳的，因为它们吸收的碳多于释放的碳。例如，亚麻、黄麻、红麻在其生命周期内，每公斤纤维可储存约1.3 – 1.4公斤的二氧化碳。

因此，它们被认为是替代合成纤维的主要选择。纤维在加工过程中吸收的二氧化碳量等于其生命周期结束时(燃烧后)排放的二氧化碳量。它们的生命周期从生产到废物管理的每个阶段的温室气体排放量都低于石化行业的同类产品。

例如，在黄麻-玻璃纤维复合材料的生产过程中，约排放520-1120公斤的二氧化碳，约2400公斤的二氧化碳被植物为生长而封存，因此，二氧化碳排放正调整为1300-1900公斤/1000公斤黄麻纤维。同样，这些复合材料在汽车工业中的使用也体现了对环境的积极影响，使温室气体排放减少了15%[98]。如果在制造玻璃纤维复合材料和大麻纤维时消耗不可再生能源，则可节省约3吨二氧化碳。在种植过程中使用有机肥代替无机肥可以将碳足迹降低到650 kgCO2e/吨天然纤维。此外，这些天然纤维可以被微生物分解，将二氧化碳排放到大气中， 从而关闭碳循环。

同样，使用废物处理产生的沼气作为PHA生产的原料可以降低能量需求(37 MJ/kg PHB来自沼气)，并显著增加碳封存量(约为2 kg CO2e/kg甲烷)。

因此，碳转化为PHA(产率)的比例约为0.55 g/g甲烷。同样，据 道，Ingeo?PLA生物聚合物(NatureWorks LLC)与1.8 kgCO2 /kg PLA的吸收有关，从摇篮到门的碳足迹约为2 kgCO2 /kg PLA。如果使用风能代替化石能源，可以最大限度地中和生产过程中的碳足迹。

6 生物可降解聚合物及其生产过程的可持续性

尽管生物可降解聚合物在替代传统塑料和减少有限资源的使用方面提供了环境效益，但它们的生产过程在可持续性方面仍然面临挑战。由于对尖端产品的评估是基于其可持续性性能，生物可降解聚合物需要证明其可持续性，才能被认为优于传统塑料。

使用天然或生物基材料制造聚合物或复合材料不能成为标识这些聚合物为可持续的唯一标准。必须对产品生命周期中的基本循环(如提取、处理和处置)进行完整的评估，才能将其视为环境良性和可持续的产品。

生命周期评价(LCA)是评价产品和工艺环境可持续性最常用和最被接受的方法。

LCA方法已由国际标准组织(ISO)在ISO 14040系列(ISO, 2006)中标准化，以评估产品系统在其生命周期内对环境的重大影响，通过评估其输入、输出和所采用的过程。在生产材料和产品的各种过程中使用LCA研究，对于评估从生产、使用和废物管理等各个阶段的环境影响非常有用。

按照ISO标准，在执行LCA时需要考虑四个主要步骤。

第一步是定义研究目标，包括对比较的产品的描述，定义系统边界，选择需要考虑的影响。基于这些方面，绘制了流程图，并对所需资源以及对空气、土壤和水的排放进行了量化。然后根据清单分析确定环境影响。在LCA研究中，评估损害的常见类别是全球变暖(GHG排放)、臭氧层损耗、酸化、生态毒性、富营养化和人类毒性污染物。最后，对库存分析和影响评估的结果进行了讨论，并提出了未来的建议。在影响类别中，一个产品的全球变暖潜力是指它是否能够适应低碳经济框架。虽然生产过程的隐含能量和二氧化碳排放量的度量具有高度的主观性，但它们被认为是评估材料对环境影响的有益措施。

在评估这些材料的温室气体排放时，有三种方法可以解决碳排放问题。第一种方法是考虑到生物基材料中的碳是中性的，考虑到碳已经从大气中隔离出来，并将在短时间内返回大气。第二种方法是将生物基碳的分配与其他环境负担的分配一致，第三种方法是计算碳。考虑碳储存意味着一旦产品被利用，然后作为废物丢弃，就同时考虑了碳的吸收和释放。控制生物可降解聚合物可持续性的另一个因素是它们对环境的能源/材料保护的完全回 。终点。各种研究已经发表了不同生物基产品与石化产品相比的LCA，并特别强调了EoL策略，如回收、焚烧、填埋和堆肥。EoL的影响通常是棘手的，这是由于产品制造商在设计和现实世界的处理实践中的不同看法。堆肥似乎是管理这些废物的最佳途径，而焚烧则是最不可取的。

对于PHA，如上所述，它在微生物中积累，并直接通过生物途径产生。这种胞内聚合物需要从细胞中提取，一般采用溶剂提取和酶鸡尾酒提取两种方法[111]。

大量发表的关于PHA环境评估的文章表明，发酵和下游加工过程中需要大量的能量和材料[104]。虽然可以使用其他需要较少的能量和材料投入的过程，但产品的质量需要受到影响。一些研究表明，农业生物质，如玉米和玉米秸秆，可以用于产生能源，似乎比石油化工过程更有利[109]。

然而，有研究指出，如果将50%的生物量用于发电，如果长期使用，可能会对土壤碳产生影响，并可能对土壤的质量和数量提出问题[109]。以PLA为例，已经进行了一些研究，以评估PLA与其他不可生物降解聚合物相比对环境的影响[110,111]。以上研究均发现，PLA可以显著降低温室气体排放和能源需求，同时提高节能效果[83]。

在EoL选项方面，有一项研究指出，对于聚乳酸，机械回收是最佳选择，而对于可生物降解聚合物，其他研究认为堆肥和回收比填埋更好[110]。贝纳维德斯及其同事最近的一项研究发现，由于堆肥过程中甲烷排放量较低，因此堆肥比填埋是一种可行的PLA处理策略。该研究还表明，聚合物的可生物降解性在温室气体排放的生命周期中起着至关重要的作用，特别是当它们被设计成通过厌氧消化或堆肥条件分解时[110]。此外，也有 道称，与PHA类似，利用可再生能源生产PLA可以降低温室气体排放[110]。这项研究的另一个重要方面是，用于制造聚合物的转化技术也在温室气体排放方面发挥了重要作用。有人建议使用像挤压这样的低能耗工艺是有益的[110]。

在纤维作物的情况下，由于传统耕作系统中广泛的农业结构和人工劳动，能源需求可能非常低[113]。因此，为了提高纤维作物的可持续性和生态性能，作物残留物可以用于能源发电或其他增值渠道。对纤维作物与合成产品或玻璃纤维生产阶段的比较评价表明，纤维作物可以减少二氧化碳排放和化石能源消耗[114]。就聚合物矩阵而言，为了满足可持续性标准，低碳矩阵的制造应确保矩阵和增强材料均由可再生资源制成。

上述讨论表明，对于可生物降解聚合物，需要确定原材料的选择、材料设计、材料加工、耐久性以及处置后的废物管理。因此,可生物降解的聚合物/ biocomposite要考虑可持续发展应该满足一些要求等可再生资源的使用为其制造、能源使用和成本有效的提取和加工方法,没有有害或对环境的毒性作用在它的生命周期,应该有效地回收返回材料和活力值回自然循环[114]。除了可再生资源的选择，生物聚合物的可持续性还可以通过使用温和的化学过程来定义，即不利用或生产对环境有害的化学物质。因此，绿色化学路线可用于制造生物聚合物和复合材料[115]。在过去的几年中，这些概念被用于聚合物化学中，通过回收金属催化剂，利用酶或微生物来合成聚合物或在离子介质中进行合成反应来合成定制的生物聚合物[115]。

根据产品类别规则和生态特性，常规聚合物的lca具有一定的相容性，而这在许多生物聚合物中都是缺失的[86]。因此，为了进行可靠的比较，应该制定常规和生物基聚合物常见的指南或产品分类规则。储存的生物碳也可以精确地测量，并且应该包括一个系统边界，因为这两种材料类型通常都含有碳，在其生命周期结束时排放[86]。由于缺乏标准指南和生物质作为“碳中性”的考虑，很少有LCA研究忽略了材料的碳含量和相关的二氧化碳吸收的细节。因此，为了适应低碳经济，需要考虑生物聚合物的整个生命周期，对其优缺点做出具体主张[116]。

由于气候变化带来的挑战，全球变暖潜能值在影响列表中名列前茅，在进行整体环境评估时，其他影响类别也应考虑在内。

7 迈向循环经济

在过去的几年里，关于提高各种工业系统可持续性的讨论集中于关闭供应链循环和发展循环商业模式。在这方面，向循环经济(CE)过渡的想法获得了重大的牵引作用。CE的目标是通过最大限度地将资源转化为产品(最好是高价值的产品，同时消除浪费)来提高资源的价值。此外，它注重通过负责任的设计和生产策略来延长产品的生命周期，并通过回收和再利用来延长产品的使用。这使得产品在达到EoL时能够重新引入到经济中。当遵循这一策略时，既可以减少有限原材料的使用，也可以尽量减少与产生的废物相关的污染[117]。

随着垃圾填埋场的废物处理被认为是不可持续的，以及其管理成本的不断增加，各种国家都出现了鼓励回收和再利用概念的新法规[118]。2018年初，欧盟委员会也认识到了这一点，并提出了《循环经济中的塑料欧洲战略》[118]。该 告还强调了根据巴黎COP21协议，将塑料生产与资源消耗和温室气体排放减少分离的必要性[119]。

2019年，“欧洲绿色协议”(European Green Deal)在其行动计划中，将CE和废物回收法列为到2050年实现气候中性经济的首要目标[120]。因此，塑料现在在各国的政治议程中处于首位，许多防止塑料泄漏和向循环塑料经济[11]过渡的举措正在被提出。这表明，被废弃的塑料应该作为有价值的商品重新引入经济，并重新思考整个塑料价值链，从原材料的使用，设计，加工和回收。CE将有助于促进产品的可回收性，并在这些产品中使用这些可生物降解的材料[116]。《欧盟废物框架指令》引入了废物等级制度的概念，强调废物管理的顺序，以确保选择最有利于环境的废物管理方案。根据废物等级，应给予废物预防最优先，而填埋应给予最少的优先(图6)。原则上，最优先的选择是防止塑料废物，这在一个废物不可避免产生的系统中是困难的。最好的选择是减少化石资源的使用，生产生物聚合物。在可能的情况下，应鼓励使用微生物聚合物，如相或植物基纤维。还应评估合成路线的生态效率，最后也可以考虑使用再生合成热塑性塑料和热固性材料作为生物复合材料的基质。使用合成聚合物基质有两方面的好处，即一方面可以将废弃聚合物的数量降至最低，另一方面，在二次使用时，合成和加工聚合物所包含的能量/材料可以保留下来[97]。

8 循环经济与低碳经济相结合

除了要注重再利用和循环利用，还要注意降低二氧化碳的排放。低碳经济恰恰关注从原材料到整个产品价值链及其EoL过程的二氧化碳排放。它旨在解决气候变化问题，特别是二氧化碳排放问题，旨在开发从生产到产品终生产阶段的低二氧化碳排放工艺[115]。

低碳经济发展的重点是一个非常重要的方面，“碳”从元素的生产、流通、消费到废物处理。此外，考虑到原材料气候影响和制造业价值链的低碳经济，应与CE相结合，实现低碳CE。CE提供的可回收/可再用性选项可以与低碳经济提供的最佳气候影响相辅相成。低碳CE可以帮助设计概念区分可重复使用、修复或再制造的设计和专门为减少温室气体排放而设计的产品。采用低碳CE可以被视为改善社会其他方面的一种策略，例如鼓励再加工商品所需的新劳动力，这可以在循环经济模型中循环[121]。CE, /终于和低碳经济都是一个包罗万象的概念,绿色经济的一部分[28](图7)。

这些原则的绿色经济可以实现聚合物工业,其中重点应取代传统塑料生物降解聚合物,从可再生资源生产而解决这些过程的可持续性,向低碳转型的同时更值得关注。需要出台促进低碳CE的政策，使经济增长与资源使用脱钩，降低二氧化碳排放[122]。如果实施，经济效益将是巨大的，每年将为全球经济贡献1万亿美元[123]。由多种生物炼制模式推动的循环生物经济(CEB)可以被认为是低碳聚合物生产的重要方面，而循环生物经济与摇篮到摇篮战略是实现低碳经济的有利冒险[81,124]。

9 未来前景

今天的挑战不仅在于我们周围的材料，也在于制造这些材料时所使用的前体。它们缺乏可再生性、对环境的有害影响以及飞涨的价格共同推动了来自可再生资源的新型聚合物产品和材料的增长[118]。制造阶段的优化包括对可持续合成路线的研究和开发的投资，为减少排放和能源效率设定基准，有效的监管行动，以及实现严格的环境质量标准的优化[125]。

建议回收/再利用的石化和生物基原料作为生产新聚合物的起始原料[126,127]。使用可再生原料生产塑料对于减少温室气体排放至关重要。通过为循环优势和价值创造而对浪费进行估值，这一做法明显提高了企业的竞争力[128]。迄今为止，全生物基复合材料的应用主要局限于生态位产品，由于设计师、制造商和消费者对环境友好型产品的需求，这种应用可以扩展到开发新的生物复合材料和产品。废物生物炼制过程中废物流和副产品的级联利用具有生态优势，但在大规模应用之前，还需要进一步的研究和优化[72]。

此外，除了原材料阶段的创新外，可持续聚合物生产的工艺改进也可以在生产线和/或使用和处置(EoL)阶段实施[71]。聚合物的使用和处置方面的改进，提倡减少一次性聚合物的使用，升级废物管理做法，在公众中建立关于回收效益的意识，并在设计产品时考虑其EoL[129]。由于EoL的重复使用或回收将成为未来的标准，对于制造商来说，在生物可降解聚合物和复合材料方面的投资将提供与传统塑料相比的竞争优势[130]。一些创新还着眼于开发方法，以确保更有效的聚合物回收，以及优化工艺，通过热解和热/催化液化将这些塑料转化为燃料[131]。在考虑EoL方案时，需要研究确定最佳处理方法，因为焚烧、填埋和堆肥产生的碳足迹高于循环利用。然而，由于缺乏生物可降解聚合物的回收基础设施，目前只能对石化塑料进行回收。因此，这是一个需要重点考虑的领域，以发展可持续的生物聚合物供应链。

在可持续性方面，鼓励使用软件工具进行新的案例研究，以获得数据、验证、开发和改进方法和评估的各个方面。替代技术需要通过使用细致的可持续性指标和工具来关注生物聚合物整个生命周期的影响。来自系统边界区域方面的数据可以补充现有的数据库，以便开发可靠的指标和减少歧义[127]。在所有这些方面之上，设计的可持续聚合物应该在性能和价格方面与现有的聚合物竞争。尽管化石燃料还会继续存在一段时间，但它们的价格不太可能会下降，它们的储量极有可能在几十年内开始减少。因此，更好的办法是制定旨在发展聚合物的战略，它可以支持循环和低碳经济。尽管CE支持材料的循环使用和废物设计的概念，但这些过程的可持续性由低碳经济来证实[132]。

因此，CE和低碳经济必须携手并进才能取得成功。低碳经济有助于实现《巴黎协定》的气候目标和《2030年联合国可持续发展目标》。由于生物基聚合物是工业发展的重要载体，其生产应考虑以低碳发展为目标，以增强其可持续性，为创新、竞争力和创造就业机会提供空间。

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