当前的世界环境

介绍

塑料被用于各种各样的用途，并已成为我们社会不可分割的一部分。过去13年的全球累计塑料产量是1950年以来塑料产量的一半。¹全球塑料生产也预计将来会增加。预计未来20年的全球塑料消耗率升高以达到600多吨的生产水平。²这是一种不可否认的现实，我们的母地是通过压倒性的塑料废物完全包围。尽管它已经是一个问题，只要塑料一直是我们社会的一个组成部分，塑料污染的概念就在全球各地的人民中出现。今天的传统塑料由诸如聚乙烯，聚氯乙烯和聚苯乙烯等石化产品中产生，并且这些塑料的生产负责消耗更多化石燃料，从而发出更多的温室气体。传统的石化塑料在环境中持续存在，因此这些塑料的生产和处置将成为全球许多大都市城市的主要问题。^3.这些有害塑料垃圾的不当处理是造成环境污染的一个重要原因，将对人们的生活造成危害。^4.传统的塑料废物将防止水和空气的渗透和耗散到地球中，从而降低土壤肥力，抑制其他有机废弃物的降解和危害动物生活。在海洋环境中，塑料废物的处理会导致海洋哺乳动物的窒息和纠缠。^5,6传统塑料对废物管理也有昂贵的影响。燃烧塑料还会释放出二恶英等有毒化学物质。^7.如今，几种塑料被用于不同的目的，塑料垃圾的回收也通过不同的过程进行，因此塑料垃圾的收集和回收也更加困难。了解这一不稳定的情况，世界各地的几个国家纪念2018年的世界环境日与主题“打塑料污染”。新出台的环境法规、社会关注和不断增强的环境意识促使人们寻找与环境兼容的新产品。在这种情况下，用可生物降解和/或可再生资源型塑料替代不可降解的石化塑料是决策者和塑料工业的主要兴趣所在。在这种情况下，建立公众对生物塑料的认识是一个令人羡慕的目标。因此，本文追溯了不同类型的生物塑料，并概述了其发展和废物管理。本文还提出了加速从传统石化塑料向生物塑料转变的理由。

生物塑料

生物塑料是生物可降解塑料和/或生物基塑料，它们是从植物和/或微生物中提取的，而不是从化石燃料中提取的。与传统塑料类似，生物塑料在普通条件下也可以以多种方式使用。唯一的区别是生物塑料是可生物降解的或生物基聚合物。生物可降解塑料和生物基塑料都包含了“生物”这个词，但它们彼此不同。生物可降解塑料由自然或化石来源制成，可生物降解或可矿化水和二氧化碳通过微生物的作用在一段合理的时间内。“生物降解性”一词的定义是:材料的特性可以通过微生物降解为二氧化碳和水的最终产物，因此不太可能在环境中持续存在。生物可降解塑料是指在有特定时间限制的情况下，在微生物的作用下，其物理和化学性质发生退化并完全降解为需氧过程中的二氧化碳、厌氧过程中的甲烷的材料^{8 9 10}．完全分解所需的时间取决于材料、环境条件，如温度和湿度，以及分解的位置。可堆肥塑料是一组塑料，可以通过微生物降解到腐殖质中，没有毒性金属。可堆肥聚合物应符合规定的标准。有三种国际标准viz。，EN 13432:2000, ISO 17088:2012和ASTM D6400-12概述了可分解聚合物的标准。根据欧洲标准EN 13432:2000，工业堆肥厂必须在6个月内将至少90%的可堆肥聚合物转化为二氧化碳。此外，在此期间，颗粒必须分解成尺寸小于2毫米的残留物。^11.并非所有可生物降解的塑料是堆肥。另一组生物塑料，生物化塑料由各种植物的原料生产，这不一定是可生物降解的。通常，生物塑料由微生物，植物和动物中发生的天然聚合物产生。此外，糖，二糖和脂肪酸的单体也被用作生物塑料生产中的基本原料，在那里可再生资源被修改并加工成生物化塑料。^12.

因此，生物塑料是由生物系统产生的viz。，微生物、植物、动物或由淀粉、纤维素和乳酸等生物原料化学合成的。生物塑料的大规模生产和利用将保护不可再生的化石燃料资源和相关的环境问题。此外，它还将提供诸如减少碳足迹和通过化学和有机回收提供额外的废物管理选项等优势。^13.全球塑料污染问题将通过生物降解性得到解决。^14.通常，生物塑料是可堆肥的，因此它将应用于土壤而没有任何有害影响，在那里生物塑料将很容易降解和分解。不幸的是，某些类型的生物塑料可以将有毒残留物作为塑料碎片作为土壤背后的塑料碎片，例如，某些组的生物塑料将仅在专业堆学组件的高温下降级。在海洋中任意丢弃生物可降解塑料可能会导致几种海洋生物的死亡，^15.因为海洋环境不会为降级提供合适的环境。然而，有效地提供收集，分类和回收实践的实现将提供改善生物塑料过程中资源恢复的益处。而且，产品的产品生物塑料表现出更高的机械强度和热稳定性这与传统的圣母塑料非常相似。生物塑料也有许多等级，具有各种特性。^16.通常，生物塑料产品用作携带袋，尿布超吸收剂，以及废水处理，各种包装应用，医疗和牙科植入物，餐饮和卫生产品，以及农业的覆盖。^17.即使生物塑料是一种传统塑料可行的替代品，它们并不具有成本效益^18.因此，生物塑料的潜力尚未实现。然而，对可持续发展的兴趣日益增长，减少对化石燃料的依赖以及废物管理的不断变化的政策和态度的愿望得到了生物塑料的效用和可用性。^19.此外，消费者和研究机构的行为和意识也在升级全球生物塑料新申请的商业化。^20.

生物塑料的优点和缺点

优势

由于塑料垃圾处理不当而产生的环境问题将通过生物塑料得到解决。生物塑料产品的主要优点是它们是由可再生资源而不是化石资源生产的。^21.可再生资源的使用将有助于减少通过减少碳足迹排放温室气体排放。^12,22与石化塑料相比，生物塑料生产可以发射约80％的二氧化碳。^23.生物塑料的生产也消耗了比石化塑料的生产更少的能量少65％。^24.在任何可能的重用和再循环选项后，将再循环生物塑料的可再生生物质，并用于通过级联回收能源恢复^25.因此，它提供了改进的资源恢复的优势。此外，生物塑料可以避免一些环境问题，如在海上的土地和处置的不受控制的倾销，以及有毒物质的相关排放。然而，收集，分类和回收措施和公众意识的有效实施对于奖励生物塑料的益处也是必不可少的。

缺点

这是一种不可否认的现实，即生物塑料在石化塑料中提供许多显着的优势。然而，它们也具有许多需要考虑的缺点。不受控制和不当处理的生物塑料废物也有助于乱扔垃圾和土壤和水污染等问题。与常规塑料类似，生物塑料废弃物乱丢对野生动物也有害。将生物塑料废物处理到垃圾填埋场可能有助于温室气体排放。生物塑料的制造成本较高也限制了这些塑料的使用。最后，制造生物塑料作物的培养可以为植物生产的可耕地培养竞争。^25.

生物塑料类型

生物塑料是一组产品，每个产品随着其性质而变化，并且应用程序也随着生物塑料产品的原料和制造过程而变化。目前，生物塑料正在以下类别。

基于淀粉的生物塑料

第一种生物塑料是用玉米淀粉取代塑料发明的并以EverCorn™和NatureWorks等名称出售．这些塑料是由石化塑料聚合物与可生物降解淀粉聚合物化合物共混制成的。^26.目前，淀粉基聚合物可以从土豆，玉米，小麦，木薯中生产。^10.在处理这种生物塑料期间，在聚合物中发生的淀粉分子将被微生物降解，从而将塑料聚合物崩解。然而，该淀粉取代的生物塑料的物理和化学性质不适合实际使用。此外，土壤和水中不可降解的塑料残留物的积累可能导致环境污染。这种类型的生物塑料直接从淀粉制造，这将影响在暴露于水分期间产品的稳定性。^27,28此外，这些生物塑料还通过微生物发酵过程从淀粉生产。例如，生物塑料如聚乳酸(PLA)和多羟基烷烃酸(PHA)是通过淀粉的微生物发酵过程产生的。^21.此外，淀粉和其他碳水化合物作为生产新一代生物塑料的原料，如生物基聚烯烃聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)，部分生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

纤维素基生物塑料

纤维素是葡萄糖的聚合物，其中葡萄糖单元由β-1,4-葡糖苷键连接。^29.纤维素存在于所有主要植物和绿藻的细胞壁以及大多数真菌的细胞膜中。一般来说，纤维素聚合物是通过提取或化学改性天然纤维素而产生的。纤维素塑料的最主要来源是棉纤维和木浆。有机纤维素酯和再生纤维素是纤维素塑料的两种类型。目前，全球约20%的化学级纸浆用于生产有机纤维素酯。^30.有机纤维素酯是由纤维素与有机酸酯化而成。工业上重要的有机纤维素酯有醋酸纤维素(CA)、醋酸纤维素丙酸酯(CAP)和醋酸纤维素丁酸酯(CAB)。有机纤维素酯被用于包装薄膜、香烟滤嘴、纺织纤维、制药和其他特殊工业应用。纤维素再生是指纤维素被化学物质溶解后重新构造成纤维或薄膜的过程。^21.目前，超过60％的全球化学级纸浆用于生产纤维素再生。^30.这种再生纤维素的例子有粘胶、粘胶丝、莱格丝和人造丝。

聚乳酸基生物塑料

聚乳酸（PLA），聚乳糖塑料是当今市场上最重要的生物塑料。^31.PLA基于乳酸，主要是由玉米，木薯，马铃薯，甘油和甘蔗和甜菜获得的淀粉的微生物发酵过程产生。通过这些PLA生物塑料可以克服淀粉取代的生物塑料中鉴定的问题。在此首先处理，将植物淀粉转化为通过微生物作为单体的乳酸中，然后化学处理乳酸以将分子连接到长链或聚合物中。这个PLA塑料看起来像传统的石化塑料这是一个真正可生物降解的塑料。聚乳酸塑料的主要优点是刚性高，稳定性好，透明度高，热塑性好，在传统塑料制造行业的现有设备中性能优越。聚乳酸塑料的应用主要是在食品包装，因为它的性能类似于聚乙烯和聚丙烯。此外，这种聚乳酸塑料的制造可以节省化石燃料塑料制造所需的三分之二的能源。PLA塑料在垃圾填埋场降解过程中排放的温室气体也比传统塑料少近70%。目前，PLA和PLA-共混物有不同等级的颗粒状，可用于生产薄膜、模压件、饮料容器、杯子、瓶子和其他日常用品。^32.PLA基于PLA的应用还扩展到各种领域，如医疗，纺织，化妆品和家用应用。此外，汽车行业还从PLA基塑料制造仪表板，门胎板等。^3.3.

基于Polyhydroxyalkanoates生物塑料

多羟基烷烃酸盐(PHA)基塑料是由植物基淀粉经微生物发酵生产的。这些基于PHA的塑料具有与聚酯、聚乙烯和聚丙烯非常相似的物理和化学特性。^34.在过量碳源存在的情况下，几种天然微生物在细胞间形成PHAs颗粒。^31.通常使用用于制造塑料的不同组多羟基烷烷是多羟基丁酸（PHB）和多羟基丁酸盐，聚羟基戊酸（PHV），聚-3-羟基丁酸酯 - 共 - 戊酸酯（PHBV）。^31.几家公司大规模生产基于PHA的塑料。众所周知的例子是Biopol和Bionelle。Biopol是一种称为聚3-羟基巴丁酸酯 - 共 - 戊酸酯（PHBV）的多羟基丁酸酯（PHB）的共聚物，并且Bionelle是化学合成的基于生物降解的塑料。有超过75个属的原核生物和古亚痤疮具有细胞内产生PHA的能力。^35,36,37细菌如Alcaligens.SPP。，假单胞菌和一些丝状属，即诺卡氏菌属sp.也能在营养条件有限的情况下产生这些多环芳烃。^38.PHAC基因对微生物中PHA的合成和积累负责。^39.

一般情况下，特定微生物通过碳水化合物转基因发酵，可以在有限的营养条件下，以PHA聚合物颗粒的形式在细胞的细胞质中积累其体重的80%。^36.PHA聚合物通过打破细胞壁纯化，然后通过有机溶剂的水溶液提取方法收获。之后，PHA生物聚合物被提纯，转化成晶格的形式，用于塑料制造。通过基因工程，科学家们开发了几种从phaC基因中产生PHA的转基因植物。柳枝稷、黍virgatum，已用作通过基因工程生产PHA的主机。⁴⁰后来，科学家开发了遗传修饰的玉米，用于生产PHA，也是植物的植物作为塑料作物栽培。近来，一家以欧洲为基础的生物科学工程公司Metabolix®已通过优化CheckGrass，Camelina和Sugarcane优化作物中的多基因表达技术成功推出了生物化的PHA生产计划。^{第四十一条、第四十二条}近年来，诸如多羟基烷烃和藻酸盐的生物聚合物也是由不氧化废水处理产生的厌氧消化器和污泥的消化来制备。从污泥中生产生物聚合物将提供低生产成本的优点，因为它是由廉价的废物污泥产生的。^43,44

基于噬菌体的塑料是真正的可生物降解的，其在有氧和厌氧条件下的许多不同的属和真菌和真菌在1年内可以完全生物降解。^45、46PHA在好氧条件下的生物降解产生二氧化碳和水。它是一种无毒的天然聚合物^47.因此，它可以用于食品包装，医疗植入物和农业等广泛的应用中。^45.在全球市场中，PHA可用作胶片和注塑成型等级以及挤出和吹塑等级。人造颗粒泡沫板也由聚-3-羟基丁酸酯-CO-3-羟基己酸酯（PHBH）制成，其对富富孔具有非常相似的性质。^48.

进入生物塑料

滴INS是一组由完全或部分生物的材料组成的生物塑料^49.然而，这些塑料是不可生物降解的。这些塑料通常由玉米、甘蔗和甜菜制成。这些塑料是传统石化塑料的混合版本。完全或部分可再生生物基原料的存在是与传统塑料的唯一区别。目前，滴入式生物基材料的生产和利用正在急剧增加。这些生物塑料的例子是生物聚乙烯(PE)、生物聚丙烯(PP)和生物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。生物乙醇等可再生资源被用来制造传统的塑料类型，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)。滴入式生物基塑料在化学上与传统塑料完全相同，因此它们可以用于完全相同的应用。根据Van den Oever的说法et al .,^50.BIO-PE和BIO-PET主要使用包装应用。生物宠物塑料主要是在瓶子制造中使用，Bio-LDPE在薄膜制造中使用。琥珀酸是适用于运动和鞋类，汽车，包装，农业，非织造件和纤维应用的几种应用．这些生物塑料的主要优点是减少了碳足迹，因为它由可再生生物质组成。还可以在现有的传统塑料设施中加工，制造和再循环这些液滴，这将降低生产成本。

化石燃料生物塑料

可生物降解的塑料不仅可以制造不仅从基于生物的原料制造，而且可以制造，而且可以从石化原料中制造。聚丁酸盐等石化产品己二酸酯（PBAT）也用于制造生物塑料。PBAT是一种新的石油化合物聚合物，但仍然是可生物降解的，并且通常称为聚丁酸酯。^49.它主要与淀粉和其他生物塑料材料结合使用，用于改善特定应用的性能，因为其生物降解性和刚性。近年来，新的生物或部分生物基于生物的PBAT版本的发展。这种PBAT塑料也由可再生资源生产。^51.例如，聚（丁烯己二酸丁二醇酯 - 对苯二甲酸酯）（PBAT）由己二酸，对苯二甲酸和1,4-丁二醇商购合成。该PBAT是由己二酸丁酯和对苯二甲酸酯组成的随机共聚物。它是可生物降解的，它具有维兹的性质，弹性高，断裂弹性和灵活性，并且因此，它被用作在袋子，包裹物和其他包装材料等产品中使用的优选替代方案。它还用于生产垃圾袋和一次性包装，因为它的分解率最快。它还被用作制造生物塑料的添加剂，用于赋予刚性和柔韧性。

生物塑料的废物管理方案

生物塑料适用于各种寿命终端选择QIZ。重用，机械回收，化学回收，有机回收和能量回收。“若干国家”提出的“浪费等级”还认识到可持续治疗和处理废物的减少，重用和回收等选项。^{52,53,54,55,56，57.}然而，进入城市垃圾流的生物塑料使现有的塑料回收系统变得复杂，因为生物塑料的基材与传统塑料不同。^58岁的59生物塑料废物也充当堆肥的潜在基材，因为它在其性质中是生物降解的，其中有价值的有机材料作为最终产品回收。^60.

回收选项

回收是生物塑料可持续管理的首选和可行的选择，然后焚烧能量回收是最合适的陆地灌装方法。所有循环方法包括材料，化学和有机回收是对生物塑料管理的可行性。材料回收定义为废料中的再加工成新产品。这种类型的再循环也称为机械回收。机械回收适用于所有类型的生物塑料，然而，大量的生物塑料废物的不可靠性会使这种回收是比传统塑料更不可能的经济吸引力。机械回收公司使用洗涤剂，密度分离和配混等工艺将这些分类产品转换为再生。目前，根据基础材料，所产生的生物塑料随着常规塑料而易于再循环。例如，将生物化的聚乙烯（PE）在PE-流中再循环，并且生物化的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在PET-中间循环。以这种方式，生物塑料有助于更高的回收比例。PLA聚合物废物可以通过机械回收几次，无效地再循环化学和物理性质的任何改变，并将再循环转化为产品viz。，塑料木材，管道，花园家具和托盘。^61.

再循环生物塑料的另一种选择是化学回收，其中将被重新熔化生物聚合物废物以进行新产品的开发。在某些情况下，生物聚合物废物也转化为化学积木，即可以再次用于生物聚合物的单体。这种类型的再循环也称为原料回收。该回收是基于PLA的生物塑料的可行选择。目前，基于PLA的生物塑料是有效再循环到乳酸中，并在比利时和美利坚合众国等国家转换成新的PLA产品。LoOPLA工艺也是化学回收过程之一，其中PLA水解成乳酸。^62.

堆肥法有潜力将可生物降解的塑料废物回收成营养丰富的土壤改良剂，世界上许多地方都在实施这种方法。^60.天然微生物可以将这些可生物降解的聚合物转化为更简单的化合物，然后将更简单的化合物分解成二氧化碳和水在厌氧条件下分解成甲烷和二氧化碳。堆肥也被认为是一种材料回收，其被称为有机回收。^63.堆肥也相当于材料的回收^64.因此，它被认为是生物塑料废物管理的可持续和环保选择。van der zee.^65.在10×10cm大小的块处进行了隧道堆肥的研究，该块的温度超过60℃，他观察到PLA泡沫的完全崩解，在2周的堆肥期间3天。根据Iswa，^25.生物塑料在堆肥期间不会产生任何有毒物质。可生物降解的塑料废弃物堆肥还改善了土壤质量，并改善了其他有机灌条的植物生长参数。^66.

能源生成

生物塑料废料通过厌氧消化、热解、焚烧等不同过程产生能量。但要完全回收生物塑料垃圾中的所有可回收材料后才能进行回收。^60.由于具有高热值的生物塑料，它可用于在一般的传统塑料废物焚烧设施中产生能量。^67,68,69尽管一些生物塑料如天然纤维素纤维和淀粉具有较低的总热值(GCV)的特性，但它们与木材相似，因此通过焚烧从这些生物塑料垃圾中回收能量是可行的和可行的。^67年,70年生物塑料废物的焚烧将发出大量的二氧化碳，其将被捕获并可用于开发新的生物化产品。^50.这将使焚烧生物塑料垃圾的做法成为可持续的做法。

厌氧消化也被用来有效地管理生物塑料废物，从分离的废物收集方案和机械处理混合的城市固体废物。在厌氧消化过程中，生物塑料废弃物在厌氧条件下分解为甲烷和二氧化碳。⁷¹产生沼气和消化的厌氧消化，其中沼气可以用作可再生能源来源，并且消化物可以用作有机粪肥。歌曲et al .,^60.据报道，可生物降解的塑料废物适用于厌氧消化，其中废物生物聚合物转化为甲烷。此外，含甲烷的垃圾填埋气体也可用于产生能量。

市场对生物塑料的需求

生物塑料的重要性在过去的二十年里并不为人所知。然而，最近生物塑料已经成为我们社会不可分割的一部分。对生物塑料的持续研究和开发活动以及对环境保护意识的不断增强，导致了整个生物塑料市场的显著增长。⁷²此外，若干政府对减少塑料使用的严格监管改革已经增强了对生物塑料的需求。目前，生物塑料产品在总塑料市场中的贡献仅为1％。但是，欧洲生物塑料的年度市场数据更新结果为12^TH.2017年11月29日在柏林举行的欧洲生物塑料大会证实，全球生物塑料行业稳步增长。2017年，全球生物塑料生产能力为205万吨，预计到2022年将增加到244万吨。⁷³生物塑料的生长率为每年20-25％，但传统塑料的增长率仅为每年4-9％。⁷⁴欧洲生物塑料市场报道，全球生物塑料市场每年持续20％以上。⁷⁵全球生物塑料市场的唯一劣势是传统塑料的高产量，⁷⁶但是，它可以通过技术进步来克服。此外，原油价格上涨还促进了制造商，朝向生产基于石油的塑料生产的生物塑料。^20,60印度，中国等发展中国家也通过提供与合同制造的激励措施促进生物塑料，这也进一步提高了生物塑料市场的增长。目前，滴剂生物塑料在生物塑料市场中占主导地位。全球生物塑料生产中约有56％只是生物基塑料副塑料，生物宠物，生物PA和Bio-Pe。^67.在考虑个体类型时，dropin生物基PET在生物塑料市场上领先于其他类型的生物塑料，其次是淀粉基生物塑料。然而，PLA和PHA为基础的塑料生产预计将增加在生物塑料市场，由于其优越的质量和有效的寿命结束选项。在应用方面，全球可降解塑料市场细分为包装、纺织、农业、电子、医疗、建筑、注塑等多个细分市场。其中，包装行业是最大的领域，占全球生物塑料生产的60%。

结论

生物塑料是一个重要的创新，它将提供可持续和环保的替代品，以避免塑料污染。此外，通过工业界限和促进生物塑料产品的大规模生产和商业化的研究的加强也不可避免地解决了我们环境中的塑料污染。生物塑料仍处于初期期，因此通过政府和工业资金的研究加剧将开发出巨大的创新。该领域的持续加强研究将有助于进一步突破和改进。然而，生物塑料不是塑料污染问题的唯一解决方案。消费者行为在购买，消费和处理塑料的情况下的变化，以及对生物塑料的广泛公众意识也是必不可少的影响塑料污染的控制。

致谢

感谢Dr.P.Doraisamy和Dr.M.Maheswari提出的宝贵意见和建议，极大地完善了本文的内容。

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