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      自然降解塑料
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      鄭強教授---關于塑料與“白色污染”芻議

      2021-11-23 02:34:43

      這位“網紅校長”更喜歡別人叫他“強哥”。

      摘     要

      塑料(Plastics)、橡膠(Rubber)、纖維(Fiber)三大類合成高分子材料,是繼石器、陶瓷、水泥,銅、鐵、鋁、鋼后,人類對物質和材料的認識與應用的重大發展,是近代具有里程碑意義的科技創造。其中,尤以塑料的應用最為廣泛。全球塑料的體積產量已達鋼鐵和水泥總和的26%,且消耗量以每年8%的速度增長,涉及人類生活和現代工業的方方面面。當今的社會,不能沒有塑料;人們的生活,也離不開塑料。

      “白色污染”的概念一方面源于被隨意丟棄的大量一次性使用塑料制品對生態環境造成的影響,另一方面源于人們對隨意丟棄的廢棄塑料的不良感觀。問題的出現,既與塑料的“輕”“薄”特性有關,更與人的行為規范與社會公德有關??陀^地講,若不被當作價廉物美的一次性制品使用,尤其是若使用后不被隨意丟棄,“白色污染”的污名就不會扣到塑料頭上。

      絕大多數應用廣泛的塑料制品不要求降解(Degradation)、不需要降解,甚至要求在使用期限內不能降解。需要降解的主要針對的是“一次性使用的塑料制品”。從專業角度講,“禁止使用不可降解一次性塑料制品”的表述是準確的,是科學的;將其隨意改述為“禁止使用一次性不可降解塑料制品”是不專業的、錯誤的,需要糾正;任何“禁塑”的提法,不僅不現實,還將對社會發展和民眾生活造成嚴重影響。

      面對有限的地球資源,基于環境綠色保護和資源可持續利用理念,有必要思考:除特殊用途和使用場合,任何材料和制品,包括塑料,“一次性使用”是否科學?是否符合綠色可持續發展理念?“多次使用”“長期使用”,是否更應倡導?是否更應追求?

      基于現實,若要逐步實施“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,似更有必要同時大力推動塑料使用方式的變革,減少并限制“一次性塑料制品”的生產和使用,倡導“多次使用”“長期使用”。此倡導將對塑料制品丟棄量的減少產生線性甚至指數正相關效果,這對實現塑料更加綠色、更加環保的可持續應用,不失為一種科學的理念和策略。從材料科學的分子設計到工程技術角度,塑料經多次使用或長期使用后,若能做到“引發降解(Initiated  degradation)”并達到“可控降解(Controlled  degradation),應成為追求并實現的理想目標。

      需要強調,為滿足人們日常生活和特殊需求,嘗試利用非石油基,尤其是生物基原料,用于制備可降解(易降解)一次性使用的塑料制品,是塑料學術界和產業界引人關注的新領域,為尋求解決所謂“白色污染”做出了積極貢獻。但是,任何使用后的廢舊物品(材料),如不能做到有序回收處理,都將成為污染,不是“白色污染”就是“灰色污染”或是“黑色污染”。因此,即使是可降解塑料(Degradable  plastics),如不高度重視有序回收和處理,仍有成為“白色污染”之可能。

      特別指出兩點:一是夸大并渲染降解塑料(塑料降解)產業的重要,將塑料研究和產業的重點轉向可降解塑料領域,盲目跟風上項目,將對我國高性能多功能塑料的研發尤其是解決若干卡脖子的高端塑料專用料的研發產生沖擊,會對我國塑料工業發展產生誤導;二是將非石油基、生物基原料產生開發的目的局限于可降解一次性塑料制品的制備生產,是短視的,缺少遠見的。非石油基、生物基原料用于制備高性能非一次性使用塑料制品是具有重要科學價值和廣闊市場前景的新領域。


      關鍵詞:


      塑料,一次性制品,可降解/不可降解,石油基,“白色污染” 








      近年來,隨著國家環境保護工作力度的不斷加大,特別是人們對綠色環境保護意識的不斷增強,關于塑料“白色污染”的討論日漸增多,不時還甚為激烈。據悉,一些地方政府正在討論并準備出臺涉一次性使用塑料制品的文件或法規。說實在的,對一種物質材料有如此空前的關注度,恐怕是任何其它種類材料所不能比擬的。一方面,說明全民科學知識普及程度的日益提高;另一方面,也恰恰表明塑料對人類今天的影響多么重大和深遠!作為一位高分子學者、一位從事塑料專業教育的大學教授,覺得有必要談談自己膚淺的認識和看法。



      01


      塑料從何而來?

      地球億萬年演變產生的石油,經過催化裂解、分離提純等步驟,可制備得到各種有機小分子化合物。進一步聚合反應,可獲得合成高分子,包括常用的塑料、纖維、橡膠、涂料、膠粘劑等。一百多年前,人類發明了第1種合成高分子——酚醛樹脂,它的出現標志著繼石器、陶瓷、水泥,銅、鐵、鋁、鋼后人類對物質和材料的認識與應用進入了新的時代。


      02


      塑料有多重要?

      在塑料(Plastics)、橡膠(Rubber)、纖維(Fiber)三大合成高分子材料中,塑料的應用最為廣泛。它不僅與人們日常生活密不可分,還廣泛應用于航空航天、交通運輸、城市建筑、醫療衛生以及電子電器、包裝密封等各個領域。按2019年數據統計,全球塑料產量約為3.59億噸(中國塑料制品產量為8184萬噸),全球鋼鐵產量18.485億噸,水泥產量41億噸。若以塑料平均密度0.9、鋼鐵平均密度7.8、水泥密度3.1計,全球塑料的體積產量已達鋼鐵和水泥總和的26%,這是一個驚人的比例!有關資料顯示,從1950年至2015年,人類已經生產了83億噸塑料制品,約60億噸成為廢棄物(其中約49億噸被直接填埋或被遺棄,直接焚燒8億噸);仍在使用的約20億噸(其中1億噸為再生塑料)。塑料的使用量未來還呈現進一步增長態勢,預計全球塑料消耗量將以每年8%的速度增長。

      在人們的日常生活中,為什么有那么多諸如一次性杯、盒、包裝材料、農膜材料是用塑料制造的?這是因為相比于金屬(鋼鐵)材料、無機非金屬(水泥、陶瓷)材料,塑料具有密度小、比強度大、比模量高、耐腐蝕、成本低(往往是傳統的陶、銅、鐵、鋁、鋼等器具價格的1/10-1/100)、絕緣性能好、保溫、隔音、防震性能優良等特點。由于其本身質輕價廉,易于壓塑、吹塑成薄質生活必需品,塑料才被當成“一次性用品”使用的。

      塑料又何止那么一點可被人類當作“一次性”物質使用的優點——實際上,它已滲入到人類生活的方方面面——制造電線電纜、集成電路基板、芯片制造用光刻膠等現代產品,塑料均成為不可或缺的一部分;手機、電腦、電視機、電冰箱、洗衣機、空調主要功能和結構件,離不開塑料;汽車、輪船、飛機、高鐵、建筑主體結構和內飾,不能不用塑料;醫院大量使用的藥物容器、輸液管、一次性注射器,大多是塑料;沒有塑料育秧膜、大棚膜,還會有現代農業嗎?城鄉建設給水排水、天然氣和石油輸送越來越多地采用塑料管道??梢哉f,人類無法回到沒有塑料的時代!塑料,禁用不了;塑料,也不可能禁用。



      從家用電器,到芯片、醫療衛生用品,再到飛機、高鐵,塑料無處不在



      如果塑料像其它材料一樣——用,不是那么便宜;丟,不是那么舍得,它還會被人們當作一次性用品嗎?如果使用后不被隨意丟棄,還會成為“白色污染”嗎?



      03


      塑料有過嗎?

             ●一問:將煤炭直接燃燒轉變為煤炭深加工直至生產碳基(素)材料被看作世界和我國煤炭能源的根本性變革。石油基原料的80%被作為燃料直接燒掉,而將其不到20% 的剩余部分用于生產包括塑料在內的合成材料,有何錯之過?可以講,塑料及其它合成高分子的出現,是石油的最優利用,是人類具有劃時代意義的科技創造!
             ●二問:為何每年全球有10億條廢舊輪胎竟然沒有被稱為“黑色污染”?究其原因:一是橡膠輪胎比重大,不能像塑料一樣飛起來、飄起來;二是基本做到了有序收集處理。
             三問:人類使用后丟棄的石器、陶器、銅器、鐵器在地里埋了數百年、數千年甚至上萬年,離析降解了嗎?近代大量使用水泥的建筑物體(如橋梁、樓宇、道路、隧洞等)廢棄后,若不敲毀、炸損,見過自然降解的嗎?雖然尚不能判定在自然環境中各種材料離析或降解的確切年限,但可以肯定,與石器、陶瓷、水泥,銅、鐵、鋁、鋼相比,塑料要短上數十年、數百年甚至數千年。


       隨意丟棄的一次性塑料用品                 一次性塑料用品產生的“白色污染”

      “白色污染”概念一方面源于被隨意丟棄的大量一次性使用塑料對生態環境造成的影響,另一方面源于人們對隨意丟棄的廢棄塑料的不良感觀。由于比重輕、質地薄,塑料袋、塑料瓶、塑料膜極易隨風飄浮移動,實際上更多的是“視覺污染”。


      堆積成山的廢舊輪胎
       

      距今2500年的越王勾踐劍 

      誠然,應該從科學角度,以一種緊迫感、責任感面對并解決巨量一次性塑料制品使用帶來的環境問題。但必須指出,塑料的“白色污染”,既與塑料的“輕”“薄”特性有關,更與人的行為規范和社會公德有關。實際上,任何使用后的廢舊物品(材料),如不能做到有序回收處理,都將成為污染,不是“白色污染”就是“灰色污染”或是“黑色污染”。如果人們能夠真正做到嚴格分類回收,一次性塑料制品“白色污染”的壞名極有可能是不存在的! 


      “白色污染”到底是材料本身屬性的問題, 還是使用材料的人的行為規范與社會公德的問題,

      值得思考

      為滿足人們日常生活和特殊需求,嘗試利用非石油基,尤其是生物基原料,用于制備可降解(易降解)一次性使用的塑料制品,是塑料學術界和產業界引人關注的新領域,為尋求一次性塑料制品使用后造成的所謂“白色污染”問題的破解之法,做出了積極貢獻。需要強調,即使是可降解塑料(Degradable plastics),如不高度重視并嚴格有序回收和處理,仍然可能成為“白色污染”。


      04


      廢舊塑料從何而來?

      大噸位使用的通用高分子塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯),從化學本質和材料結構講,是環境友好的材料。與工業排放的有毒有害氣體以及燃料燃燒產生的廢氣(尾氣)相比,這些塑料制品幾乎是“惰性”的。

      為何大量的塑料制品變成了廢舊塑料?從本質講,塑料的化學結構是通過長的化學鍵鏈構筑的,其“鏈”越長,就越容易存在“弱點”(弱鍵)。在光、熱、電、水、氣等各種外界作用下,這些“弱點”(弱鍵)都存在“斷鏈”的可能。斷鏈部分相當程度是源于化學結構中最不穩定的“自由基”的產生或氧化。在高分子專業上叫“老化(Aging)”。由于老化,使用存在期限,就會導致廢舊塑料的產生。實質上,這跟人類等生命體的衰老是由于“自由基氧化”的結果有某種相似之處。因此,無論從材料科學角度——材料使用后必然失去性能(功能)講,還是從人類倫理角度——辛苦勞作的勞動者逐漸喪失勞動力講,因塑料廢舊而否定塑料的價值和功勞,都是有失公允的。


      05


      廢舊塑料制品如何處理?

      大致有四種方法:一是分類回收利用——通過舊料加新料共混改性生產制品,大量應用于日常生活中的桶、盆、以及建材等。二是化學循環——通過分解回收原料單體進行再利用。三是焚燒——可用于生熱和發電。四是填埋——與日常生活及工業垃圾堆放在特定場所。就第1種方法而言,共混改性后的制品雖提高了塑料的使用頻率,但也將面臨終廢的問題。就第二種方法來講,分解后產生的有機小分子化合物可以作為新的基礎化工原料,但其投資、技術和環境要求高。就第三種方法來講,焚燒法雖直接快速,但存在CO2排放問題。就第四種方法來說,填埋雖可在一定時間范圍解決集中處理廢棄塑料問題,但場地選擇日趨困難。

      塑料生命周期示意圖



      一處垃圾填埋作業現場

           


      何謂塑料降解?

      針對上述問題,學術上和產業上提出了“塑料降解(Plastics degradation)”“降解塑料(Degradable plastics)”的概念?!敖到狻?,是合成高分子及結構解離的過程。除了通常所說的降解,化學循環也是一種受控的降解。為此,國內外科學家和產業界做出了不懈努力,取得了許多有重大價值的重大成果,為生態環境保護做出了重要貢獻。準確理解并正確界定關于塑料降解的科學術語和概念,對高分子材料產業尤其是塑料產業,既有必要,也極為重要。



      廢棄塑料的化學循環過程


            

      近年來,針對“降解塑料”或“塑料降解”,無論是在一些地方法規,還是一些關于治理塑料“白色污染”的媒體報道中,出現了以下幾種主要表述:一是“禁止使用一次性不可降解塑料制品”,二是“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,三是甚至出現“禁塑”的提法。表述不同,尤其是“一次性”三個字的位置不同,將導致對塑料制品可降解(或不可降解)的認知產生歧義和誤導。從專業角度講,第1種表述是不專業的、錯誤的,需要糾正;第二種表述是準確的,科學的;第三種表述不僅不現實,還將對社會發展和人們生活造成嚴重影響。




             

      在第1種表述中,由于將“一次性”置于“不可降解”前,極易理解為是對可降解性能(或不可降解性能)的要求和限定,即要求或限定的是“一次性不可降解的塑料制品”。這在塑料專業的學科上和工程上都是不嚴謹的,甚至是錯誤的。因為嚴格講,無論是在學術還是工程上,均未曾提出、也不存在“一次性降解(或不可降解)塑料”的概念。事實上,常見的各類塑料制品,即使是標稱為“可降解塑料”,也無法實現一次性降解。如目前具有代表性的可降解塑料聚己內酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)等均不能實現“一次性”降解,需專門的堆埋才能實現。因此,“禁止使用一次性不可降解塑料制品”中除“一次性”三字的放置有誤外,還包含有全面禁止塑料制品使用的含義,是不專業的,是不正確的。




      一次性使用的聚乳酸塑料制品


            

      在第二種表述中,明確“一次性塑料制品”為目標對象,著重突出塑料的“使用性和使用次數”,即一次性使用,不重復使用。比如:一次性塑料杯、打包盒、塑料袋、保鮮膜等,這些都是輕質塑料制品,用完一次就可棄掉。人們日常生活中大量使用的這些塑料制品,如屬不可降解(或難降解),隨意丟棄將給環境造成“白色污染”。顯然,這里明確的是“禁止使用不可降解的一次性塑料制品”,其表述是正確的。

      其實,對于塑料制品而言,不能片面簡單地追求塑料制品具有降解特性,降解是有范圍和限定的,不能無限擴大。絕大多數廣泛應用的塑料制品不要求降解、不需要降解,甚至要求在使用期限內不能降解。飛機、汽車中的塑料部件,日常使用的冰箱、電視、洗衣機、空調中的塑料部件,廣泛使用的建筑管材,大量使用的塑料桶、盆等,不希望、更要防止在使用過程中發生降解。因為一旦發生降解,則性能將迅速劣化。大部分的高端設備、精密儀器、大型裝備中均使用高端塑料部件,追求的恰恰是在自然環境中或苛刻條件下不發生分解和難以降解,只有這樣才能保證其高性能,才能確保長期使用的安全性。



      在過去三十年間,汽車的塑料用量已從20世紀60年代初的10kg左右上升到21世紀初的200kg量級,塑料在自然環境中或苛刻條件下不發生分解或者難以降解是保障其高性能及長期使用安全性的基礎




      正在安裝中的超高分子量聚乙烯排水管

           

      從科學的專業角度講,只提“可降解”的概念和要求是不夠的,還需評估降解成什么了?降解物將產生什么影響?尤其是“可降解塑料”在降解過程中產生的中分子量、低分子量產物對環境、生態的危害,尤其是降解產生的1-5mm的微粒塑料將產生什么影響是塑料可控降解的一個難題?!安豢山到狻焙汀翱山到狻碧岱ū旧硪膊粐乐?,存在偏頗,即不能把塑料可否降解當作一種“非0即1”的取舍。從時間上將塑料降解分為“短時降解”“長時降解”;或按難易程度分為“易降解”“難降解”,似更為合理,更為科學。

      微塑料及其在環境中的循環

              正在影響人類的健康       

      有必要指出,就“禁止使用不可降解一次性塑料制品”而言,要真正立法并予以實施,需要更多方面配套政策和措施統籌:一如是否有足夠的可降解塑料制品生產并投放市場以替代現有一次性制品使用需求?二如可降解塑料制品與原有不可降解(難降解)制品的市場價格競爭力如何?再如可降解塑料制品的回收與降解處理場地與設備如何配置?又如可降解塑料原料獲取與制備過程是否更節能、更綠色?等等。

      基于現實,若要逐步實施“禁止使用不可降解一次性塑料制品”,似更有必要大力推動塑料使用方式的變革,減少并限制“一次性塑料制品”的生產和使用,倡導“多次使用”“長期使用”。此倡導將對塑料制品丟棄量的減少產生線性甚至指數正相關效果,這對實現塑料更加綠色、更加環保的可持續應用,不失為一種科學的理念和策略。從材料科學的分子設計到工程技術角度,塑料經多次使用或長期使用后,若能做到“引發降解(Initiated  degradation)”并達到可控降解(Controlled  degradation)”,應成為追求并實現的理想目標。

      特別指出兩點:一是夸大并渲染降解塑料(塑料降解)產業的重要,將塑料研究和產業的重點轉向可降解塑料領域,盲目跟風上項目,將對我國高性能多功能塑料的研發尤其是解決若干卡脖子的高端塑料專用料的研發產生沖擊,會對我國塑料工業發展產生誤導;二是將非石油基、生物基原料產生開發的目的局限于可降解一次性塑料制品的制備生產,是短視的,缺少遠見的。非石油基、生物基原料用于制備高性能非一次性使用塑料制品是具有重要科學價值和廣闊市場前景的新領域。

      應該開始尊重科學,尊重自然規律,尊重讓傳統塑料自然降解的新技術。

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