“双碳”背景下消费后塑料的回收现状及其在食品中的应用进展.pdf

第 卷第 期 年 月塑料工业 工业评述“双碳”背景下消费后塑料的回收现状及其在食品中的应用进展刘林林 何 江 金 彪 孙一博 余腾斐 李 志(华润雪花啤酒(中国)有限公司 华润雪花技术研究院 北京)摘要:基于消费后再生塑料在碳排放上的优势 详细阐述了消费后塑料物理回收技术、化学回收技术以及处理后的塑料在食品接触材料中国内外应用现状、存在风险以及政策动向 同时通过逆向思维 总结并提出了通过合成设计 使塑料更易于回收的方法 对消费后塑料回收利用特别是在食品接触材料中的应用进行了展望关键词:双碳 消费后再生塑料 回收利用 食品接触材料中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():“”():.:消费后再生塑料材料()来源于终端产品的组件、包装等材料 这些材料在产品循环链中已完成其价值 但又无法回到产品链的初始端 因此通过物理回收或化学回收的方式使其变成具有价值的工业生产原料 完成消费后塑料的再生 可减少碳排放量 对绿色低碳发展至关重要 图 展示了塑料回收技术的基础设施 塑料回收的第一步是通过回收设施将塑料废弃物挑选分流 然后进入下游的回收商、处理厂、加工厂 塑料废弃物可以分为工业废料、消费后废料、城市固体废弃物中的废塑料以及海洋中的废塑料 工业废料成分明确、均一 受污染程度较低 通常闭环回收 而消费后废料只有单一废塑料 如聚对苯二甲酸乙二醇酯()聚乙烯()等 被物理回收 其他多层材料 不仅污染严重 且无法通过机械方式实现回收 需结合化学回收方式进行处理 对处理技术要求极高 当下由于回收意识薄弱 处理技术应用受限 海洋塑料无法被大规模地收集处理 城市固体废弃塑料以掩埋、焚烧处理为主 导致产生“白色污染”及空气污染图 现有废塑料管理体系 通过对 的碳排放分析 总结了消费后塑料的回收再生技术 分析了 作为食品接触性材料的前景 汇总并提出了从塑料合成角度简化塑料回收作者简介:刘林林 男 年生 硕士 包装工程师 主要从事材料学研究 塑 料 工 业 年 过程的方法 碳排放研究现状为应对能源危机、环境危机 各国制定了双碳战略 作为产碳大户的塑料化工行业也在多举措并行再生塑料作为重要举措之一 通过对其再生应用全生命周期碳足迹监测发现 其在降碳减排方面具有极大效果 潘生林等采用生命周期评价法对再生高密度聚乙烯()资源利用过程进行了碳足迹评价研究 结果显示再生塑料比例的增加可以降低塑料罐包装的全生命周期碳足迹 蔡立乐等研究了废旧塑料经过裂解后的产物 裂解油通过 种不同的加工路径分别加工成汽油、聚丙烯()、产品时的碳排放量 经过测算在加工成汽油时其碳排放量比使用原油加工高 而在重新加工成、时其碳排量明显降低 加工成 时降低 加工成 时降低 具体见表 表 不同产品使用不同原料碳排量当量明细表 终产品加工原料碳排放当量(/产品)汽油塑料裂解油 原油 塑料裂解油 原油 塑料裂解油 原油 综上 在碳排放角度具有明显优势 的应用可助力“双碳”目标的达成 同步减少塑料垃圾的污染 技术研究现状 塑料回收处理技术研究现状随着 巴黎协定 的签订 各国大力推进再生能源的利用 塑料回收也得到了高度重视 由于塑料稳定性好几乎不能在自然环境中被氧化分解 导致塑料处理较难 造成环境污染 目前塑料垃圾多以掩埋、焚烧处理为主 掩埋不能彻底解决塑料处理问题 焚烧又会带来排放污染 随着人类对环境保护意识的提高 各国也逐步加大了对塑料处理技术的研究 目前处理技术主要分为两种:物理回收及化学回收 两种技术根据其处理特点应用在不同的处理环境中 物理回收处理技术物理回收是通过收集、分类、破碎、清洗、干燥、熔融造粒等机械手段来实现废塑料的再生利用其加工技术简单 投入成本较低 但可回收的废塑料种类具有局限性 且再生塑料产品使用性能会受影响 由于消费后废塑料存在不同的聚合物结构、分子量以及添加剂 同时分级、分色关键技术的不成熟因此可能造成不可预测的物理性能 致使材料在物理回收后降级使用 目前我国实际仅聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯两种塑料进行物理回收再利用 年处理量分别占年生产量的 和 化学回收处理技术化学回收是通过将大分子物质在高温或者化学试剂的作用下分解成小分子单体的方法 将废塑料的有机成分转化成气体、塑料油、固体蜡这些小分子烃类石油化工原料 化学回收根据原料及终产品的不同主要分为化学解聚、直接热裂解及催化热解 化学解聚是利用催化剂使塑料大分子发生糖酵解、水解、醇解等化学反应 使大分子链断裂、重新聚合 形成新的原料 直接热裂解是通过不断增加热量 使其超过某一化学键的阈值而使其断裂 使大分子链断裂成小分子链 其最终产品以热值较低的短碳链为主催化热解有别于直接热裂解 直接热裂解需要较高的反应温度且终产品质量不稳定 而催化剂可以通过催化作用降低所需温度 提高产品质量 但是由于收集的废塑料种类不断变化且不可避免被污染 因此对催化剂的种类及效果要求较高 故对催化剂的研究提出了新的挑战在化学回收过程中 因塑料种类的不同 使用的方法也不尽相同 加成聚合制备的、等目前多采用热化学转化技术 而缩合聚合的 则多通过化学解聚直接得到原料单体 中国石化结合自身优势 提出了多种废旧塑料回收方法:低杂质油品技术(见图)其根据废旧塑料与有机溶剂相容性不同的原理 对废旧塑料进行除杂分离 有效提高了终产物的质量与品质 为废旧塑料回收利用拓宽了道路 等研究在室温下 通过化学处理来实现聚苯乙烯分解为苯乙烯单体 该反应发生在金属基研磨介质中 产生的碳中心自由基证明了聚合物链的断裂 李志斌等研究了 在特定的反应条件和降解剂的作用下降解为低聚物、对苯二甲酸()、乙二醇()、苯二甲酸二甲酯()、对苯二甲酸双羟乙酯()等产物这些产物可用于生产对苯二甲胺、环己烷二甲醇等重要化工原料 合成、聚氨酯()、不饱和聚酯树脂()、醇酸树脂、环氧树脂、硬化剂及性能优异的增塑剂、复合材料添加剂等(见图)第 卷第 期刘林林 等:“双碳”背景下消费后塑料的回收现状及其在食品中的应用进展废塑料的回收方法受加工过程经济效益的影响而材料组成、大小、质量、分类、回收技术以及市场需求都对塑料再生的经济效益起着决定作用对比物理回收和化学回收两种方式 物理回收适合于降级回收利用 若实现同级回收使用 需依赖于完善的闭环回收体系 但物理回收处理周期短 资金投入较小 化学回收则可以处理被污染严重的塑料垃圾去除不需要的杂质 制造出与原生塑料质量水平相当的再生材料 但化学回收投入成本较高 经济效益较低 两者各有利弊 随着科技的发展 行业的推进两种方法相辅相成以最低的成本处理成最洁净的产品已成为塑料化工行业研究的方向图 废旧塑料化学回收方案设计 图 废弃 的化学回收过程 塑料再生技术研究现状塑料处理技术的革新为再生塑料的应用奠定了坚实的基础 但目前再生塑料仍以低附加值的填充料使用 而未回归到原有价值链中 导致这一现状的原因主要有两点)塑料产品在初次加工时由于受到加工条件的影响 其分子链段会发生降解 产生游离的自由基在氧气的环境下游离的自由基发生不可逆的氧化反应 其塑料再生过程中氧化反应迭代增加同时发生交联反应 从而影响加工件的性能 孙璐对聚乙烯新料及再生料进行了分子量、热学性能及力学性能研究 结果发现由于再生料发生过多的交联反应 导致分子量明显增加 分解温度降低 结晶度降低 断裂伸长率降低 等对再生 加工进行了热流变性能研究 结果发现再生 可在氧气的氛围下发生断链降解或链支化反应 影响其加工性能)塑料产品在初次加工时为达到某种性能会加入各种有机或无机的添加剂 同时在塑料产品回收处理过程中会加入清洗剂 这些助剂在塑料回收加工中无法去除导致再生产品产生异味或产生小分子物质迁移影响再生产品使用 等使用气相色谱嗅闻质谱联用仪对 新料及再生料进行气味分析 结果发现在再生的 中存在添加剂及清洗剂代入的萜烯及苯丙素 王微山等对再生、再生、再生聚碳酸酯()进行蒸发残渣及金属迁移测试 结果发现 再生料的蒸发残渣明显高于新料 同时再生 使用中存在锑迁移风险 再生 袋中检测出大量钙元素 再生 中双酚 含量达到了 /存在严重的食品安全风险处理方法的不断进步使 材料迎来曙光 但再生技术又限制了 材料的高价值使用 因此如何解决 在二次加工中的异物成为 应用的关键所在 应用研究现状目前 作为一种循环材料 国内外在工业应用上已屡见不鲜 但多数以降级的原则使用 用于建筑材料或纺织材料等 因此塑料价值链不断降低 同时也导致价值链顶端的产品还需通过石油化工进行加工 造成资源浪费 环境污染 随着全球“双碳”目标的提出 各国对塑料的处理提出了新的要求 一些发达国家相继发布了回收塑料原级利用的政策 但食品作为价值链顶端成员之一 其安全与人体健康息息相关 对其接触性材料要求极高 由于原料来源多样性 其内部小分子存量较为复杂其中部分有害小分子很容易迁移到食品中引发食品安全风险 因此对食品接触性材料在原料选择、产品加工、产品评价等过程要求极为严格 在食品接触材料中的应用现状美国、日本、欧盟等国家及地区 食品接触再生塑料有明确的法律认可 部分国家还建立了行业指南 美国 联邦食品、药品和化妆品法案 原则允塑 料 工 业 年 许再生材料应用在食品接触性材料中 并发布了在食品包装中使用再生塑料的注意事项:化学方面的考虑 指南文件 表明了美国食品药品监督管理局()对再生塑料在食品包装中使用的科学建议及认可标准 但 不强制要求对再生塑料的工艺进行认证 企业可根据营销需求等决定向其提出再生塑料认证 目前美国消费后的 瓶已有 用在食品接触性材料中 迈出了“瓶到瓶”的无限循环的第一步欧盟颁布的 欧盟再生塑料法规(/)规定食品接触再生塑料的制造必须使用欧盟委员会授权的工艺 该工艺需要提交欧洲食品安全局()进行安全评估 关键点包括回收原料的质量、回收工艺、对污染物的去除效率及再生塑料预期用途 同时欧盟的绿色新政及其框架下的配套文件对食品包装中再生成分含量提出了强制性要求 明确至 年 饮料瓶中需添加 及以上的再生材料 至 年再生塑料含量不低于 年 月 日起英国正式实施塑料包装税 其由英国税务与海关总署共同发布 其中一项重要内容为:塑料包装中若少于 的再生塑料则需要缴纳每吨 英镑的包装税 而对于含 及以上的将不收取该税 德国作为科技翘楚 瓶同级无限循环使用的比例高达 随着政策的推动 国外大型化工企业开始布局食品用 产品 食品企业也不断推动 产品的应用 化学公司推出了再生聚乙烯树脂 芬兰 乳制品公司于 年在食品包装中开始使用再生塑料 雀巢宣布至 年 其将使用 万吨食品级再生塑料 在英国全部使用再生 包装我国由于禁止在食品包装中使用回收塑料规章制度的废止或被替代 目前法律法规尚需建立与完善同时由于再生塑料不属于食品学科 导致相关部门无法按食品要求对其进行安全性分析 这在一定程度上可能带来很大的食品安全风险目前我国也开始逐步布局食品用 产品 年国龙塑料化工有限公司在梧州市建立了我国首条食品及医疗用再生 生产线 打开了我国再生材料生产的大门 年陶氏化学在南京推出了非接触食品用再生 同年蒙牛将此产品应用至热收缩包装中 成为食品行业中首家使用再生材料的企业 我国虽具备生产能力 但由于安全评估体系不健全 导致食品接触型再生塑料在还未得到应用 因此完善废塑料回收体系、明确再生塑料法律地位、制定再生塑料技术标准、对回收再生过程建立监管秩序 才能在再生塑料用于食品接触时保证食品安全 为此我国政府近年出台了一系列政策措施来鼓励塑料的再生利用 具体见表 表 我国政府发布的鼓励塑料再生利用措施 发布时间发布单位发布条文主要内容 年 月工业和信息化部废塑料综合利用行业规范条件、废塑料综合利用行业规范条件公告管理暂行办法对再生 等废塑料资源综合利用行业的发展秩序进行了规范 年 月工业和信息化部工业绿色发展规划(年)到 年 国内废塑料的回收利用量要从 年的 增加到 年 月国家发改委、科技部等 个部门循环发展引领行动计划到 年 将主要废弃物的循环利用率从 年的 提高到 资源循环利用产业总产值从 年的 万亿元提高到 万亿元 年 月十三届全国人大常委会第十七次会