碳捕集資源化利用與可持續塑料的相關研究近年來受到越來越多的關注，并逐漸成為研究熱點。最近英國杜倫大學研究團隊在《Nat. Sustain.》上發表了題為“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”的論文，創新性地提出了一種利用生物質廢料與所捕集的二氧化碳來合成100%生物塑料PEF的技術，同時采用能效分析、生命周期評估和投資回收期等方法從工業大規模的角度全面分析了該技術未來前景。結果表明通過應用最佳設計和成熟技術，由工業二氧化碳和生物廢物合成的PEF可能是PET和其他塑料材料可行且具有競爭力的替代品，從而進一步解決全球塑料污染的問題。
圖1所示為采用工業二氧化碳與生物廢料合成PEF的新型途徑，其中包括四個轉化步驟，即從木聚糖依次轉化成糠醛、糠酸、2,5-呋喃二甲酸、PEF。前兩個步驟是比較成熟的工業過程，而后兩個步驟還處于實驗階段。該流程由于來自于生物廢料，故不與食物資源競爭，同時有效解決了碳排放問題。
圖1. 新型PEF生產途徑
圖2為新型PEF合成途徑與其他不同塑料能耗與溫室氣體排放性能對比。能耗結果表明，采用玉米乙二醇作為新型PEF生產途徑具有最低能耗，即每噸PEF可產生46GJ，與PTT相比降低了40.5％。溫室氣體排放結果表明，每生產一噸的PEF，其溫室氣體的排放量相比于其他塑料最多可以減少1.86噸二氧化碳當量，除PEF, PEF+與HDPE以外，與PET和其他塑料溫室氣體排放量相近或更低。這主要是因為參考文獻中的PEF合成方法全部處于實驗階段，同時食物被用來作為合成原料，可能沒有全面考慮其溫室氣體排放情況。
圖2新型PEF合成方法與不同塑料性能對比 (a)能耗；(b)溫室氣體排放
進一步對新型PEF合成途徑進行了全面的環境評估分析如圖3所示。結果表明，生產1噸PEF時，非生物耗竭（化石），全球變暖潛力和人類毒性潛力（分別標記為II，VI和VII）是三個最重要的環境影響因素，其數值可以分別達到6.90×104 MJ，3.75×103 kg二氧化碳當量和2.18×103kg DCB當量值(見圖3a)。此外，本研究對11種不同情況進行了敏感性分析，以評估其環境結果的敏感性。如圖3b所示，當供電量、天然氣量與二氧化碳利用率這些參數改變10％，分別會導致非生物耗竭（化石）和全球變暖潛力結果有約17％和大約7％的差異，這是受這些變量影響最大的兩個環境指標。
圖3新型PEF合成方法的環境評估 (a)參考案例性能；(b)敏感度分析
圖4 為新型PEF合成途徑的經濟性評估結果。結果表明，通過新途徑生產PEF的成本約為每噸2435美元而現有 PET的生產成本為每噸1800美元存在一定差距 (見圖4a)，但其與本研究中提出的新途徑生產的PEF相比，其二氧化碳排放當量增加了50％。如圖4b所示，從1噸PET的總生產成本得出，一個237毫升PET瓶的生產成本為0.162美元。假設237毫升PET瓶的平均質量為9克，若一個PEF瓶的生產成本盡可能與PET瓶相同，則PEF瓶需從9 g減少至6.67 g。
圖4 新型PEF合成方法的經濟性評估 (a)對比成本；(b)瓶體分析
以上工作以“PEF plastic synthesised from industrial carbon dioxide and biowaste”為題發表在Nat. Sustain.上。論文杜倫大學Long Jiang、Abigail Gonzalez Diaz 和Janie Ling Chin博士為并列第一作者，通訊作者為Long Jiang博士，合作作者包括杜倫大學Tony Roskilly教授、Andrew Smallbone博士和Abdullah Malik博士。該工作得到了英國EPSRC重點項目 (EP/N024567/1)的資助。同時該創新理念獲得了英國皇家化工學會Rush light Award獎勵。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-020-0549-y
PDF鏈接：https://rdcu.be/b4yso
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