部分生物基聚丁酸琥酯与传统通用塑料生产过程的环境影响评估

《Macromolecular Symposia》：Evaluation of the Environmental Impact from Production of Partially Bio-Based Polybutylene Succinate Compared to Conventional Commodity Plastics

　　本研究对比了部分生物基聚丁二烯琥珀酸酯（PBS）、聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）的环境影响，发现PBS在气候变暖和土地使用方面高于PP和PLA，主要因化石基丁二醇的依赖。优化生物基丁二醇可提升PBS的可持续性。关键字：生物基塑料|生命周期评估|环境影响|聚丁二烯琥珀酸酯|聚丙烯|聚乳酸|全球变暖潜能|土地使用|水 scarcity|可持续发展

　　本研究探讨了部分生物基聚丁二酸丁二醇酯（PBS）在生产阶段的环境影响，将其与传统石油基聚丙烯（PP）及生物基聚乳酸（PLA）进行比较。聚丁二酸丁二醇酯是一种具有类似石油基通用塑料机械性能的热塑性聚酯材料，其生产过程通常涉及丁二酸（SA）和1,4-丁二醇（BDO）的缩聚反应。本研究中使用的PBS由生物基丁二酸酸和石油基1,4-丁二醇组成，这种组合在可持续材料的选择上具有一定的代表性。通过生命周期评估（LCA）的方法，分析了四种关键环境影响指标：全球变暖潜势、化石能源消耗、土地使用和水资源稀缺。研究结果表明，PBS在某些方面可以作为可持续的替代材料，特别是在减少对化石资源依赖方面。同时，也指出了当前石油基1,4-丁二醇的环境影响仍有优化空间。

在当今塑料行业中，生物基材料尽管占比不大，但正逐步影响着行业的发展方向。它们的优势在于减少了对化石资源的依赖，从而降低了环境污染。相较于传统的石油基塑料，生物基塑料可以利用可再生资源的废弃物进行生产，这种做法被认为能够提升塑料产品的生态可持续性。此外，一些生物基塑料具有可降解特性，这为解决塑料废弃物在自然环境中累积的问题提供了可能的解决方案。因此，研究如何在生产过程中进一步优化生物基材料的环境表现，成为当前关注的焦点之一。

在本研究中，选择PBS、PLA和PP三种材料进行比较分析，是因为它们在加工、使用和回收方面的性能具有相似性。同时，这三种材料的生产工艺代表了当前技术发展的不同水平，从而确保了研究的全面性。研究数据来源于Ecoinvent 3.8数据库，用于描述PLA和PP的生产过程。值得注意的是，本研究并未考虑塑料废弃物在自然环境中被误用所导致的环境影响，但已知生物基塑料在自然条件下会降解为二氧化碳和水，这一特性在某种程度上优于非生物降解的PP。然而，目前仍存在一些关于生物降解机制的未解问题，这需要进一步研究和验证。

为了进行有效的环境影响评估，本研究采用了归属性生命周期评估方法，这种方法允许对不同生产阶段的环境影响进行分配。在背景系统中，使用了市场标准供应商的数据，并按照“替代点分配”（APOS）模型进行划分，以追踪特定原料对整体环境影响的贡献，例如农业废弃物对环境的影响。这种方法有助于更好地理解生物基材料在整体环境表现中的作用。然而，由于生物基材料的回收和堆肥潜力尚未完全明确，因此没有采用后果性评估方法，这种评估方式会考虑到替代或优化生产过程带来的未来变化。

考虑到生物基材料在生产过程中对农业用地的需求，本研究假设欧洲塑料行业中约有5%至20%的热塑性材料被生物基材料替代。为了更准确地反映这一过程，研究团队查阅了关于小麦秸秆农业生产的次级数据，以描述生物基原料的使用情况，包括肥料和农业技术的消耗。这些数据被用于构建生命周期清单（LCI），以评估整个生产过程中对资源的利用情况。尽管生物基原料本身不会造成毒性影响，但它们的使用仍可能引发土地利用变化，这是需要关注的重要环境因素。

研究中还特别关注了PBS的生产流程，将其划分为三个阶段以管理其复杂性。前向模型使用了试点工厂的原始数据，而后向模型则依赖于Ecoinvent 3.8数据库中的次级数据，以反映原料和能源的供应与运输过程。这种分阶段的模型设计有助于更清晰地理解不同原料对环境的影响，特别是在水资源使用和化石能源消耗方面。对于部分生物基PBS，其生产过程涉及生物基丁二酸和石油基1,4-丁二醇，而这种组合在环境影响方面表现出一定的复杂性。

在环境影响指标的选择上，研究采用了与德国环境署（Umweltbundesamt）一致的方法，以确保不同指标之间的可比性。根据研究目的，选择了四个主要的环境影响类别：全球变暖潜势、化石资源使用、土地利用和水资源稀缺。这些指标的选择基于其对生态环境的潜在危害、当前环境状态与可持续目标的距离，以及其在环境影响评估中的具体贡献。通过这种方法，研究能够全面评估PBS、PP和PLA在不同环境指标上的表现。

研究结果显示，部分生物基PBS在四个关键环境影响指标中均表现较差，尤其是在全球变暖潜势和水资源稀缺方面。这一结果主要归因于石油基1,4-丁二醇的使用，尽管PBS的丁二酸来源于农业废弃物，但1,4-丁二醇的生产仍依赖于化石资源，导致其整体环境表现不如其他材料。相比之下，PP的环境影响较低，这主要得益于其高效的生产过程和较低的能耗。而PLA的环境影响则处于中间位置，其生产过程虽然也涉及农业原料，但对化石资源的依赖程度较低，因此在某些指标上表现优于PBS。

这些发现表明，生物基材料在某些方面确实具有可持续性，但其生产过程中的环境影响不能忽视。例如，尽管PBS使用了可再生原料，但其生产过程中的能源消耗和水资源使用仍较高，这限制了其作为可持续替代材料的潜力。因此，为了进一步提升PBS的环境表现，有必要对生产流程进行优化，特别是在减少化石资源依赖方面。此外，研究还指出，生物基材料的生产过程可能涉及较大的土地利用需求，这在一定程度上可能影响生态系统的稳定性。

研究还探讨了PBS的生产技术成熟度（TRL），目前该技术链处于TRL 5水平，这意味着其生产规模仍较小，不到1000吨/年。相比之下，PP和PLA的TRL水平为9，表明它们在工业生产中已经非常成熟，且生产规模较大。因此，虽然PBS在某些方面表现出潜力，但其在实际应用中的环境影响仍需进一步优化和验证。

此外，研究还指出，部分生物基PBS的环境表现可以得到显著改善，特别是通过使用生物基1,4-丁二醇。这不仅能够降低其全球变暖潜势，还能减少水资源的消耗，使其在环境表现上更接近PLA。这种改进可能需要进一步的技术发展和规模化生产，以确保其在实际应用中的可行性。

研究的结论表明，尽管部分生物基PBS在生产过程中表现出一定的环境影响，但通过进一步优化其生产流程，特别是减少对化石资源的依赖，它仍然有可能成为一种可持续的替代材料。同时，研究还提到，由于PBS在回收和再利用方面的潜力，它在循环经济中的应用前景良好，特别是在需要长期使用或高回收率的领域。未来的研究将重点关注生命周期评估的前瞻性分析，以评估材料在长期使用中的可持续性改进，包括其可回收性和可降解性对环境的影响。

综上所述，本研究揭示了部分生物基PBS在生产阶段的环境影响，并与PP和PLA进行了比较分析。尽管PBS在某些方面具有可持续性，但其环境表现仍受到生产过程中化石资源使用的影响。因此，进一步优化生产流程，减少对化石资源的依赖，将是提升PBS环境表现的关键。同时，研究还强调了生物基材料在循环经济中的潜力，为未来的可持续发展提供了新的思路和方向。