工業(yè)生產(chǎn)工廠是2014年二氧化碳(CO2)排放的第三大來(lái)源。人們對(duì)將原材料從化石燃料轉(zhuǎn)向生物燃料越來(lái)越感興趣,例如生物塑料以減少溫室氣體排放。目前,對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶的全球產(chǎn)量可達(dá)每年15噸,約占全球一次能源消耗的0.2%。聚乙烯呋喃二甲酸乙二醇酯PEF)高溫條件下性能依舊保持優(yōu)越,逐漸取代PET,占全球塑料產(chǎn)量的5.9%.因此PEF是其基于化石PET的可再生解決方案。然而,由于其冗長(zhǎng)且耗能的生產(chǎn)過(guò)程,PEF尚未在商業(yè)規(guī)模上建立。英國(guó)杜倫大學(xué)A. J. Smallbone團(tuán)隊(duì)在Nature Sustainability期刊上發(fā)表PEF plastic synthesized from industrial carbon dioxide and biowaste,他們對(duì)由工業(yè)CO2排放和非食品來(lái)源的生物質(zhì)為原材料產(chǎn)生的PEF進(jìn)行新研究,并在工業(yè)規(guī)模上評(píng)估新的PEF生產(chǎn)途徑,包括二氧化碳排放、能源消耗、環(huán)境影響和生產(chǎn)成本,從而彌補(bǔ)生物廢料和碳利用方面的知識(shí)缺口。

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要點(diǎn):

1.新PEF途徑的溫室氣體排放量和能耗在其他生物塑料的范圍內(nèi)。這在現(xiàn)在或?qū)?lái)缺乏初級(jí)食品的國(guó)家中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.通過(guò)使用這種新途徑,與PET生產(chǎn)相比,GHG排放和能源消耗最多可減少40.5%。

3.通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和成熟技術(shù)可以降低PEF生產(chǎn)成本,新的PEF生產(chǎn)途徑不僅為工業(yè)區(qū)內(nèi)的生物質(zhì)再利用提供了可行的解決方案,而且能夠減少溫室氣體排放及總體碳足跡。

1.PEF傳統(tǒng)生產(chǎn)途徑

生物基2,5-呋喃甲酸(FDCA)是生產(chǎn)PEF的重要組成部分。產(chǎn)生PEF和FDCA的各種途徑如圖1所示。一種傳統(tǒng)的PEF生產(chǎn)方法是將從植物中提取的果糖轉(zhuǎn)化為FDCA,隨后與乙二醇(EG)發(fā)生反應(yīng)。聯(lián)合使用石油化工產(chǎn)品和生物基產(chǎn)品可節(jié)省約50%的能源并減少約14%的CO2排放,而生物塑料產(chǎn)品可減少約14%的能源和CO2排放。

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圖1:PEF現(xiàn)有生產(chǎn)途徑。

 

2.PEF的新生產(chǎn)途徑

圖1中從工業(yè)CO2和生物廢料生產(chǎn)PEF的新路線包括四個(gè)轉(zhuǎn)換步驟:從木聚糖到糠醛,再到FC,再到FDCA,最后到PEF。前兩個(gè)步驟已經(jīng)非常完善,而最后兩個(gè)步驟目前處在實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)工廠研究階段。PEF的新生產(chǎn)途徑是由工業(yè)排放的CO2和以糖和葡萄糖為原料的5-羥甲基糠醛(HMF)制成PEF,具有能耗低,轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖2為從木聚糖到糠醛、FC、FDCA、PEF的新生產(chǎn)分步流程圖。

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3.新工藝可行性分析

溫室氣體排放量(GHG)和能源消耗

與其他生物塑料相比,新PEF生產(chǎn)途徑每生產(chǎn)一噸PEF可減少高達(dá)1.86噸的溫室氣體排放。在能耗方面,利用乙二醇的玉米PEF生產(chǎn)途徑能耗最低,改善最顯著(與PTT相比,下降了40.5%)。使用石油化工生產(chǎn)的乙二醇的PEF生產(chǎn)途徑能耗低(PEF生產(chǎn)為58 GJ 每噸)。此外,由于生產(chǎn)途徑中消耗CO2,溫室氣體減排與能源消耗并不成正比。PEF生產(chǎn)還可以利用其他可再生能源(例如太陽(yáng)能、風(fēng)能和地?zé)崮?進(jìn)一步減少溫室氣體排放,這些能源可以完全或部分替代研究中使用的熱電聯(lián)產(chǎn)。

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圖3:包括PEF在內(nèi)的各種生物塑料的性能比較。a,溫室氣體排放量。b能源消耗(石油化工PET,石化PTA和石化EG; 石油化工PET+,石化PTA和來(lái)自玉米的生物基乙二醇(EG); PEF,PEF由果糖和HFCS生產(chǎn); PEF+,生物基FDCA和EG由玉米生產(chǎn); HDPE,石化HDPE;PHA,聚羥基鏈烷酸酯;PTT,石化PTA和生物基PLA(玉米)1,3-丙二醇;PLA,聚乳酸;PE,聚乙烯)

 

環(huán)境影響

作者以非生物耗竭值(化石)、全球變暖潛力(GWP)和人類潛在毒值為指標(biāo)評(píng)估生命周期影響評(píng)估(LCIA)結(jié)果以及各個(gè)生命周期階段的貢獻(xiàn)。這三個(gè)影響在很大程度上分別歸因于運(yùn)行PEF工廠所需的天然氣生產(chǎn)過(guò)程、CHP系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)以及生產(chǎn)PEF所需的乙二醇生產(chǎn)過(guò)程。結(jié)果證明,人類潛在毒值由PEF營(yíng)階段造成的。作者還在11種情況下進(jìn)行敏感性分析,以評(píng)估LCIA結(jié)果的敏感性,表明由1 噸 PEF生產(chǎn)CHP, CO2和天然氣消耗的變化(10%)對(duì)生物耗竭值(17%)和GWP(7%)的LCIA結(jié)果的影響顯著。這種變化主要是非生物耗竭引起的。作者認(rèn)為,熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)電力供應(yīng)和天然氣消耗的影響比再利用的CO2的影響要多;使用CO2生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物可以減少但不能完全抵消生產(chǎn)過(guò)程中消耗電力和天然氣的環(huán)境影響。在整個(gè)生產(chǎn)中,二氧化碳的利用率是14.12%。

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圖4:新PEF途徑對(duì)環(huán)境的影響。a,LCIA在不同生命周期階段的結(jié)果。b,敏感性分析的結(jié)果。c,碳強(qiáng)度的比較。

 

資本投資與回收

PEF的資本支出比例因子在0.5到0.9之間,資本投資范圍為237.8-2.818億美元。PEF市場(chǎng)價(jià)格越低,投資回收期就越長(zhǎng),但由于PEF生產(chǎn)途徑?jīng)]有商業(yè)化,且存在技術(shù)障礙,PEF市場(chǎng)價(jià)格不能與PET一樣低,否則,投資回收期將變得無(wú)法接受。PEF市場(chǎng)價(jià)格對(duì)投資回收期的影響比資本支出比例因子的影響更大。此外,利用工廠產(chǎn)能可以縮短投資回收期,隨著工廠產(chǎn)能的增加,投資回收期將顯著縮短,但當(dāng)價(jià)格處于高位時(shí),工廠產(chǎn)能對(duì)投資回收期的影響有限。

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圖5 :a,工廠產(chǎn)能的資本投資與資本支出比例因子。b,PEF價(jià)格對(duì)投資回收期的影響在比例因子0.6-0.8的范圍內(nèi)。c,投資回收期與工廠產(chǎn)能的關(guān)系。

 

一個(gè)PEF瓶的生產(chǎn)成本

圖6顯示了在各種條件下的PEF生產(chǎn)成本。通過(guò)新途徑生產(chǎn)PEF的成本約為2435美元每噸,PET的生產(chǎn)成本是1800美元每噸。與新途徑生產(chǎn)PEF相比,增加了50%的二氧化碳排放費(fèi)用。新PEF生產(chǎn)途徑使用99.5%的CO2作為原料。CO2可以從 PEF生產(chǎn)供應(yīng)鏈和發(fā)電廠在內(nèi)的各種來(lái)源捕獲,也可以從工業(yè)廢氣中收集,兩種方式都需要一定成本。盡管如此,圖6b顯示了CO2價(jià)格對(duì)PEF生產(chǎn)成本有邊際影響,即CO2的價(jià)格對(duì)PEF的生產(chǎn)成本影響很小。新工藝采用抗沖改性的PLA,其剛度比高抗沖聚苯乙烯高,PEF瓶的厚度(0.66 mm)比傳統(tǒng)的高抗沖聚苯乙烯杯的壁厚(0.89 mm)薄。從消費(fèi)者角度上看,即使很薄的PEF瓶同樣具有密封性好、抗甩耐用等優(yōu)勢(shì)。因此可以生產(chǎn)更薄的PEF瓶,從而導(dǎo)致相應(yīng)的PEF瓶售價(jià)降低。通常情況下,1個(gè)237mL PET瓶的平均質(zhì)量為9 g,生產(chǎn)成本為0.162美元,9 g PEF瓶的生產(chǎn)成本可能與之相同,而1個(gè)PEF瓶的質(zhì)量可以降低至6.67 g 。

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圖6:新PEF途徑的生產(chǎn)成本。a,與其他PEF途徑生產(chǎn)成本的比較。b,基于一系列的CO2價(jià)格。C,基于237mL PET瓶的新PEF途徑的生產(chǎn)成本。

 

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