Nature 子刊:CO2和生物廢料生產高質量低成本PEF塑料!可行嗎?

工業生產工廠是2014年二氧化碳(CO2)排放的第三大來源。人們對將原材料從化石燃料轉向生物燃料越來越感興趣,例如生物塑料以減少溫室氣體排放。目前,對苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶的全球產量可達每年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越,逐漸取代PET,占全球塑料產量的5.9%.因此PEF是其基於化石PET的可再生解決方案。然而,由於其冗長且耗能的生產過程,PEF尚未在商業規模上建立。英國杜倫大學A. J. Smallbone團隊在Nature Sustainability期刊上發表PEF plastic synthesized from industrial carbon dioxide and biowaste,他們對由工業CO2排放和非食品來源的生物質為原材料產生的PEF進行新研究,並在工業規模上評估新的PEF生產途徑,包括二氧化碳排放、能源消耗、環境影響和生產成本,從而彌補生物廢料和碳利用方面的知識缺口。

Nature 子刊:CO2和生物廢料生產高質量低成本PEF塑料!可行嗎?

要點:

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。這在現在或將來缺乏初級食品的國傢中具有很大的優勢。

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

3.通過優化設計和成熟技術可以降低PEF生產成本,新的PEF生產途徑不僅為工業區內的生物質再利用提供瞭可行的解決方案,而且能夠減少溫室氣體排放及總體碳足跡。

1.PEF傳統生產途徑

生物基2,5-呋喃甲酸(FDCA)是生產PEF的重要組成部分。產生PEF和FDCA的各種途徑如圖1所示。一種傳統的PEF生產方法是將從植物中提取的果糖轉化為FDCA,隨後與乙二醇(EG)發生反應。聯合使用石油化工產品和生物基產品可節省約50%的能源並減少約14%的CO2排放,而生物塑料產品可減少約14%的能源和CO2排放。

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圖1:PEF現有生產途徑。

2.PEF的新生產途徑

圖1中從工業CO2和生物廢料生產PEF的新路線包括四個轉換步驟:從木聚糖到糠醛,再到FC,再到FDCA,最後到PEF。前兩個步驟已經非常完善,而最後兩個步驟目前處在實驗和試驗工廠研究階段。PEF的新生產途徑是由工業排放的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,轉化效率高的優點。圖2為從木聚糖到糠醛、FC、FDCA、PEF的新生產分步流程圖。

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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生產途徑每生產一噸PEF可減少高達1.86噸的溫室氣體排放。在能耗方面,利用乙二醇的玉米PEF生產途徑能耗最低,改善最顯著(與PTT相比,下降瞭40.5%)。使用石油化工生產的乙二醇的PEF生產途徑能耗低(PEF生產為58 GJ 每噸)。此外,由於生產途徑中消耗CO2,溫室氣體減排與能源消耗並不成正比。PEF生產還可以利用其他可再生能源(例如太陽能、風能和地熱能)進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產。

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圖3:包括PEF在內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和來自玉米的生物基乙二醇(EG); PEF,PEF由果糖和HFCS生產; PEF+,生物基FDCA和EG由玉米生產; 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評估生命周期影響評估(LCIA)結果以及各個生命周期階段的貢獻。這三個影響在很大程度上分別歸因於運行PEF工廠所需的天然氣生產過程、CHP系統的運行和維護以及生產PEF所需的乙二醇生產過程。結果證明,人類潛在毒值由PEF營階段造成的。作者還在11種情況下進行敏感性分析,以評估LCIA結果的敏感性,表明由1 噸 PEF生產CHP, CO2和天然氣消耗的變化(10%)對生物耗竭值(17%)和GWP(7%)的LCIA結果的影響顯著。這種變化主要是非生物耗竭引起的。作者認為,熱電聯產對電力供應和天然氣消耗的影響比再利用的CO2的影響要多;使用CO2生產過程中產生的污染物可以減少但不能完全抵消生產過程中消耗電力和天然氣的環境影響。在整個生產中,二氧化碳的利用率是14.12%。

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圖4:新PEF途徑對環境的影響。a,LCIA在不同生命周期階段的結果。b,敏感性分析的結果。c,碳強度的比較。

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市場價格越低,投資回收期就越長,但由於PEF生產途徑沒有商業化,且存在技術障礙,PEF市場價格不能與PET一樣低,否則,投資回收期將變得無法接受。PEF市場價格對投資回收期的影響比資本支出比例因子的影響更大。此外,利用工廠產能可以縮短投資回收期,隨著工廠產能的增加,投資回收期將顯著縮短,但當價格處於高位時,工廠產能對投資回收期的影響有限。

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圖5 :a,工廠產能的資本投資與資本支出比例因子。b,PEF價格對投資回收期的影響在比例因子0.6-0.8的范圍內。c,投資回收期與工廠產能的關系。

一個PEF瓶的生產成本

圖6顯示瞭在各種條件下的PEF生產成本。通過新途徑生產PEF的成本約為2435美元每噸,PET的生產成本是1800美元每噸。與新途徑生產PEF相比,增加瞭50%的二氧化碳排放費用。新PEF生產途徑使用99.5%的CO2作為原料。CO2可以從 PEF生產供應鏈和發電廠在內的各種來源捕獲,也可以從工業廢氣中收集,兩種方式都需要一定成本。盡管如此,圖6b顯示瞭CO2價格對PEF生產成本有邊際影響,即CO2的價格對PEF的生產成本影響很小。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)比傳統的高抗沖聚苯乙烯杯的壁厚(0.89 mm)薄。從消費者角度上看,即使很薄的PEF瓶同樣具有密封性好、抗甩耐用等優勢。因此可以生產更薄的PEF瓶,從而導致相應的PEF瓶售價降低。通常情況下,1個237mL PET瓶的平均質量為9 g,生產成本為0.162美元,9 g PEF瓶的生產成本可能與之相同,而1個PEF瓶的質量可以降低至6.67 g 。

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圖6:新PEF途徑的生產成本。a,與其他PEF途徑生產成本的比較。b,基於一系列的CO2價格。C,基於237mL PET瓶的新PEF途徑的生產成本。

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