碳中和目標(biāo)背景下包裝行業(yè)發(fā)展的對(duì)策

李梓昱，楊倩倩，蔣海云,，張巍然，吳威，吳國(guó)華，曾海蘭

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)包裝材料研發(fā)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 株洲 412007）

自工業(yè)革命以來(lái)，全球發(fā)展在很大程度上依賴(lài)于對(duì)自然資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)。隨著化石燃料的廣泛使用，大氣中溫室氣體濃度不斷增加，從而導(dǎo)致全球變暖。因此，碳中和逐漸被提上日程，即要求進(jìn)入大氣的溫室氣體排放量和吸收量之間達(dá)到平衡。

碳中和不僅是環(huán)保問(wèn)題也是貿(mào)易問(wèn)題。目前，中國(guó)是世界上最大的碳排放國(guó)，2021 年中國(guó)的碳排放占全球二氧化碳排放量的45%[1-2]，并且還呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。美國(guó)和歐洲在2010 年以前碳排放量就已經(jīng)達(dá)到峰值。在綠色革命的浪潮下，未來(lái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的國(guó)家可能會(huì)在征收碳關(guān)稅上不斷加碼，這將使得中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家高碳排放產(chǎn)品越來(lái)越缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。因此，碳中和對(duì)中國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略地位極其深遠(yuǎn)。

2020 年9 月22 日，在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)承諾將采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)到2030 年達(dá)到碳排放峰值，到2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和。目前已經(jīng)發(fā)布了指導(dǎo)方針和行動(dòng)計(jì)劃，以推進(jìn)低碳技術(shù)和可再生能源的發(fā)展和推廣。包裝行業(yè)作為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)至關(guān)重要的一部分。目前，碳中和技術(shù)圍繞著能源結(jié)構(gòu)、可再生能源利用和碳吸收開(kāi)展。從包裝生命周期來(lái)看，包裝在廢棄處理過(guò)程中由于焚燒造成二次碳排放以及在制造過(guò)程中使用碳排放因子較高的化石能源是包裝行業(yè)高碳排放的主要原因[3]。由上述分析可知，為實(shí)現(xiàn)包裝行業(yè)碳中和目標(biāo)，可以從減少碳排放和增加碳吸收兩方面進(jìn)行探索。

本文結(jié)合包裝生命周期理論，從減少碳排放和增加碳吸收兩方面，總結(jié)碳中和技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用前景，并分析包裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

1 碳減排策略

人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致了地球變暖和出現(xiàn)極端天氣條件的頻率增加，其主要原因是化石資源的開(kāi)采導(dǎo)致CO2的大量排放[4]。以2019 年為例，塑料生產(chǎn)消耗了全球石油供應(yīng)總量的5%，向大氣中釋放了8.5 億t 的CO2，占全球CO2總排放量的2%[5]。與塑料相關(guān)的CO2排放中，61%是由原料提取產(chǎn)生的，30%來(lái)源于聚合物生產(chǎn)，而只有9%與廢棄物處理階段有關(guān)[4-5]，并且露天焚燒塑料廢棄物可能會(huì)增加1 億t CO2當(dāng)量的排放量[6]。石化塑料產(chǎn)能正在增長(zhǎng)，到2050 年，這種增長(zhǎng)可能導(dǎo)致塑料生產(chǎn)和焚燒產(chǎn)生280 億t 的CO2排放量，占全球CO2排放量的10%～15%[4-5,7]。并且，由于新冠疫情的影響使得一次性包裝制品用量增加，會(huì)進(jìn)一步增加碳排放量。研究結(jié)果表明，回收現(xiàn)有的塑料可以減少25%左右的CO2排放量，將現(xiàn)有工藝轉(zhuǎn)換為可再生能源供應(yīng)將減少62%的CO2排放量[8]。因此，碳減排策略可圍繞新材料和新能源展開(kāi)。在新材料方面，包裝行業(yè)可以按照?qǐng)D1 的方式，通過(guò)研發(fā)可取代石油基聚合物的包裝材料和開(kāi)發(fā)包裝材料高效回收技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳減排。在新能源方面可配置清潔能源加工生產(chǎn)包裝材料及制品達(dá)到碳減排的目的。

圖1 包裝材料碳減排減排方式[9]Fig.1 Carbon reduction emission reduction methods of packaging materials[9]

1.1 可取代石油基聚合物的包裝材料

為了減少對(duì)化石資源的依賴(lài)，生物基聚合物可以通過(guò)使用可再生的非化石資源降低碳排放。遺憾的是，相關(guān)研究還不夠充分，尚且無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估生物基聚合物的使用對(duì)包裝行業(yè)碳減排會(huì)產(chǎn)生多大影響。目前研究人員使用生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）等工具評(píng)估生物基聚合物和化石基聚合物對(duì)環(huán)境的影響。研究結(jié)果顯示，使用生物基聚合物取代石油基聚合物每年可以節(jié)省2.41～3.16 億t CO2當(dāng)量的排放[10-13]。對(duì)于總體環(huán)境變化，由于缺少足夠的相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，尚不能確定生物基聚合物取代石油基聚合物將產(chǎn)生積極作用。

大量LCA 的研究顯示，生物基聚合物使用可再生資源生產(chǎn)能大大降低全球變暖的可能性。然而，這種積極作用往往被原料種植時(shí)使用肥料和殺蟲(chóng)劑導(dǎo)致土地酸化和富營(yíng)養(yǎng)化的副作用所抵消[10,14-15]。改善原材料的供應(yīng)鏈，采取措施減少農(nóng)藥使用和廢棄物焚燒可減少使用生物基塑料帶來(lái)的負(fù)面影響[16]。LCA 的結(jié)果在很大程度上還取決于生產(chǎn)階段使用能源和加工效率的假設(shè)。一些LCA 會(huì)將生物基聚合物與較高的能源使用聯(lián)系起來(lái)，從而對(duì)最后結(jié)果造成影響[10,14,17]。生物基聚合物如果使用填埋的方式進(jìn)行廢棄物處理往往導(dǎo)致LCA 的研究結(jié)果較差，而一旦考慮到回收情況就會(huì)比較樂(lè)觀[17]。所以，生物基聚合物減少碳排放的能力高度依賴(lài)于材料制造工藝和廢棄物處理方法。

目前，生物基聚合物可分為2 種：天然生物基聚合物和合成生物基聚合物。天然生物基聚合物已廣泛用于制備包裝材料，例如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等，并且都具有可生物降解性能。合成生物基聚合物主要來(lái)源于小分子生物質(zhì)，例如氨基酸、植物油、呋喃和脂肪酸等。但是合成生物基聚合物不一定具有可降解性能，因此，開(kāi)發(fā)和使用可降解的生物基聚合物成為了研究熱點(diǎn)。目前，可降解的生物基聚合物主要分為3類(lèi)：由生物質(zhì)衍生單體合成的聚合物、由微生物或細(xì)菌制成的聚合物和天然聚合物。在包裝中應(yīng)用最多的可降解生物基聚合物有聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、淀粉、纖維素、聚羥基鏈烷酸酯（Polyhydrox-yalkanoates，PHA）及其衍生物。

1.1.1 生物質(zhì)衍生單體合成的聚合物

常見(jiàn)的生物質(zhì)衍生單體包括脂肪酸、氨基酸、木質(zhì)素等。生物質(zhì)衍生單體可以直接從生物質(zhì)原料中提取，也可以通過(guò)化學(xué)或生物轉(zhuǎn)化分解得到。

PLA 是典型的由生物質(zhì)衍生單體合成的聚合物。PLA 是由右旋型乳酸（D-Lactic Acid，DLA）和左旋型乳酸（L-Lactic Acid，LLA）對(duì)映異構(gòu)體聚合而成。因?yàn)镻LA 具有高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的熱成型能力、生物相容性、單體可再生性和易于堆肥，已經(jīng)在食品包裝中獲得應(yīng)用[18–20]。此外，與傳統(tǒng)的石油基聚合物相比，PLA 的生產(chǎn)可減少15%～60%的碳排放和25%～55%的能源消耗[21]。但是PLA 固有的脆性、低耐熱性和水蒸氣阻隔性差，限制了其在包裝中的廣泛使用[22]。改善PLA 性能的技術(shù)包括共聚改性法和物理共混[23]。使用PLA 與三甲基六亞甲基二異氰酸酯（Trimethylhexamethylene Diisocyanate，TMDI）反應(yīng)得到力學(xué)性能明顯改善的PLA[24]。對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%TMDI 改性的PLA，斷裂伸長(zhǎng)率從2.5%可增加到52.8%，抗沖擊強(qiáng)度從46.3 J/m2可提高到73.2 J/m2。使用聚己內(nèi)酯–g–淀粉納米晶和PLA 共混得到的復(fù)合材料[25]，在添加聚己內(nèi)酯–g–淀粉納米晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度從43.4 MPa 增加到57.2 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率也達(dá)到純PLA 的10倍以上。采用共混法制備得到的PLA和乙烯乙基醇（Ethylene -Vinyl Silane，EVOH）共混物[26]，當(dāng)EVOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，PLA 的氧氣滲透系數(shù)從17.5 mL·mm/(m2·d)降低到5.5 mL·mm/(m2·d)，水蒸 氣 滲 透 系 數(shù) 從 1.5×10?14kg·m/(m2·s·Pa)降 低 到0.6×10?14kg·m/(m2·s·Pa)，氧氣和水蒸氣阻隔性能都得到了提升。通過(guò)一系列的改性方法確實(shí)提升了PLA的應(yīng)用性能，并使得聚乳酸成為當(dāng)前使用量較大的生物基塑料。

值得關(guān)注的是生物質(zhì)衍生單體可以減輕與材料制造、使用或降解相關(guān)的毒性影響。例如，雙酚A可賦予材料剛性，是塑料包裝材料的常用添加劑。但它也是一種內(nèi)分泌干擾物，攝入過(guò)量不利于人體健康。采用生物質(zhì)衍生芳香族單體替代雙酚A，通過(guò)額外的環(huán)取代可降低相關(guān)材料毒性和對(duì)內(nèi)分泌的干擾[27-28]。因此，生物質(zhì)衍生聚合物具有應(yīng)用于食品包裝中的潛力和優(yōu)勢(shì)。除此以外，羥基酸、內(nèi)酯、胺、醛和酮在生物質(zhì)中也普遍存在，因此存在著用生物基聚合物替代石油基聚合物的可能。

1.1.2 微生物或細(xì)菌制成的聚合物

PHA 是由微生物通過(guò)各種碳源發(fā)酵而合成的不同結(jié)構(gòu)的脂肪族共聚聚酯。目前通過(guò)單體單元的潛在組合可以形成無(wú)數(shù)種PHA 共聚物。研究發(fā)現(xiàn)有超過(guò)91種構(gòu)成不同的聚羥基鏈烷酸，且數(shù)量還在不斷增加[29]。其中，聚3–羥基丁酸酯（Poly-3-hydroxybutyrate，P3HB）具有較好的等規(guī)性，因而具有較好的結(jié)晶度[30]，使得其具有優(yōu)于其他塑料包裝材料的氣體阻隔性能。并且憑借其可生物降解的特性，PHA 形成了從原料到制品再到原料再生的閉環(huán)，很大限度地減少了對(duì)環(huán)境的影響[31]，顯示出替代當(dāng)前一次性制品的潛力，如一次性瓶子、瓶蓋、泡罩包裝等。但由于材料本身的氣味問(wèn)題限制了PHA 在包裝上的應(yīng)用[32]。

1.1.3 天然聚合物

天然聚合物是從天然原料和可再生資源中提取的聚合物。在包裝方面應(yīng)用最多的天然聚合物主要有淀粉、纖維素和藻類(lèi)。

1.1.3.1 淀粉

淀粉是一種自然界大量存在的天然聚合物。淀粉包括支鏈淀粉和直鏈淀粉2 種類(lèi)型。兩者的比例顯著影響著聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)，較高的直鏈淀粉含量有助于提高聚合物的強(qiáng)度，支鏈淀粉會(huì)導(dǎo)致聚合物的拉伸強(qiáng)度降低。天然淀粉在自然界中多以雜聚物的形式存在，并以不同的形式與常規(guī)聚合物共混生產(chǎn)生物基聚合物。多項(xiàng)研究表明[33–38]，淀粉共混聚合物具有低透水性、高拉伸強(qiáng)度和更好的熱穩(wěn)定性，并且在好氧和厭氧環(huán)境中都容易降解，釋放出的副產(chǎn)物可作為化學(xué)產(chǎn)品。再加之淀粉基聚合物具有資源可再生、可生物降解和氧氣阻隔性高的特點(diǎn)，其在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊[39-40]。

1.1.3.2 纖維素

纖維素同樣具有來(lái)源廣泛和可生物降解的特點(diǎn)。纖維素原料可來(lái)源于棉絨、玉米殼、小麥、稻米、玉米和大麥稈等植物副產(chǎn)品或農(nóng)業(yè)廢棄物，在價(jià)格上具有競(jìng)爭(zhēng)力。由植物副產(chǎn)品或農(nóng)業(yè)廢棄物改性得到的醋酸纖維素（Cellulose Acetate，CA）在土壤和水中都能有效分解，并且回收效率較高。由亞麻纖維和棉絨制成的CA 在堆肥模擬實(shí)驗(yàn)中14 d 內(nèi)分別損失了初始質(zhì)量的44%和35%[41]。除此以外，纖維素和纖維素衍生物制成的涂層和可食用薄膜還能有效提高新鮮農(nóng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。纖維素膠可防止水果的酶促褐變，并且添加蛋白質(zhì)可進(jìn)一步增強(qiáng)纖維素膠對(duì)新鮮水果氧化的抑制作用[42]。與其他生物基聚合物相似，纖維素類(lèi)聚合物的機(jī)械強(qiáng)度不高，而且纖維素材料的溶脹行為、低抗?jié)櫇裥韵拗屏似湓诎b行業(yè)中的應(yīng)用。目前，已有通過(guò)羥基酯化的方式來(lái)提高機(jī)械強(qiáng)度[43]和采用表面疏水改性的方法提高纖維素類(lèi)聚合物的抗?jié)裥阅躘44-46]的報(bào)道，進(jìn)一步增加了纖維素類(lèi)聚合物作為包裝材料應(yīng)用的可能。

1.1.3.3 藻類(lèi)

藻類(lèi)塑料具有較高的光合效率和生長(zhǎng)速率，也逐漸受到關(guān)注。藻類(lèi)生物質(zhì)不與食物來(lái)源競(jìng)爭(zhēng)，有可能成為生物基聚合物持續(xù)的來(lái)源。到目前為止，已有2種方法可從藻類(lèi)中獲得生物基聚合物。一種是在機(jī)械或物理擠壓后將藻類(lèi)生物質(zhì)與增塑劑和添加劑進(jìn)行復(fù)合得到；另一種方法是提取在藻類(lèi)細(xì)胞內(nèi)培養(yǎng)的生物基聚合物，例如淀粉和聚羥基丁酸酯。小球藻和螺旋藻均已用于制備生物基聚合物。小球藻主要用于生物質(zhì)和塑料共混材料中。通過(guò)使用甘油等增塑劑[47]和馬來(lái)酸酐（Maleic Anhydride，MAH）等增容劑[48]，使得藻類(lèi)生物基聚合物材料的拉伸強(qiáng)度得到了提高，并且MAH 的添加也增強(qiáng)了材料表面光滑度[49]，拓寬了其在包裝中的適用范圍。由于氨基酸含量不同，螺旋藻表現(xiàn)出與小球藻不同的混合特性[33]?？墒褂寐菪遄鳛樘盍现频脽崴苄运芰希?dāng)螺旋藻質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，其拉伸模量可從36.5 MPa 提高到273.1 MPa，而樣品的水接觸角可從41°降低到22°[50]。三角褐指藻、萊茵衣藻[51]及其聯(lián)合體[52]被用于生產(chǎn)細(xì)胞內(nèi)生物基聚合物（如淀粉或PHA）。但是，制備過(guò)程中因使用化學(xué)添加劑和增塑劑限制了它們?cè)谑称贰嬃虾退幤钒b中的應(yīng)用。

雖然與石油基聚合物產(chǎn)品相比，生物基聚合物具有眾多優(yōu)點(diǎn)但也存在不足。盡管生物基聚合物減少了對(duì)化石燃料消耗的壓力，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜導(dǎo)致成本較高，部分工藝不夠成熟限制了它們的普及。隨著可生物降解聚合物工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的勢(shì)頭越來(lái)越大，生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，成本有望大幅降低。此外，回收的生物基塑料外觀看起來(lái)與傳統(tǒng)塑料相似，但如果沒(méi)有貼上適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽加以區(qū)分，可能會(huì)污染現(xiàn)有的回收系統(tǒng)，甚至對(duì)野生動(dòng)物和海洋環(huán)境有害[53]。而且，用于生物基塑料生產(chǎn)的作物種植可能會(huì)與用于糧食生產(chǎn)的作物形成競(jìng)爭(zhēng)[54]。盡管如此，在過(guò)去幾十年中，生物基塑料的使用量顯著增加。為了推廣生物基聚合物廢物的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)、使用和管理，需要建立適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和指南。對(duì)生物基塑料進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，評(píng)估其對(duì)環(huán)境的影響[55]，建立科學(xué)合理的生產(chǎn)、管理制度。

1.2 廢棄包裝循環(huán)利用技術(shù)

為了減少石化資源的使用和碳排放，另一個(gè)較理想的解決方案是通過(guò)化學(xué)循環(huán)的方式將包裝廢物直接轉(zhuǎn)化為性能不變的聚合物生產(chǎn)原料（圖2），即聚合物單體。

圖2 通過(guò)解聚對(duì)聚合物廢物進(jìn)行化學(xué)回收[56]Fig.2 Chemical recovery of polymeric waste by depolymerization[56]

聚合物解聚成單體形式進(jìn)行回收要滿足熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件[57]。解聚反應(yīng)焓必須超過(guò)聚合物單體平移所損失的熵才能使反應(yīng)進(jìn)行。反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)是指在該溫度下吉布斯自由能的變化為零，意味著達(dá)到系統(tǒng)的臨界溫度。聚合物系統(tǒng)在低于臨界溫度時(shí)有利于聚合，而在高于臨界溫度時(shí)有利于解聚。為實(shí)現(xiàn)單體轉(zhuǎn)化率大于99%的目標(biāo)，系統(tǒng)必須遠(yuǎn)高于臨界溫度。焓與熵比值的大小決定了單體和聚合物之間完全互相轉(zhuǎn)化所需的溫度之差。許多聚合反應(yīng)溫度差大大超過(guò)了這個(gè)閾值，并且由于吉布斯自由能太高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)單體與聚合物之間的循環(huán)。所以，成功的化學(xué)回收過(guò)程必須在聚合和解聚能量之間取得平衡。

聚烯烴由sp3雜化C?C 和C?H 鍵組成，解聚需要克服苛刻的條件才能實(shí)現(xiàn)熱解相關(guān)的高活化勢(shì)壘[58]。聚乙烯（Polyethylene，PE）和聚丙烯（Polypropylene，PP）就是典型的通過(guò)C?C π 鍵加成形成的聚烯烴，很難通過(guò)熱解的方式解聚成為單體。PE 的熱解對(duì)單體僅實(shí)現(xiàn)了適度的選擇性，轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到25%，大多數(shù)產(chǎn)物是其他氣體或者少量的碳[59]。PP 只有在使用電感耦合等離子體反應(yīng)器時(shí)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率大于94%的高選擇性[60]。聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）由于競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，永遠(yuǎn)不會(huì)生成氯乙烯單體。聚苯乙烯（Polystyrene，PS）的解聚會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，如苯乙烯、甲苯、α–甲基苯乙烯、1,3–二苯基丙烷以及苯乙烯二聚體和三聚體[61]，使得回收后的分離過(guò)程極為煩瑣。但還是存在聚烯烴可以完全轉(zhuǎn)化成單體的案例。聚甲基苯乙烯（Polyparamethylstyrene，PAMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）都可以幾乎完全恢復(fù)為單體[62-63]。然而，他們的力學(xué)性能無(wú)法與聚烯烴相比，都沒(méi)能在商業(yè)中廣泛運(yùn)用。

理論上，任何通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合生成的高分子都可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)單體循環(huán)。多數(shù)聚酯都是通過(guò)開(kāi)環(huán)反應(yīng)制備，并且存在易受親核攻擊的高極性sp2氫化羰基鍵（C=O），因此聚酯是化學(xué)回收的理想候選者[64]。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）是包裝中用量最大的聚酯類(lèi)材料，同時(shí)PET也是在聚合物化學(xué)回收方面研究最多和商業(yè)應(yīng)用最為成熟的材料。如圖3 所示，目前PET 主要的化學(xué)回收反應(yīng)：水解為對(duì)苯二甲酸，甲醇分解為對(duì)苯二甲酸二甲酯，氨解為對(duì)苯二胺，對(duì)苯二甲酸氨解成二元胺，糖酵解為雙2–羥基乙基對(duì)苯二甲酸酯和還原性解聚[65]。除此之外，由七元環(huán)ε–己內(nèi)酰胺合成的尼龍 6 也是化學(xué)單體回收的理想材料。自 1960年以來(lái)，人們一直在研究尼龍6 的解聚回單體的技術(shù)，并且尼龍6 的化學(xué)回收已經(jīng)有了幾十年的商業(yè)運(yùn)營(yíng)[66-67]。但是通過(guò)化學(xué)回收獲得的單體來(lái)生產(chǎn)的尼龍6 只占到了全球每年尼龍6 產(chǎn)量的2%[68]。從尼龍6、PMMA 和PAMS 的例子中可以看出，即便聚合物滿足化學(xué)循環(huán)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求，也不足以確定其商業(yè)實(shí)用性。

圖3 PET 化學(xué)回收方法[69]Fig.3 PET chemical recycling method[69]

在聚合物單體化學(xué)回收方面還存在著一些挑戰(zhàn)?？苫瘜W(xué)循環(huán)材料的回收量與它們的生產(chǎn)規(guī)模大致成反比。PS 和PET 的產(chǎn)量與其他包裝材料的產(chǎn)量相比較低，但PS 和PET 的單體回收率都可達(dá)到90%以上[51,65]。然而，對(duì)于生產(chǎn)量最大的3 種聚合物，PVC、PE 和PP 的回收率卻不盡如人意。PVC 在化學(xué)原理上是不可能實(shí)現(xiàn)單體回收的[70]，PE 和PP 是極不易進(jìn)行單體回收。另外，目前研究關(guān)注單體回收的都為單一樹(shù)脂，但包裝廢棄塑料多為復(fù)雜的混合物，除了多層復(fù)合材料外，還包括染料、穩(wěn)定劑、增塑劑、填料和其他制造添加劑[71]。這些助劑的加入可能會(huì)對(duì)聚合物系統(tǒng)的臨界溫度和單體回收率產(chǎn)生影響。目前，僅有少量通過(guò)共價(jià)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（Covalent Adaptable Networks，CANs）來(lái)實(shí)現(xiàn)單體與材料添加劑分離的案例。Christensen 等[72]通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)二酮烯胺鍵實(shí)現(xiàn)塑料的閉環(huán)回收。在強(qiáng)酸性條件下，單體從染料、無(wú)機(jī)填料、阻燃劑中回收和分離。對(duì)大部分復(fù)合材料體系還需要開(kāi)展大量的研究工作。

1.3 清潔能源

使用清潔能源和改善能源結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)碳減排的另一種重要途徑。2021 年，全球能源燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的CO2排放量回升，達(dá)到有史以來(lái)的最高水平[73]，并且與2020 年相比排放量增長(zhǎng)了6%，達(dá)到36.3 千兆t[73]。預(yù)計(jì)到2050 年溫室氣體排放量將增加50%，并且其中增量的70%與能源相關(guān)[74]。由此可知，清潔能源的使用將減少大部分的碳排放。使用清潔能源也是包裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑。當(dāng)前主要的清潔能源技術(shù)如表1 所示。從表1 可知，推廣應(yīng)用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)碳中和的最重要和最有效的手段。核能和氫能因具有資源消耗低、污染風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)勢(shì)，被確定為保障國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的戰(zhàn)略途徑。此外，生物質(zhì)能源的利用也是能源結(jié)構(gòu)重組的關(guān)鍵。

表1 清潔能源技術(shù)Tab.1 Clean energy and technology

木質(zhì)纖維素生物質(zhì)既是紙包裝原料，也是常見(jiàn)的生物質(zhì)燃料。因其來(lái)源廣、產(chǎn)量大，是包裝行業(yè)值得關(guān)注和利用的能源轉(zhuǎn)換材料。其能量轉(zhuǎn)化方式包括化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化方式主要包括氣化、熱解和燃燒。通過(guò)燃燒產(chǎn)生的生物質(zhì)能大約占化學(xué)轉(zhuǎn)化方式能源總量的90%[74]。熱解可以在沒(méi)有氧氣的情況下，在400～1 000 ℃的溫度下通過(guò)熱分解將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為酸、酯和醇等化學(xué)產(chǎn)品。氣化轉(zhuǎn)化則通過(guò)使空氣、氧氣或蒸汽在500 ℃以上的溫度下反應(yīng)，將碳質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w或合成氣體，產(chǎn)生H2、CO 和CH4等[75-76]。此外，化學(xué)轉(zhuǎn)化還可通過(guò)酯化或酯交換將植物油和動(dòng)物脂肪轉(zhuǎn)化為脂肪酸酯以生產(chǎn)生物柴油[77]。生物轉(zhuǎn)化最常見(jiàn)的方法是發(fā)酵和厭氧消化，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為醇和烷烴等液體燃料、氫氣或類(lèi)胡蘿卜素等不同類(lèi)型的生物產(chǎn)品[78]。

盡管生物質(zhì)資源豐富，但生物質(zhì)能作為生產(chǎn)能源仍需解決一系列的問(wèn)題。生物質(zhì)運(yùn)輸?shù)缴锬茉瓷a(chǎn)地點(diǎn)的高成本以及生物能源原料生產(chǎn)的可持續(xù)性較差的問(wèn)題是制約生物質(zhì)能使用的主要原因。目前，在生物質(zhì)能利用方面的主要工作是提高生產(chǎn)力和降低成本，進(jìn)一步擴(kuò)大生物質(zhì)能在能源消費(fèi)總量中的比重。

煤炭、石油和天然氣等化石能源仍占全球能源消費(fèi)總量的主導(dǎo)地位。相比之下，不產(chǎn)生碳排放的太陽(yáng)能和風(fēng)能僅占能源消耗的小部分，而且存在不能持續(xù)供應(yīng)的問(wèn)題。如果用一刀切的方式來(lái)停止化石能源的使用既不現(xiàn)實(shí)，也會(huì)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成影響。應(yīng)采取逐步過(guò)渡的措施，考慮構(gòu)建多種能源混合的體系。如圖4，由能源和化學(xué)部門(mén)聯(lián)系將灰色和綠色能源轉(zhuǎn)化為甲醇和氨作為能源載體，能源轉(zhuǎn)化為化學(xué)產(chǎn)品的過(guò)渡方式會(huì)更加平穩(wěn)有效[79]。例如，近些年所提出的液態(tài)陽(yáng)光，將太陽(yáng)能與捕獲的二氧化碳和水相結(jié)合，產(chǎn)生甲醇和酒精等綠色液體燃料[80]。

圖4 多能耦合系統(tǒng)[79]Fig.4 Multi-energy coupled system[79]

2 碳移除途徑

CO2捕獲、利用和封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，CCUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CO2移除目標(biāo)的必要技術(shù)。CCUS 技術(shù)包括3 個(gè)不同的過(guò)程：將CO2從排放源中分離出來(lái)，CO2轉(zhuǎn)化和利用，以及長(zhǎng)期與大氣隔離的地下儲(chǔ)存。

2.1 碳捕捉

如圖5 所示，CO2捕集的技術(shù)路線主要有燃燒后捕捉、燃燒前捕捉和氧燃料燃燒。

圖5 CO2 捕集技術(shù)[86]Fig.5 CO2 capture technologies[86]

在燃燒前分離CO2的方法稱(chēng)為預(yù)燃燒。燃料氣化成由CO 和H2組成的混合氣，然后轉(zhuǎn)化為CO2和氫氣，再?gòu)腍2中分離出CO2[81]。這一過(guò)程可以生成氫燃料，也可以妥善處理CO2，并且隨著液化天然氣技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用得越來(lái)越廣泛。

燃燒后從廢氣中分離出CO2，是能源系統(tǒng)中CO2回收的最簡(jiǎn)單方法。燃燒后捕集技術(shù)所采用的氣體分離技術(shù)包括物理吸收、化學(xué)吸收、膜分離等。由于燃燒后煙氣處理量大且CO2濃度低，所以化學(xué)吸收法是用于燃燒后二氧化碳捕獲最合適的分離技術(shù)[82]。燃燒后捕集的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，不需要對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)多的改造。但是由于N2稀釋使得能源系統(tǒng)尾氣中CO2的濃度通常很低，僅通過(guò)改進(jìn)吸收器和優(yōu)化工藝很難顯著降低分離能耗。目前，燃燒后分離的研究重點(diǎn)是尋找高效吸收劑，并優(yōu)化分離工藝以降低CO2分離的能耗。

針對(duì)常規(guī)空氣燃燒存在稀釋CO2的問(wèn)題，研究人員提出了氧氣燃燒法。如圖5c 所示，燃料在O2和CO2的環(huán)境中燃燒，一部分煙氣返回系統(tǒng)循環(huán)。通常煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)可達(dá)95%以上，所需的O2主要通過(guò)空氣分離產(chǎn)生。其中空氣分離技術(shù)包括使用聚合物薄膜、變壓吸附和低溫技術(shù)[82-84]。氧氣燃燒的優(yōu)點(diǎn)是煙氣主要由CO2和蒸氣組成，因此CO2分離的能耗接近于0。但由于需要制氧，空氣分離裝置的能耗較大，同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的額外投資。

目前碳捕獲技術(shù)主要應(yīng)用于電力行業(yè)，捕集由化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中的CO2[85]。碳捕集技術(shù)可以被視為降低化石燃料燃燒造成CO2大量排放的一種補(bǔ)救手段。目前還沒(méi)有碳捕集技術(shù)應(yīng)用在包裝行業(yè)中的案例。通過(guò)當(dāng)前碳捕集技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，碳捕集技術(shù)在包裝廢棄物焚燒處理和傳統(tǒng)石油基聚合物包裝材料生產(chǎn)過(guò)程中最具有應(yīng)用潛力，因?yàn)檫@2 個(gè)過(guò)程中都伴隨有大量的含CO2煙氣排放。如果可以對(duì)包裝廢棄物焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集并加以利用或封存，從包裝的整個(gè)生命周期來(lái)看將極大地減少因碳排放而造成對(duì)環(huán)境的影響，甚至可能產(chǎn)生對(duì)可降解包裝材料的挑戰(zhàn)。因此，運(yùn)用LCA 法比較使用碳捕集技術(shù)后的難降解包裝和可降解材料之間碳排放的差異將具有重要意義。

2.2 碳利用

CO2化學(xué)利用指在一定的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，將CO2轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)品的過(guò)程。CO2化學(xué)利用可以直接實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化利用，具有一定的直接減排效果[87]。同時(shí)，這類(lèi)技術(shù)還可以形成新的化學(xué)合成路線，替代石化燃料或原材料。為了促進(jìn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化，人們開(kāi)發(fā)了多種方法，如熱化學(xué)催化、光化學(xué)催化、電化學(xué)催化等。

在CO2轉(zhuǎn)化的各種方法中，熱化學(xué)過(guò)程已得到深入研究，有些已商業(yè)化。在熱化學(xué)催化中，將CO2整合到某些有機(jī)底物中，在催化劑的作用下形成新的C?X 鍵[76–92]，以產(chǎn)生有價(jià)值的化學(xué)品。因?yàn)镃O2在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，且在動(dòng)力學(xué)上是惰性的，所以許多反應(yīng)要在高溫或高壓下進(jìn)行，使得光化學(xué)和電化學(xué)催化成為有吸引力的替代技術(shù)。光化學(xué)催化以取之不盡的太陽(yáng)光作為能源，利用各種半導(dǎo)體作為光催化劑，在光照下進(jìn)行CO2光還原。近年來(lái)，TiO2、ZnO、ZnS、SrTiO3和CdS 及其改性材料被用作催化材料，應(yīng)用于將CO2催化還原為CO、CH4、CH3OH、HCOOH等燃料[93–97]。通過(guò)電化學(xué)方法將CO2還原是實(shí)現(xiàn)碳中和要求的重要途徑[98-99]。電化學(xué)法能夠?qū)?lái)自陽(yáng)光和風(fēng)的間歇性可再生電力轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的燃料和有用的化學(xué)產(chǎn)品。但是，光化學(xué)和電化學(xué)催化CO2轉(zhuǎn)化尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。因此，需要做更多的工作來(lái)提高現(xiàn)有路線的轉(zhuǎn)化效率和探索高效的催化劑和反應(yīng)介質(zhì)。

除了上述3 種催化方式外，CO2的酶促和有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化也是極具吸引力的碳利用方式。目前，已經(jīng)成功應(yīng)用上述方法獲得各種有用的CO2還原產(chǎn)物，如CO、羧酸和環(huán)狀碳酸酯[100–103]。然而，這些領(lǐng)域的發(fā)展仍處于起步階段，需要付出相當(dāng)大的努力來(lái)理解控制催化活性的結(jié)構(gòu)特征和獲得適用于將CO2轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品的實(shí)用催化劑[104]。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)催化劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。不論是在聚合物化學(xué)回收中還是在二氧化碳的利用中，合適的催化劑將有利于實(shí)現(xiàn)聚合物到單體的完美循環(huán)和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，并減少能量的消耗。催化劑結(jié)構(gòu)微小的變化都會(huì)對(duì)聚合物的合成產(chǎn)生巨大影響，包括速率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分散性、立構(gòu)規(guī)整度和共聚單體的摻入。機(jī)器學(xué)習(xí)和分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算方法可以成為幫助預(yù)測(cè)催化劑結(jié)構(gòu)的工具[105-106]。

在現(xiàn)有的研究中，對(duì)CO2的利用通常都是將其轉(zhuǎn)化為更有價(jià)值的產(chǎn)品。包裝行業(yè)中可將CO2轉(zhuǎn)化為可生物降解的塑料。例如，使用紫色硫細(xì)菌利用CO2和陽(yáng)光生產(chǎn)PHA[107]，以及將CO2作為原料制備具有化學(xué)循環(huán)功能的聚合物，如CO2和環(huán)氧化合物共聚合成脂肪族聚碳酸酯[108-109]。這些碳利用的例子不僅有利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，還能夠在包裝行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。除此之外，包裝行業(yè)還具有直接利用CO2的優(yōu)勢(shì)。例如，在食品包裝中將CO2作為碳酸飲料的注入氣體，利用CO2的抑菌作用還可以將其作為食品包裝的保護(hù)氣[110-111]，以及使用CO2作為氣柱袋的填充氣[112]。利用以上優(yōu)勢(shì)，碳利用技術(shù)在包裝行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)過(guò)程中顯示出了相較于碳捕捉和碳儲(chǔ)存技術(shù)更好的適應(yīng)性，巧妙地在包裝生命周期中實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)。

2.3 碳儲(chǔ)存

自然封存是直接利用植物自身的固碳能力，通過(guò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和提升來(lái)封存CO2。自然封存可以同時(shí)兼顧環(huán)保和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是周期較長(zhǎng)且投入較高。人工封存是指通過(guò)工程技術(shù)手段將捕獲的二氧化碳儲(chǔ)存在地質(zhì)構(gòu)造中，可以實(shí)現(xiàn)從大氣中長(zhǎng)期隔離二氧化碳。封存地質(zhì)體主要包括陸上含鹽含水層封存、海底含鹽含水層封存、枯竭油氣田封存等[113]。但是，大量CO2注入引起的地震活動(dòng)不僅本身會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而且會(huì)使儲(chǔ)存的CO2從地下泄漏，進(jìn)而對(duì)周?chē)闹参?、?dòng)物和人類(lèi)健康造成危害[114-116]。因此，運(yùn)用地質(zhì)封存的方法還需要進(jìn)一步的評(píng)估。此外，在使用自然封存手段時(shí)要因地制宜，評(píng)估不同地區(qū)的自然封存能力。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)還面臨著很多挑戰(zhàn)，需要多學(xué)科研究人員共同協(xié)作、共同努力。

隨著碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，新一代的包裝材料可能會(huì)在這一過(guò)程中誕生。可以通過(guò)選擇性轉(zhuǎn)化植物和其他非化石生物原料來(lái)獲得具有獨(dú)特化學(xué)功能的生物基化合物，以開(kāi)發(fā)新的聚合物來(lái)取代化石原料產(chǎn)生的聚合物。除此以外，還需要開(kāi)發(fā)更高效、更具有選擇性、更低能耗的包裝制品回收工藝來(lái)處理來(lái)自石油基包裝的廢棄物。

對(duì)于達(dá)到碳中和的目標(biāo)，首要解決的是能源問(wèn)題。當(dāng)提出碳中和目標(biāo)時(shí)，希望清潔能源可以替代所有的石化燃料。然而，由于清潔能源不穩(wěn)定，尚不能滿足能源安全的要求。盡管大規(guī)模儲(chǔ)能可以增強(qiáng)可再生能源的穩(wěn)定性，但需要重新考慮其總成本和環(huán)境影響。此外，向清潔能源的過(guò)渡可能意味著需要對(duì)當(dāng)前以化石燃料為基礎(chǔ)的能源生產(chǎn)、傳輸和供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行徹底的重建或改造，而這一成本是巨大的。所以，包裝行業(yè)在推進(jìn)碳中和目標(biāo)時(shí)要從能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政策等多方面進(jìn)行考量，選取合適的低碳能源和碳中和技術(shù)。