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近期，我院周雅教授課題組在中科院1區TOP期刊《Journal of Cleaner Production》期刊發表題為“Environmental impacts and mitigation potentials of CO₂-based biodegradable plastic based on life cycle assessment —— A case study of poly(propylene carbonate)”的研究論文。周雅教授為論文通訊作者，碩士研究生陳緻通為論文第一作者，合作單位包括中國科學院長春應用化學研究所、北京工業大學。

文章導讀

過去幾十年中，塑料的生産和使用呈指數級增長，給生态環境、人體健康和氣候帶來廣泛影響。塑料污染不僅發生于塑料廢物産生環節，還涵蓋了塑料材料和産品全生命周期過程。全球90%以上塑料來自石油等化石燃料，塑料生産和處置過程伴随大量碳排放，塑料是全球增長最快的工業溫室氣體排放源。二氧化碳利用将二氧化碳作為原料，生産高價值化學品，有助于降低化石燃料消耗、減緩氣候變化。二氧化碳已作為原料用于生産甲醇、尿素、聚碳酸酯、聚氨酯和聚碳酸丙烯酯等産品。

作為塑料替代品，二氧化碳基生物降解塑料是解決塑料污染的重要途徑之一。聚碳酸亞丙酯（PPC）是基于二氧化碳和環氧丙烷合成的完全生物降解脂肪族聚酯，由于其透明性、無毒性、阻隔性高、抗沖擊韌性和生物相容性好等特點，已被用于食品、包裝、生物醫療等領域。以往二氧化碳基共聚物研究主要集中于材料合成，近年來，以二氧化碳為原料制備聚乙烯、聚丙烯、橡膠等環境影響受到關注，研究發現二氧化碳基聚合物在減少溫室氣體排放和化石燃料消耗方面具有優勢。二氧化碳基生物降解塑料環境影響尚未受到關注，影響塑料替代品環境效益的評估。

中國是全球最大生物降解塑料生産國，PPC産能占其全球總産能94%。本研究基于中國PPC及其原料的工業生産技術，開展生命周期評價，探究PPC環境影響以及新興生産技術和可再生能源替代的環境減排潛力，比較PPC與傳統塑料的環境影響，探讨二氧化碳基生物降解塑料的可持續性。研究結果為PPC及其原料的生産工藝優化、合成技術創新及降低環境影響提供新見解。本研究為生物降解塑料政策制定、塑料行業淨零排放提供數據支持和科學依據。

論文摘要

CO₂基生物降解塑料是減少化石燃料消耗、緩解氣候變化和塑料污染的潛在解決方案。聚碳酸亞丙酯（PPC）是以二氧化碳和環氧丙烷為原料的二氧化碳基生物降解塑料，已用于包裝、地膜等領域，但PPC環境影響尚不明晰。中國是全球最大PPC生産國，本研究以中國PPC及其原料工業生産技術為基礎，編制了PPC樹脂從搖籃到大門生命周期清單，采用ReCiPe 2016方法評估PPC生命周期環境影響及減排潛力。結果表明，PPC合成過程對PPC環境影響貢獻最大（在16個環境影響指标占38-95%），其次是環氧丙烷合成。研究設置技術進步與可再生能源替代情景，以探究PPC減排潛力。發現相比光伏發電替代火電，PPC合成技術創新具有更大減排潛力，超臨界聚合技術可減少PPC合成過程能源和二氯甲烷消耗，使17個環境影響指标下降17-96%。光伏發電替代火電僅減少11個環境影響指标的2-22%。PPC在17個環境影響指标中優于傳統塑料。本研究強調了技術創新在減少PPC生命周期環境影響的重要性，為二氧化碳基生物降解塑料的環境表現和替代傳統塑料潛力提供依據。研究還提出了合成技術開發、可持續原料創新及環境影響評估方面的政策建議，有助于通過生物降解塑料替代提高塑料行業的可持續性。

圖1 聚碳酸亞丙酯生命周期評價系統邊界（CP表示以氯醇法生産環氧丙烷，HPPO表示以過氧化氫直接氧化法生産環氧丙烷）

圖2 PPC“搖籃到大門”生命周期環境影響評估結果（T1表示以過氧化氫直接氧化法生産環氧丙烷為原料制備PPC，T2表示以氯醇法生産環氧丙烷為原料制備PPC。藍色柱子表示PPC合成過程中能耗、水耗及排放，橙色柱子表示PPC合成所需原料，綠色柱子表示PPC合成過程的輔料投入）

圖3過氧化氫直接氧化法(a)和氯醇法 (b)生産PO生命周期環境影響評價結果（藍色柱子表示PO合成的能耗、水耗及排放，橘色柱子表示PO合成所需原料，綠色柱子表示PO合成中非氣體輔料投入；紅色表示PO合成中氣體輔料投入）

圖4 PPC環境影響在技術創新情景（S1）和可再生能源替代情景（S2）的減排潛力（BAU表示基準情景，即采用本體聚合技術生産PPC，HPPO技術生産PO；S1表示技術創新情景，即采用二氧化碳超臨界聚合（CSP）技術生産PPC；S2表示可再生能源替代情景，即PPC和PO合成所消耗的電力來自光伏發電；Total指S1和S2綜合情景）

圖5 PPC與傳統塑料的環境影響比較（PVC-1和PVC-2分别表示通過電石法和乙烯法生産聚氯乙烯）

該研究得到國家重點研發計劃（2022YFC3901800）和國家自然科學基金項目（52222007，52170179）的支持。