为塑料正本清源

Growing onion under plastic dome, organic onion in green house in Thailand
There's more to the plastics story than you might think. We explore the myths and misperceptions.Image: Getty Images/iStockphoto
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这一组被统称为塑料的材料,在带来现代生活大部分社会经济优势方面发挥了决定性作用,自20世纪50年代以来,其产量已超过几乎所有其他材料。

那么,什么是塑料?如今,几乎每个人、在任何地方、每天都会接触到它们。由于以下几个原因,它们已成为现代经济的主力材料:易于获取、用途广泛,而最重要的是,它们以低廉的成本实现了卓越的性能,几乎无可匹敌。

有时性能过于强大。

“塑料”一词如今既是这组材料的名声标签,也带有负面色彩,它源于定义其多功能性的关键物理特性:可塑性。主要借助热量,它们进入一个可加工的状态,并通过现代雕塑工艺被制成纤维、薄膜或形状极为复杂的物件。这一过程(至少在理论上)可以多次进行,使这些材料成为回收利用的理想候选者——不过这一点稍后再谈。

可塑性作为一种属性,存在于多种材料中,包括金属、人体组织或天然纱线。但正是工业高分子化学的出现,使大规模应用的可能性得以扩展。事实证明,许多聚合物都具有可塑性。而且我们能够以低廉的成本、可靠地大量生产它们,并能通过调整其组成和加工方式,获得几乎任何所需的物理特性,这一能力令人惊叹。

聚这,聚那。什么是聚合物?

许多聚合物(拉丁语意为“许多单元”)都具有可塑性,但它们并不相同。自然界从一开始就通过与我们的进化密切相关的过程,将大量单个单元组装成长链(生命本身就编码于聚合物之中)。科学家们学会了利用化学反应在工业规模上制造它们,其方式不仅能使用相同的结构单元,还能使用范围大大扩展的一系列单元。“聚某某”或“聚某他”这类术语告诉我们它们是什么,以及它们的组成。

Image: 世界经济论坛

随着塑料进入无数日常用品,它已成为家喻户晓的名称。我们生活中的合成聚合物还根据其所表现出的特性进行描述:最常见的有塑料质、刚性、弹性,但种类还包括电致发光(如OLED电视显示屏)、同时具有疏水和疏油性(如不粘炊具)、绝缘(用于电线)或生物相容性(如人造皮肤)。它们都是聚合物,大多数具有可塑性……但也有例外。

我们对如何构建大分子,特别是如何将哪些小单元连接在一起的理解,是与现代石化工业共同发展起来的。虽然这些结构单元可以从多种来源获取,但超过90%的合成聚合物是由化石原料制成的。其生产涉及一系列反应,这些反应已针对产率、选择性、稳健性进行了优化,而最重要的是规模。

一种基础石化产品凭借工程改造成为多用途之王:乙烯。丰富的乙烯是当今大多数已知合成聚合物的起源,它可以从石油、天然气或甘蔗中获取。现代材料生产的经济性和可靠性高度依赖规模。若没有我们在石油或天然气转化方面实现的规模,大多数替代来源都将无足轻重。由于聚合物的性能取决于其组成和结构,而非其来源,因此同一种聚合物(例如某一特定牌号的聚乙烯),无论由石油制成还是由甘蔗等可再生来源制成,其表现都相同。就回收利用而言,两种原料具有相同的特性。两者都可能生产出具有生物降解性或生物相容性的聚合物。

在消费者易于理解的“塑料”一词之下,最常用的聚合物包括:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、各种密度的聚乙烯(PE:LDPE、LLDPE、HDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)和聚氨酯(PU)。前五类聚合物约占所有用途的75%,属于热塑性塑料,原则上可以进行机械回收。

2016年欧洲按聚合物类型划分的塑料需求。Image: EMRG和GmbH

为了进一步提升这些看似均一的材料的性能,在部件制造过程中或之前,会进行一些常被忽视但至关重要的处理。这些处理包括添加添加剂(着色剂、触感增强剂、增硬剂、抗菌剂)、分层(以结合不同薄膜的性能),以及金属化或表面改性(以便于涂覆)。

在投入应用时,其成分的复杂性已大幅提高。经过这些改性后,塑料展现出多种性能特征(例如,一袋薯片轻便、柔韧,几乎无法被水分、空气或细菌穿透;它在化学上是惰性的,可热封,而且非常便宜)。这些特性也相互关联(例如,为了实现降解而降低化学惰性,会损害产品的完整性)。正是在这些性能的相互作用之中,蕴藏着改进材料的诸多技术挑战。

2017年欧洲塑料需求的份额。Image: 改编自Materials Economic

得益于塑料,无数生命通过其在医疗保健领域的应用得以挽救——从精密医疗器械、人工器官,到输液管和注射器,再到抗疟蚊帐。风力发电机和太阳能电池板推动的清洁能源增长,很大程度上得益于塑料,而轻质材料也使运输更加节能。

然而,塑料的廉价性使其在日常生活中如此便利,同时也使其无处不在,这已成为我们星球最严峻的环境挑战之一。

太好、太多、太快、太便宜?

当包装的重量至关重要、当形状意味着品牌识别度、当需要良好的密封来保护食品和饮料的完整性时,消费品行业便转向了聚合物用于包装。而通过这种广泛的应用,我们开始面临重要的权衡取舍:

  • 相对于其预期使用寿命,聚合物往往过于耐用。这一差异在食品和消费品包装中尤为显著:我们使用的材料,其“可用”寿命可达数十年甚至数百年,而其“使用中”寿命仅为数月甚至数天。

  • 在某些性能维度上表现下降(例如寿命较短)的聚合物,往往制造、配方和加工成产品的成本更高。

  • 聚合物的生产和使用速度通常远高于我们处理使用后材料的能力。相比之下,基础设施方面的投入(收集、分类、加工),尤其是缺乏具有足够经济意义的商业模式来证明所需投资的合理性,持续阻碍着我们管理使用后材料的能力。

  • 与其离散来源相比,聚合物经历的生命周期过多且差异过大。

  • 再生材料的性能往往达不到原生材料的水平。

  • 再生材料往往比原生材料更昂贵。

包装是塑料废弃物的主要来源,几乎占全球总量的一半。

由于上述权衡取舍,聚合物在环境中不断积累并引发不良变化,表现欠佳。

Image: Our World in Data

难道不能直接替换为更好的材料吗?

对于更好或更差的材料,目前并无普遍共识。仅使用一项环境性能标准进行比较是不够的,因为各类材料在不同的环境性能标准下具有不同的相对影响。为了全面理解使用这些材料对自然环境产生影响的多种方式,需要进行全面的生命周期分析(LCA)。这些分析涵盖产品生命周期各阶段的资源利用和排放,从原材料开采,到材料加工、制造、分销、使用、维修和保养,再到处置或回收。

当我们无法从已完成使命的材料中提取价值时,浪费便随之产生。就聚合物而言,我们的应对速度一直跟不上,因此在合成聚合物的整个生命周期中都出现了溢出(字面意义上的泄漏)。这些材料正给环境带来沉重负担,每年约有全球塑料废弃物的3%通过多种途径进入海洋。

在海洋中,废弃塑料既来自陆地,也来自海洋活动,主要包括渔网、渔线、绳索或船舶部件。据估计,海洋来源约占海洋塑料废弃物的20%–30%,而陆源输入是主要来源,估计占70%–80%。

由于问题如此复杂,人们已提出多种应对塑料污染的方案,从即时的治理策略到长期战略不等。其中包括新塑料经济全球承诺的基本框架,它是由艾伦·麦克阿瑟基金会牵头、历时四年努力的成果:消除、创新、循环。

各国政府正通过监管和其他政策行动,采取措施逐步淘汰有问题或不必要的塑料包装。市政、国家乃至未来或许全球层面的政策制定机构发布的指令,依赖于禁止在购物袋、吸管以及其他一次性和/或短期使用的用途中使用塑料。

几乎无人质疑创新的必要性。产品开发领域亟需研究,挑战包括理清材料的性能标准、开发新型成分或配方,以及深化对分解化学的理解。工艺技术领域也需要研究,以进一步发展机械、生物尤其是化学工艺,将使用后的材料转化为有价值的资源。

可以说,当今大部分关注都集中在循环利用上,我们旨在增加废弃物转化为原料的工艺数量,并重建塑料废弃物的价值,无论是作为高能碳源,还是作为新材料的原料。全球范围内,塑料的回收率为18%,而1980年前后接近于零。1980年以前,塑料的回收和焚烧微不足道,因此100%都被丢弃。焚烧率自1980年起、回收率自1990年起,平均每年增长约0.7%。

Image: Our World in Data

然而,这些平均数字并不能说明全部情况。通过机械和化学途径,PET(如饮料瓶)的可回收率可高达70%,而PVC和PS仍然难以处理,回收率仅为个位数。形态也很重要——某些尺寸或形状的塑料在没有专门收集的情况下仍然很难回收(例如小型食品包装袋、口香糖包装)。

为什么我们应当转向新塑料经济?

然而,要将循环经济的理念转化为具体行动,需要各方利益相关者的认同与参与。只有通过在系统性干预措施的设计、部署、监测和评估中开展协作行动,我们才能在区域和全球范围内实现所需的影响。全球塑料行动伙伴关系,由公私部门领导人合作促成、设在世界经济论坛,于去年成立,旨在实现这一目标。它正推动政府、产业界和民间社会携手合作,把目标和承诺转化为政策与实施;首先从印度尼西亚着手,该国承诺将海洋塑料垃圾减少70%。

其他举措包括Loop,它推广可重复使用的消费品包装,以及终结塑料废弃物联盟,这是一个由全球近30家公司组成的联盟,致力于减少和消除环境中的塑料废弃物,尤其是海洋中的塑料废弃物。

如果我们希望在不损害地球的前提下保留塑料的益处,就需要了解如何管理它们。通过良好的管理,新塑料经济将实现最高生产率并保留价值,同时将当今因系统性处理不当而造成的负面环境后果降至最低。

这需要从多个角度审视全球经济:材料;政策(财政与金融、劳动、环境和能源);对创新和基础设施建设的坚定承诺;公众意识与参与;尤其是重新思考决策背后的经济激励机制。在这一复杂系统中,干预措施不仅需要多元化,更重要的是需要协调一致。

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