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生物降解添加剂

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生物降解添加剂是添加剂增强的生物降解聚合物通过使微生物利用聚合物链作为能量源中的碳。在塑料产品上形成生物膜后,可生物降解的添加剂通过群体感应将微生物吸引到聚合物上。添加剂通常在母料形成中使用载体树脂,例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

大多数常见的合成塑料都不能生物降解,塑料的化学和物理特性在塑料降解过程中起着重要作用。添加可生物降解添加剂可以通过改变塑料的化学和物理特性来提高降解速率,从而影响塑料降解的机制。生物降解添加剂可以将塑料降解过程转化为生物降解过程之一。可生物降解的添加剂不是简单地被环境因素降解,例如阳光(光氧化)或热量(热降解),而是允许聚合物通过直接或间接攻击被微生物和细菌降解。

虽然一些塑料添加剂仅影响塑料表面(例如着色剂),但有效的可生物降解添加剂也必须改变塑料的内部及其化学性质。良好的可生物降解添加剂通过降低聚合物某些特性的强度并增加其对微生物的吸引力来加快降解速度。

可生物降解添加剂的类型

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淀粉

淀粉是一种常见的可生物降解添加剂,合成塑料与淀粉的混合物正变得越来越普遍。因为淀粉是一种聚合碳水化合物,它可以被微生物直接消耗。淀粉是一种全年都可以使用的可再生且廉价的资源,使其成为一种可行的可生物降解添加剂。

淀粉可以转化为塑料颗粒,然后可以用作其他塑料(如聚乙烯)的可生物降解添加剂。

虽然淀粉是一种很有前途的可生物降解添加剂,但它目前仅与某些合成塑料混合使用。淀粉和聚乙烯醇(PVA)混合物可被各种微生物完全生物降解,因为这两种成分都是可生物降解的。然而,添加淀粉可能会增加PVA的降解速度。还发现淀粉和聚酯混合物是完全可生物降解的。连续淀粉相的存在允许微生物直接消耗塑料,因为材料变得更加亲水。微生物可以直接攻击并去除塑料中的淀粉,导致其降解。淀粉最常用作可生物降解的添加剂低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。由于聚乙烯用途广泛,从塑料袋到塑料水瓶再到户外家具,每年都有大量的PE塑料被丢弃,而确定提高其生物降解性的方法已成为一个重要的研究领域。

生物降解添加剂

Cornplast由美国国家玉米种植者协会生产,是一种特殊的淀粉添加剂,可用于提高合成聚乙烯的生物降解性。玉米塑料是一种材料,其成分为20%的聚乙烯和80%的淀粉。已经研究了按重量计50%-50%的Cornplast与LDPE和HDPE的混合物,以确定淀粉作为可生物降解添加剂的有效性。

生物强化

将某些微生物菌株添加到塑料中称为生物强化,它是一种增加塑料生物降解性的方法。生物强化已被用于提高已经可堆肥的塑料的降解率,例如聚乳酸(PLA)。堆肥塑料是一种很有前景的替代方法,可以替代在垃圾填埋场处理塑料。然而,塑料需要某些特性才能堆肥。为了增加塑料的可组合性和生物降解性,生物强化是一种将微生物直接添加到塑料中的方法。在这种情况下,可生物降解的添加剂是微生物本身。

必须进行实验以确定堆肥中存在的哪些特定微生物菌株能够真正与塑料结合,以确定生物强化的潜在来源。这些实验必须针对各种塑料进行,因为塑料的特性差异会影响微生物菌株的结合能力。为了确定微生物菌株是否正在降解塑料,通常使用存在的二氧化碳量的测量值,因为二氧化碳是需氧和厌氧微生物降解的产物。为了确认被研究的微生物被某种类型的塑料吸引,合成塑料是实验堆肥或土壤中xxx的碳源是很重要的。如果有大量二氧化碳释放,则说明微生物已成功消耗了塑料中的碳。

已用于聚乳酸的成功生物强化的微生物菌株的一个例子是嗜热地芽孢杆菌。这种细菌菌株可以在海洋和陆地条件下生长,并且能够使用多种糖类、碳化合物和羧酸作为营养来源。Geobacillusthermoleovorans成功附着在聚乳酸表面,实验表明,这种定植会增加塑料的微生物降解率。

促氧化添加剂

促氧化剂添加剂可提高热氧化和光氧化的速率,从而产生大量的低分子可提取化合物。然后微生物菌株可以有效地攻击大链聚合物的这些低分子量片段中的碳。

促氧化剂添加剂通常用于提高聚乙烯和聚乙烯薄膜的生物降解速率。聚乙烯是一种非常常见的聚合物,用于许多日常塑料产品,例如水瓶、食品袋和排水管。然而,其高分子量阻碍了微生物自然降解材料的能力。促氧化剂添加剂通过产生较小的聚合物片段,在提高聚乙烯的生物降解性方面是有效的。

典型的促氧化剂添加剂是过渡金属络合物或瞬态金属离子,它们以硬脂酸盐或其他有机配体络合物的形式添加到塑料中。用作促氧化剂的最常见金属是铁(Fe)、锰(Mn)和钴(Co)。Fe配合物通过为产生较小分子量片段的过程中的引发步骤提供自由基源来提高光氧化速率。欧盟于2019年禁止使用此类OXO生物降解添加剂,原因是担心经过处理的塑料不能完全生物降解,反而会加速微塑料的形成。

目前对聚乙烯生物降解的研究表明,当塑料中含有促氧化添加剂时,生物降解最初非常快,这很可能是由于微生物快速消耗了低分子量塑料碎片。

可生物降解添加剂的测试

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测试方法

可以对某种塑料进行多项测试,以确定潜在的添加剂是否会提高其生物降解性。

比较在整个降解过程中使用和不使用潜在可生物降解添加剂的塑料物理特性的变化,可以深入了解添加剂的功效。如果添加添加剂后降解受到显着影响,则可能表明生物降解得到改善。一些可以通过实验测量的重要物理特性是拉伸强度、分子量、弹性和结晶度。在潜在的微生物生物降解之前和之后测量塑料的物理外观也可以深入了解降解的功效。

热分析是表征降解对聚合物物理性质影响的有用方法。通过热重分析可以获得关于热稳定性和热分解动力学参数的信息。这些动力学参数提供有关分子链断裂的信息,这是降解的指标。通过测量熔融态和结晶态的焓,可以记录塑料结晶度含量的演变。结晶度的变化可以表明降解成功或不成功。塑料的层状厚度分布也可以使用热分析来测量。

确定生物降解功效的另一种方法是测量降解塑料的微生物产生的二氧化碳和/或甲烷的量。由于二氧化碳和甲烷是微生物降解过程的产物,空气中大量的这些产物表明合成塑料已被消耗并转化为能量。

测试环境条件

热氧化处理

合成塑料的热氧化处理可以复制塑料的使用条件(例如为水瓶储存水)。这些测试可用于在更短的时间内观察塑料在其使用寿命期间的变化,这对于自然观察塑料是必要的。使用特定仪器(例如HeraeusUT6060烤箱)控制典型的空气环境条件。

土葬

加速土埋试验用于通过复制垃圾填埋场(塑料的典型处置场所)的条件来记录塑料在地下的降解过程。这些测试在材料的使用寿命耗尽后使用,材料的下一步是处理。通常,样品在生物活性土壤中埋藏六个月,然后暴露在空气中以确保有足够的氧气,以便发生有氧降解机制。实验条件必须密切反映自然条件,所以要仔细控制土壤的水分和温度。还必须记录所用土壤的类型,因为它会影响降解过程。

环境影响

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目前,大面积的土地被塑料垃圾覆盖。可生物降解的添加剂将有助于加快塑料的生物降解过程,从而减少塑料堆积的频率。

可生物降解的添加剂有可能显着减少塑料在环境中的积累。塑料在日常生活中无处不在,每年都会大量生产和处理。在大多数消费品中可以找到的许多常见塑料,例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)和聚(对苯二甲酸乙二酯)都不可生物降解。此外,每年只有大约9-10%的废弃塑料被回收利用。不可生物降解的塑料会在环境中积累,威胁人类、动物和环境健康。

当前处理丢弃的塑料数量的解决方案包括燃烧塑料并将其倾倒到大片土地或垃圾填埋场。燃烧塑料会导致大量空气污染,对人类和动物健康有害。当倾倒到田地或垃圾填埋场时,塑料会导致土壤pH值发生变化,从而导致土壤贫瘠。此外,最终进入垃圾填埋场的塑料瓶和塑料袋经常被动物消耗,从而堵塞消化系统并导致死亡。

由于塑料消耗量的大幅增长,可生物降解的添加剂对于提高普通塑料的降解率变得越来越必要。目前的研究重点是寻找新的可生物降解添加剂,将降解过程从几十年到几百年缩短到几个月到几年的时间。


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词条目录
  1. 生物降解添加剂
  2. 可生物降解添加剂的类型
  3. 淀粉
  4. 生物强化
  5. 促氧化添加剂
  6. 可生物降解添加剂的测试
  7. 测试方法
  8. 测试环境条件
  9. 热氧化处理
  10. 土葬
  11. 环境影响

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