تاثیر PLA و Bio-PE در انتشار گازهای گلخانه ای

دسته: مقالات منتشر شده در 24 آذر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 622

چرخه حیات انتشار گازهای گلخانه ای و کاربرد انرژی پلی لاکتیک اسید، پلی اتیلن زیستی و پلی اتیلن فسیلی

اخیرآ بیوپلاستیک ها به جایگزینی جذاب، قابل دوام و مطلوب برای پلاستیک های نفتی معمولی تبدیل شده اند؛ با این امید که جایگزینی پلاستیک های مشتق شده از فسیل با نمونه های تجدید پذیر بتواند انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) و مصرف انرژی فسیلی (FEC) را کاهش دهد. صنعت بیوپلاستیک طراحی های خلاقانه و خواص بهبودیافته مانند زیست تخریب پذیری را ارائه می دهند که راه حلی پایدار برای مدیریت پسماندهای پلاستیکی در نظر گرفته می شود. با این حال، زیست تخریب پذیری به این معنا است که کربن موجود در محصول بعنوان GHG در جوّ منتشر می شود. در این مقاله، تجزیه و تحلیل چرخه حیات (LCA) در پلی لاکتیک اسید زیست تخریب پذیر (PLA) و پلاستیک های پلی اتیلن زیستی (bio-PE) برای درک اثرات زیست محیطی این بیوپلاستیک ها از تولید مواد اولیه تا پایان چرخه حیات محصول (EOL) انجام شد. بویژه اینکه، انتشارات ناشی از زیست تخریب پذیری (انتشار EOL) نیز به حساب می آیند. نتایج حاصل از این مطالعه با پلاستیک های فسیلی متداول مانند پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن چگالی کم (LDPE) مقایسه شدند. نتایج حاصل شده نشان داد که کمترین انتشار GHG و FEC از پلاستیک های زیستی، بویژه پلاستیک های bio-PE است. با این حال علیرغم مزایای جذب کربن بیوژنیک، با دفن زباله و کمپوست برای PLA انتشار چرخه حیات آن بطور قابل توجهی بسته به شرایط زیست محیطی از 16 درصد به 163 درصد افزایش می یابد.

 

پلاستیک ها نقش مهمی در جامعه مدرن دارند. تطبیق پذیری، دوام و وزن سبک به آنها اجازه می دهد تا کاربردهای گسترده ای داشته باشند؛ از ساخت و ساز گرفته تا بسته بندی مواد غذایی و پوشاک. تولید جهانی پلاستیک از حدود 1.5 میلیون تن در سال 1950 به بیش از 322 میلیون تن در سال 2015 افزایش یافته است. در سال 2017، 35 درصد یا 112 میلیون تن از تولید جهانی پلاستیک به ایالات متحده اختصاص داشت. انتظار می رود رشد صنعت پلاستیک در آینده نزدیک با تولید جهانی حدود 1.63 میلیون تن تا سال 2050 ادامه یابد. این رقم مشکلات قابل توجهی برای انسان، حیات وحش و محیط زیست به همراه دارد. آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) تخمین زد که میزان پلاستیک یافت شده در زباله های جامد شهری (MSW) در سال 1960 در ایالات متحده حدود 0.35 میلیون تن بود که تا سال 2015 به حدود 32 میلیون تن افزایش یافت. تولید پلاستیک در ایالات متحده عامل 1 درصد از کل انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) ایالات متحده و 3 درصد از کل انرژی مصرفی سالانه است. یکی از عوامل اصلی انتشار این گازها در طی تولید پلاستیک، مصرف منابع فسیلی است که هم بعنوان خوراک و هم بعنوان ورودی انرژی در این فرایند استفاده می شود؛ این امر به نوبه خود باعث توسعه محصولات جدیدی شده است که می توانند به صنعت پلاستیک پایدارتر کمک کنند. پلاستیک های جدید با خواص بهبودیافته مانند زیست تخریب پذیری، کمپوست پذیری، بازیافت پذیری یا مانع اکسیژن طراحی می شوند. برخی از این خواص برای تعیین پایان چرخه حیات (EOL) و دفع پلاستیک مهم هستند که برای دستیابی به صنعت پلاستیک پایدارتر مفید خواهند بود. امروزه پلاستیک ها را میتوان از منابع مشتق شدۀ فسیلی مانند نفت خام و گاز طبیعی، همچنین منابع مشتق شدۀ زیستی من جمله محصولات کشاورزی سنتی (مانند ذرت، دانه های سویا و نیشکر)، ضایعات کشاورزی (مانند ذرت یا چوب) یا دیگر جایگزین ها (مانند جلبک) تولید کرد. در حال حاضر، پلاستیک ها را باتوجه به منبع مواد اولیه میتوان بعنوان پلاستیک های متداول با پایه فسیلی یا پلاستیک های مشتق شدۀ زیستی (بیوپلاستیک) طبقه بندی کرد. پلی اتیلن (PE)، پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE)، پلی اتیلن چگالی پایین (LDPE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی بوتیلن (PB)، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی استایرن (PS) پلیمرهایی هستند که معمولآ با استفاده از منابع فسیلی تولید می شوند. با این حال، اعتقاد بر این است که 90 درصد از پلاستیک های جهان را میتوان بطور فیزیکی با بیوپلاستیک جایگزین کرد. بیوپلاستیک ها در حال حاضر تقریبا، 1 درصد (2.1 میلیون تن) از تولید جهانی را تشکیل می دهند. انتظار می رود ظرفیت تولید جهانی بیوپلاستیک تا سال 2022 با 19 درصد افزایش به 2.5 میلیون تن افزایش یابد و روند رشد 20-30 درصدی در سال ادامه یابد. بیوپلاستیک ها می توانند بطور بالقوه با جایگزینی مواد اولیه متداول مشتق شده از فسیل با جایگزین های تجدیدپذیر، کاهش انتشار GHG و استفاده از منابع تجدیدپذیر برای محیط زیست مفید باشند. از تحلیل چرخه حیات (LCA) میتوان برای ارزیابی مزایای زیست محیطی مرتبط با تولید بیوپلاستیک در طول زنجیره تأمین استفاده کرد. نتایج حاصل از LCA بیوپلاستیک به عوامل متعددی مانند نوع مواد اولیه و منبع، طراحی فرایند، فناوری تبدیل و انتخاب نهایی بستگی دارد.

 

در این مقاله، مقایسه LCA در HDPE و LDPE فسیلی با PLA بیوپلاستیک و پلی اتیلن زیستی (bio-PE) ارائه شده است. PLA یک پلی استر ترموپلاستیک آلیفاتیک خطی با سه شکل استریوشیمیایی است: پلی-ال-لاکتید (PLLA)، پلی-دی-لاکتید (PDLA) و پلی-دی-ال-لاکتید (PDLA). در حال حاضر تولید بیوپلاستیک بیش از 10 درصد تولید جهانی است و انتظار می رود این ظرفیت تولید در آینده نزدیک به میزان قابل توجهی افزایش یابد. PLA را میتوان با PP، PE، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) و سایرین جایگزین کرد زیرا خواص نوری، مکانیکی، حرارتی و مانع آن با پلاستیک های موجود در بازار قابل مقایسه است. PLA یک جایگزین بالقوه در کاربردهای پلاستیکی متداول مانند فنجان ها، بطری ها، بسته بندی، فیلم ها و منسوجات محسوب می شود. bio-PEاز پلیمریزاسیون گاز اتیلن با پایه زیستی بدست می آید. اتیلن را میتوان از اتانول هیدراتۀ کاتالیزوری تولید کرد که میتواند از منابع مختلف زیست توده مانند ذرت به دست آید. بیواتیلن را نیز میتوان در فرایندهای پلیمریزاسیون پلی اتیلن سنتی برای ساخت گریدهای مختلف پلی اتیلن مانند LDPE و HDPE استفاده کرد. برخی از نویسندگان اثرات زیست محیطی و انرژی بیوپلاستیک ها بویژه استراتژی های EOL برای کمپوست سازی، بازیافت و دفن زباله را در مقایسه با سوخت های فسیلی مورد بررسی قرار داده اند. برخی دیگر مزایای PLA برای تولید بطری از لحاظ صرفه جویی در منابع فسیلی و معایب ناشی از آسیب عمده به سلامت انسان و کیفیت اکوسیستم را ارائه دادند.

 

در اینجا، LCA برای bio-PE و بیوپلاستیک های PLA با دو LCA از دو پلاستیک فسیلی (HDPE و LDPE) بررسی و مقایسه شد. Bio-PE و PLA به دلیل پتانسیل بالایی که برای جابجایی پلاستیک های فسیلی در کاربردهای یکبار مصرف و ماندگاری کوتاه دارند، انتخاب شدند. فرایند تحلیل شامل سهم GHG از تولید مواد اولیه، تبدیل و تولید پلاستیک بود. علاوه براین، اثرات دفن زباله یا کمپوست PLA بر انتشار GHG نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج ارائه شده در اینجا معیارهای LCA(انتشار GHG و FEC) چهار مسیر پلاستیکی را مقایسه می کند که مزایای مسیرهای بیوپلاستیکی را نسبت به پلاستیک های فسیلی نشان می دهد زیرا بیوپلاستیک ها (bio-PE و PLA) از مواد اولیه کربن تجدیدپذیر برای تولید مواد پلاستیکی بجای مواد اولیه کربن فسیلی (در مورد HDPE و LDPE) استفاده می کنند. با این حال، با زیست تخریب پذیری PLA در سناریوهای EOL نتایج انتشار چرخه حیات PLA باتوجه به شرایط تجزیه بطور قابل توجهی تغییر کرد و زمانی که استراتژی های مختلف EOL با سناریوی دفن زباله بدون تجزیه زیستی مقایسه شد که از 16 درصد به 163 درصد افزایش یافت. یک پارامتر مهم در دفن زباله راندمان جمع آوری LFG بود که بسته به محل دفن زباله متفاوت است و به برنامه های نظارتی در مورد انتشار گازهای گلخانه ای در ایالات متحده بستگی دارد که اگر محل های دفن زباله کارایی بالایی در دفن زباله داشته باشند، میتوانند بهبود یابند. بنابراین، زیست تخریب پذیری میتواند تا حد زیادی بر انتشار GHG چرخه حیات از بیوپلاستیک ها مانند PLA که برای تجزیه در شرایط هوازی یا کمپوست طراحی شده اند تأثیر بگذارد. همچنین مشخص شد که الکتریسیته منطقه ای تأثیر زیادی بر انتشار GHG در چرخه حیات برای مسیرهای HDPE، LDPE و bio-PE ندارد. در مقابل، داشتن یک ترکیب الکتریسیته بر پایه انرژی های تجدیدپذیر بیشتر به انتشار GHG کمک می کند زیرا الکتریسیته نقش مهمی در این انتشار ایفا می کند؛ همانطور که در ساحل غربی ایالات متحده دیده می شود.