Science重磅：科学家发明实现“净零排放”的塑料生产方法

撰文：郝景
编审：寇建超
排版：李雪薇
不知道大家有没有感觉到，这几年的夏天似乎格外长，空调 WIFI 西瓜都无法拯救那些季月烦暑。
由温室效应导致的全球气候变暖已经严重影响到了人类的正常生活，对人类的生存产生威胁，为可持续发展带来严峻挑战。
塑料制品则是间接导致温室效应的重要原因之一。当前塑料制品生产占全球石油消耗的 6%，预计在未来的 30 年内将上升至近 20%，生产塑料和焚烧塑料垃圾会导致大量二氧化碳等“温室气体”的排放。
因此，为了达到全球气候目标（将本世纪全球气温升幅限制在 2℃ 以内，同时寻求将气温升幅进一步限制在 1.5℃ 以内的措施），在塑料经济中实现温室气体净零排放至关重要。
以往关于单独或者部分结合循环技术的研究表明，这些技术将大规模减少温室气体的排放。然而，没有研究确定如何结合循环技术来实现塑料的净零排放。
近日，来自亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的研究人员及其合作者，基于 400 多个代表全球 90% 以上塑料生命周期的技术数据集，提出了一个塑料生产和废塑料处理、自下而上的模型，并利用该模型预测了 2050 年塑料生命周期温室气体排放的五种不同途径。

相关研究论文以“Achieving net-zero greenhouse gas emission plastics by a circular carbon economy”为题，发表在权威期刊 Science 上。
研究结果表明，与当前“基于化石燃料的生产技术结合碳捕获和封存技术（CCU）”的方案相比，通过将回收、生物质利用和 CCU 技术相结合，可以实现塑料在生命周期中产生的温室气体的净零排放，而且能源需求和运营成本更低。
　　塑料问题由来已久

塑料是我们生活中最常见，却也最容易忽视的东西，但是现在塑料所带来的问题，却一点儿也不能被忽视。
自塑料被发明以来，其就以鲸吞蚕食之势席卷市场。从 1950 年到 2015 年，塑料制品的规模就从 200 万吨增加到了 3.8 亿吨，自然环境内的塑料污染不断增加。
然而，要想实现全球气候目标，需要在本世纪下半叶完成净零温室气体排放任务，因此必须减少塑料在生命周期中的温室气体排放。据论文描述，减少温室气体排放的战略包括从石油开采到塑料生产的塑料供应链能源的脱碳，以及循环技术的实施：
（1）化学和机械回收；
（2）生物质利用；
（3）碳捕获和利用-交换化石碳原料。
研究人员表示，通过机械和化学循环的循环途径，与线性碳途径相比，减少了 30 亿吨二氧化碳当量或 64% 的温室气体排放。
通过生物质途径可减少多达 45 亿吨二氧化碳当量，而塑料垃圾和生物质为转化提供了足够的碳和能量，CCU 技术则需要低碳足迹的电力来减少温室气体排放。
总体来说，仅仅基于回收利用、生物质利用或 CCU 的塑料无法达到温室气体净零排放，即使是基于风力发电（不需要化石燃料发电，风能是一种清洁无公害的可再生能源）。

图｜2050 年全球塑料温室气体排放量通过四个循环途径的减少。（A）从“摇篮到坟墓”的四种途径循环、生物质、CCU 和最优循环碳途径的生命周期GHG排放量减少。（B）线性碳路径和四个循环路径的剩余 GHG 排放量，取决于电的碳强度。（C）以循环碳路径百分比表示的最佳碳输入。
相比之下，以风力发电为前提，将回收、生物质利用和 CCU 优化结合的循环碳途径可减少塑料的温室气体排放，相当于 47.3 亿吨二氧化碳当量。

图｜风力发电循环碳路径的原料供应和废物处理，每千瓦时 7 克二氧化碳当量，线宽和相应的值表示流量的碳含量（百万吨碳）。
然而，这种循环技术实际的可行性将很大程度上取决于可再生资源的可用性。这就出现了两个问题：
（1）是否有足够的可再生资源来满足全球塑料需求？
（2）与其他净零排放塑料的途径（如 CCS）相比，循环碳经济的表现如何？
研究人员表示，资源需求可以在生物质和可再生电力之间转换，因为 CCU 和生物质都可以实现净零排放塑料结合回收。
为了更好地理解可再生能源的需求，研究人员将其与线性碳排放方式进行了比较，线性碳排放方式需要 47 亿吨的二氧化碳储存才能实现塑料净零排放。在这种情况下，需要 76.9 EJ（10^18 焦耳）的化石能源和 1.9-33.9 EJ 的 CCS 额外电力。
而将回收途径与 CCS 相结合，可进一步降低能源需求，以实现塑料净零排放。

图｜2050 年实现塑料净零排放的生物质和电力需求。循环碳途径的数据与线性碳和 CCS 循环碳途径的数据，CCS 的范围反映了不同的二氧化碳来源，线性碳能源需求是以化石资源为基础的，化石资源在能源基础上被转化为生物质和电力。
总体来看，研究人员认为，使用现有商业化的技术可以实现净零排放塑料。
为了实现这一目标，研究人员确定了实现塑料净零排放所必需的两项关键技术变革：
（1）提高塑料回收率和供应更多的塑料废料原料；
（2）根据当地可再生电力和生物质的可用性部署 CCU 或生物质技术。
　　全球变暖危害近在咫尺

根据《2020 全球气候报告》显示，自 1850 年（工业化前）到现在为止，全球的平均温度已经上升了 1.2℃，气候变化带来的影响已经波及到了世界各地，包括冰山融化、毁灭性热浪以及强烈的风暴等极端天气。

图｜五组全球温度数据集的全球年平均气温与工业化前的差异。
对于应对全球的气候变化的问题，世界各国在 2015 年达成了《巴黎协定》，该协议设定了在本世纪末将全球升温控制在 2℃ 以内的目标。
而控制升温的最主要问题就是控制温室气体的排放，截至 2020 年，全球二氧化碳排放量已达 375 亿吨，已达到 450 万年以来的最高值，而且温室气体的排放量还在持续上升。
面对全球变暖，很多人都不以为意，认为这些似乎并没有影响到自己的切身利益。
但是，当前全球出现的各种问题，比如干旱、缺水、重大火灾、海平面上升、极地冰层融化、风暴以及生物多样性的减少，无不警示着我们全球升温带来的灾难性的后果，气候变化已经影响到我们的健康、粮食生产能力、住房、安全和工作。
事实上，如今生活在小岛屿国家和其他发展中国家的人们在气候变化面前已经显得尤为脆弱，而“气候难民”的数量预计会在未来继续增加。
如果我们仍旧不注意节能减排等问题，就会像美国电影《后天》中展示的那样，由于温室效应造成全球变暖，地球进入下一个冰川期，给人类带来毁灭性的灾难。

参考资料：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9853
https://www.un.org/zh/climatechange/paris-agreement
http://download.caixin.com/upload/1264_Statement_2020_en.pdf
https://www.un.org/zh/climatechange/what-is-climate-change

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