工業(yè)生產(chǎn)工廠是2014年二氧化碳（CO2）排放的第三大來源。人們對將原材料從化石燃料轉向生物燃料越來越感興趣，例如生物塑料以減少溫室氣體排放。目前，對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶的全球產(chǎn)量可達每年15噸，約占全球一次能源消耗的0.2%。聚乙烯呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）高溫條件下性能依舊保持優(yōu)越，逐漸取代PET，占全球塑料產(chǎn)量的5.9%.因此PEF是其基于化石PET的可再生解決方案。然而，由于其冗長且耗能的生產(chǎn)過程，PEF尚未在商業(yè)規(guī)模上建立。英國杜倫大學A. J. Smallbone團隊在Nature Sustainability期刊上發(fā)表PEF plastic synthesized from industrial carbon dioxide and biowaste，他們對由工業(yè)CO2排放和非食品來源的生物質(zhì)為原材料產(chǎn)生的PEF進行新研究，并在工業(yè)規(guī)模上評估新的PEF生產(chǎn)途徑，包括二氧化碳排放、能源消耗、環(huán)境影響和生產(chǎn)成本，從而彌補生物廢料和碳利用方面的知識缺口。
要點：
1.新PEF途徑的溫室氣體排放量和能耗在其他生物塑料的范圍內(nèi)。這在現(xiàn)在或將來缺乏初級食品的國家中具有很大的優(yōu)勢。
2.通過使用這種新途徑，與PET生產(chǎn)相比，GHG排放和能源消耗最多可減少40.5％。
3.通過優(yōu)化設計和成熟技術可以降低PEF生產(chǎn)成本，新的PEF生產(chǎn)途徑不僅為工業(yè)區(qū)內(nèi)的生物質(zhì)再利用提供了可行的解決方案，而且能夠減少溫室氣體排放及總體碳足跡。
1.PEF傳統(tǒng)生產(chǎn)途徑
生物基2,5-呋喃甲酸(FDCA)是生產(chǎn)PEF的重要組成部分。產(chǎn)生PEF和FDCA的各種途徑如圖1所示。一種傳統(tǒng)的PEF生產(chǎn)方法是將從植物中提取的果糖轉化為FDCA，隨后與乙二醇（EG）發(fā)生反應。聯(lián)合使用石油化工產(chǎn)品和生物基產(chǎn)品可節(jié)省約50%的能源并減少約14%的CO2排放，而生物塑料產(chǎn)品可減少約14%的能源和CO2排放。
2.PEF的新生產(chǎn)途徑
圖1中從工業(yè)CO2和生物廢料生產(chǎn)PEF的新路線包括四個轉換步驟：從木聚糖到糠醛，再到FC，再到FDCA，最后到PEF。前兩個步驟已經(jīng)非常完善，而最后兩個步驟目前處在實驗和試驗工廠研究階段。PEF的新生產(chǎn)途徑是由工業(yè)排放的CO2和以糖和葡萄糖為原料的5-羥甲基糠醛（HMF）制成PEF，具有能耗低，轉化效率高的優(yōu)點。圖2為從木聚糖到糠醛、FC、FDCA、PEF的新生產(chǎn)分步流程圖。
3.新工藝可行性分析
溫室氣體排放量（GHG）和能源消耗
與其他生物塑料相比，新PEF生產(chǎn)途徑每生產(chǎn)一噸PEF可減少高達1.86噸的溫室氣體排放。在能耗方面，利用乙二醇的玉米PEF生產(chǎn)途徑能耗最低，改善最顯著(與PTT相比，下降了40.5％）。使用石油化工生產(chǎn)的乙二醇的PEF生產(chǎn)途徑能耗低（PEF生產(chǎn)為58 GJ 每噸）。此外，由于生產(chǎn)途徑中消耗CO2，溫室氣體減排與能源消耗并不成正比。PEF生產(chǎn)還可以利用其他可再生能源(例如太陽能、風能和地熱能)進一步減少溫室氣體排放，這些能源可以完全或部分替代研究中使用的熱電聯(lián)產(chǎn)。
環(huán)境影響
作者以非生物耗竭值(化石)、全球變暖潛力（GWP）和人類潛在毒值為指標評估生命周期影響評估（LCIA）結果以及各個生命周期階段的貢獻。這三個影響在很大程度上分別歸因于運行PEF工廠所需的天然氣生產(chǎn)過程、CHP系統(tǒng)的運行和維護以及生產(chǎn)PEF所需的乙二醇生產(chǎn)過程。結果證明，人類潛在毒值由PEF營階段造成的。作者還在11種情況下進行敏感性分析，以評估LCIA結果的敏感性，表明由1 噸 PEF生產(chǎn)CHP, CO2和天然氣消耗的變化(10％)對生物耗竭值(17％)和GWP(7％)的LCIA結果的影響顯著。這種變化主要是非生物耗竭引起的。作者認為，熱電聯(lián)產(chǎn)對電力供應和天然氣消耗的影響比再利用的CO2的影響要多；使用CO2生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物可以減少但不能完全抵消生產(chǎn)過程中消耗電力和天然氣的環(huán)境影響。在整個生產(chǎn)中，二氧化碳的利用率是14.12%。
資本投資與回收
PEF的資本支出比例因子在0.5到0.9之間，資本投資范圍為237.8-2.818億美元。PEF市場價格越低，投資回收期就越長，但由于PEF生產(chǎn)途徑?jīng)]有商業(yè)化，且存在技術障礙，PEF市場價格不能與PET一樣低，否則，投資回收期將變得無法接受。PEF市場價格對投資回收期的影響比資本支出比例因子的影響更大。此外，利用工廠產(chǎn)能可以縮短投資回收期，隨著工廠產(chǎn)能的增加，投資回收期將顯著縮短，但當價格處于高位時，工廠產(chǎn)能對投資回收期的影響有限。
一個PEF瓶的生產(chǎn)成本
圖6顯示了在各種條件下的PEF生產(chǎn)成本。通過新途徑生產(chǎn)PEF的成本約為2435美元每噸，PET的生產(chǎn)成本是1800美元每噸。與新途徑生產(chǎn)PEF相比，增加了50%的二氧化碳排放費用。新PEF生產(chǎn)途徑使用99.5％的CO2作為原料。CO2可以從 PEF生產(chǎn)供應鏈和發(fā)電廠在內(nèi)的各種來源捕獲，也可以從工業(yè)廢氣中收集，兩種方式都需要一定成本。盡管如此，圖6b顯示了CO2價格對PEF生產(chǎn)成本有邊際影響，即CO2的價格對PEF的生產(chǎn)成本影響很小。新工藝采用抗沖改性的PLA，其剛度比高抗沖聚苯乙烯高，PEF瓶的厚度（0.66 mm）比傳統(tǒng)的高抗沖聚苯乙烯杯的壁厚（0.89 mm）薄。從消費者角度上看，即使很薄的PEF瓶同樣具有密封性好、抗甩耐用等優(yōu)勢。因此可以生產(chǎn)更薄的PEF瓶，從而導致相應的PEF瓶售價降低。通常情況下，1個237mL PET瓶的平均質(zhì)量為9 g，生產(chǎn)成本為0.162美元，9 g PEF瓶的生產(chǎn)成本可能與之相同，而1個PEF瓶的質(zhì)量可以降低至6.67 g 。
