技术流|食品包装回收(3):新技术的前景与可持续的未来

作者:Mona Arnold, VTT 芬兰国家技术研究中心 翻译:周利亚 朱怡 校核:万嘉瑜

2022-04-22 09:02 来源:澎湃新闻

字号
疫情之下,足不出户。在家中备好一段时间的食品,成为许多城市居民必须考虑的事情。基本的安全感来自那些保质期较长的食品,如罐头、香肠、榨菜、方便面、盒装牛奶等。它们之所以能够较为长久储存,实则有赖于那层妥当的食品包装。实际上,就连那些团购到的肉蛋蔬果,也是经过了包装处理,才能经由物流颠簸进入家家户户。
可以想像,如今上海许多居民家中,每日所产生的大部分垃圾,正是这一类的食品包装。由于沾染到食物油脂,或是多层复合难以分解,在经过消费使用后,它们也许会被分类到干垃圾中,进入焚烧的系统。
实际上,无论是否处于疫情,食品包装都在我们生活中起着极大作用。得益于食品工业技术发展,我们有了更多保管食物的办法。当食物被我们取用,这些食品包装便完成了使命,变成需要丢弃的垃圾。也许,在家坐享其成之时,正好顺便认真思考,我们如何才能更好地对它们负责。
近日,芬兰国家技术研究中心(VTT)发布了一份《食品包装回收:现状和展望(Recycling Food Packaging)》的报告,其中概述了欧洲和美国的回收现状,以及影响回收率的社会和技术因素。报告还介绍了新近的食品包装回收技术创新,并重点解析那些未来五年内有望商业化的解决方案。
该研究报告受全球可持续包装解决方案提供商 Huhtamaki普乐集团的委托,旨在建立食品包装回收再生系统,为来自行业、社会和政府的利益相关方的通力合作提供参考。Huhtamaki普乐集团认为,仅生产可回收产品是不够的;它们需要被回收。凭借百年历史和北欧传承,Huhtamaki普乐集团计划,到2030年实现碳中和生产,并将100%产品设计为可回收、可降解或可重复使用。

今天是4月22日世界地球日,澎湃市政厅联合Huhtamaki普乐集团发布该报告的最后一部分,即介绍当下已告成熟的与正在探索的塑料回收路径,包括物理回收、化学回收与PET的回收,并总结讨论扩大包装回收利用规模的主要障碍与市场前景。
塑料包装回收
欧洲每年产生近3000万吨塑料废弃物,且数量还在增加。食品包装占这些塑料废弃物的近60%(Åkerman 和 Sundqvist-Andberg,2021)。单独收集时,使用过的包装通过物理热处理回收用于生产塑料颗粒(物理回收),或通过将聚合物结构分解为化学品或单体/低聚物(化学回收),物理回收工艺在全球已成熟,而化学回收现在才开始全面商业化。
物理回收
塑料物理回收是指,在不明显改变材料化学结构(研磨、洗涤、分离、熔化、复合和造粒)的情况下,将废旧塑料制品加工成二次原料。目前,它是欧洲回收塑料废弃物的主要方法。对聚丙烯 (PP)、聚乙烯 (PE) 或聚乙烯、对苯二甲酸酯(PET)等,它是一种成熟的塑料材料回收技术。
为保证再生料的质量,物理回收需精细分类成单类聚合物。因此,多层和复合包装通常不被现有回收体系接受。

多层复合材料的物理回收
APK公司的Newcycling®技术,是为数不多的已具商业规模的多层塑料的物理回收工艺之一,这是一种基于溶剂的回收工艺。它能在复合材料中选择性溶解所需聚合物,进而从多层复合材料及其他混合塑料中提取出所需的聚合物种类,获得可重新用于包装的LDPE,并去除气味和杂质。
APK在德国拥有一家商业化运营的回收设施,专门生产塑料颗粒,年产能8000吨。APK还计划在2022-2023年扩建一个年产能约20000吨的生产设施。另一个后起之秀是西班牙的Repetco公司,开发了一种使用加压蒸汽分层的工艺,用于PE-PET复合材料的回收。该公司正在西班牙阿尔巴塞特建造一座工厂,计划2022年底运营,预计年产能45000吨的rPET。


化学(高级)回收
化学回收(在美国也称高级回收)目的是将塑料废弃物转化为化学原材料。它是一种化学或热化学过程(例如热解),其中聚合物的化学结构发生变化,转化为化学结构单元,包括单体、低聚物和高级烃,用作制造新产品的原材料,而不是用于生产燃料或能源。化学回收工艺不如物理回收工艺成熟,但行业合作和投资正在形成。根据2019年的一份报告,有超过 40 家的化学回收工厂在商业运营(Closed Loop 2019)。
“化学回收”一词,意味着经由各种技术,即经由热、压力、耗氧、催化剂和/或溶剂的某种组合,将塑料废弃物分解成燃料或新塑料的构件。例如,热解和气化使用热量来分解塑料,并隔绝氧气以防止燃烧。其他技术以溶剂为基础,如溶剂分解。
在欧洲,一些化学回收厂已作为试点或小型商业工厂启动并运行,生产的再生材料也已获得REACH批文。围绕塑料废弃物的化学回收技术发展突飞猛进,未来5年将取得重大进展。其主要基于热解技术,即在无氧的环境热条件下将材料气化。这项技术可将生物废弃物和塑料废弃物分解成有价值的基础化学材料,用来制造新产品。
化学回收工厂
Plastic Energy是主要的化学塑料回收技术供应商之一。它在西班牙经营两个示范工厂,每个工厂年产能5000 吨。其热解能产出80-85% 的TACoil、15%的合成气和少量的炭,都可作为工业原材料。Plastic Energy已与多家(石油)化工公司合作,建立合资企业或作为签约用户,如沙特基础工业、埃克森和道达尔。在法国、西班牙、荷兰和美国(德克萨斯州),至少有六家工厂正在建设或处于规划阶段,每年共可处理15000-33000吨塑料废弃物。预计实施时间为2022-2024年。TACOil回收油已通过REACH化学品认证,符合欧盟食品接触材料法规。它已用于联合利华的Magnum 和 Knorr品牌(图6)。图6 使用TACoil原料的食品级包装(Monreal 2020)

图6 使用TACoil原料的食品级包装(Monreal 2020)

Brightmark公司在美国印第安纳州的一座年产能10万吨的热解工厂即将完工,并在韩国建设另一座工厂。下游客户分别为英国石油和SK Global Chemical。BlueAlp和Pryme的化学回收荷兰工厂计划在2023年和2022年投产,年产能分别为30000吨和60000吨(Mapleston 2021a),客户为壳牌石油。
水基技术
除了热解之外,水基回收技术也在不断发展。原理是,在较低温度中,不使用溶剂来完成回收,以降低生态足迹。总部位于英国的Mura公司与陶氏化学将在2022年完成其在德国的四条HydroPRS Cat-HTR™生产线中的第一条,年产量20000吨。Mura公司与三菱合作,预计2023年建成类似规模的工厂。该技术利用超临界水、热量和压力,将废塑料转化为有价值的化学原料和基础油,通过分解长链碳氢化合物提供氢气,来生产短链、稳定的碳氢化合物产品用于化工行业。
Aduro Clean Technologies 是拥有水基技术专利的加拿大公司,通过化学回收塑料,并将重质原油和可再生油转化为更高价值的燃料和其他回收化学品。Aduro将与Brightlands 合作,在荷兰林堡建成一座示范工厂,该工厂应用Aduro Hydrochemolytic™技术 (HTC),以每天一吨的规模,展示聚乙烯 (PE) 废弃物转化为化学原料的过程。与更传统的精炼技术(如热解和气化)相比,据报道,HCT的优势在其较低的操作温度(240-390°C)且不依赖氢气生产,因而更受青睐(Canadian Plastics 2021)。
催化热解
美国Anellotech公司的 Plas-TCat 技术使用一步反应的热催化工艺,将一次性塑料废弃物直接转化为基本化学品,如苯、甲苯、二甲苯 (BTX)、乙烯和丙烯,并用于塑料生产。该公司与R Plus Japan Ltd. 和日本的塑料废弃物回收组织合作,预计2027年这种回收技术有望商业化。由于不使用催化剂,可无需使用蒸汽裂解器升级热解产品以获得所需成分。(混合)塑料废弃物的非催化热解也是同理。非催化热解通常产生很大比例的蜡,从而限制其在后续(石油)化学工业中的直接使用,并令整个再生过程的环境足迹增加。
PET的回收
目前,大多数食品级再生聚合物是聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。
PET 通过清洗和重新熔化进行物理回收的方式已商业化,也可通过化学方法将其分解成其成分材料,用于制造新的PET树脂。
分拣之后,回收PET被研磨成碎片。碎片的纯度对保证再生塑料的价值至关重要。进一步的分离技术包括水洗和气选,以及在水中基于密度的浮选,即根据材料下沉或漂浮来分离杂质。
完成研磨、洗涤和分离后,对材料进行彻底冲洗,去除残留的杂质或清洁剂。在进一步加工(通常是熔化和挤出)前还需烘干。
熔化过滤可以通过去除之前分选中残留的非熔体污染物,进一步纯化材料。挤出的材料通过一系列筛网,形成颗粒,而未熔化的颗粒阻挡在筛网之外。颗粒状的塑料尺寸均匀,可重新引入制造过程(LeBlanc 2020)。
作为物理回收的替代方案的解聚技术,虽已建立了食品级加工流程,加工效率一直提高,但仍在开发中。瑞士公司 Gr3n 正开发微波技术来解聚 PET。目标是2024 年底前建成一个年产能3万吨的示范工厂(Mapleston 2021b)。Ioniqa 在荷兰拥有从 PET 瓶中提取单体材料的生产厂,年产能1万吨。此过程中,PET 是一种解聚工艺,使用溶剂(糖酵解)和可重复使用的离子铁磁催化剂(Vilaplana 等人,2014 年)。此外,加拿大 Loop Industries 的工艺,使用溶剂和催化剂进行解聚(Essaddam 2017)。该公司正与 SK Global Chemicals合作扩大规模,在韩国蔚山建设一家工厂,计划2022年投入运营,预计产量70000吨/年。Loop还与苏黎士合作,目标是在欧洲建立一个制造工厂,预计2023年投入使用(Mapleston 2021b)。
法国的Carbios正扩大特殊酶解聚PET工艺的应用规模。目前正处于示范阶段(单次可循环2吨),目标是在2025年建成4万吨/年的工厂。
PET 的工业应用众多,许多包装和纺织品牌,已承诺增加再生PET在其产品中的比例。 其中可口可乐计划,到2030年,在其饮料容器中使用50%的再生PET。公司越来越认识到将PET回收到食品级产品中的紧迫性。再生PET原料供应正成为一个挑战,而再生工厂的PET废弃物原料质量普遍变低。与此同时,美国的回收率近年来一直持平或下降。
讨论
有迹象表明,扩大包装回收的规模面临多方面挑战,这些挑战越来越受到关注,我们也致力于克服它们。新指令新法规以及跨国公司,就可回收包装以及使用回收材料和可持续设计做出承诺,一方面已建立了回收和再生的行业合作平台,另一方面已创建了回收材料的潜在下游用户群体。
然而,扩大包装回收利用规模的主要障碍,不仅是回收能力,还有收集和分类基础设施。在许多国家,这类基础设施仍然不足。
此外,收集废弃物的基础设施到位时,只有消费者积极参与其中,并对环境意识和相关信息有基本了解,系统才会有效。回收利用的先决条件是对产生的废弃物单独分类收集;在这里,该系统很大程度上依赖于消费者和企业对废弃物分类的动力。尽管有意愿,但实际对可回收废弃物进行分类的消费者比例较低,而分类的可回收物通常含有大量不可回收的杂质(CITEO 2021,HSY 2019)。
实际的回收过程,预分类必不可少。大多数回收过程会产生一定比例废料,即收集到的不适合或严重污染的部分,例如含卤素的部分,这些会转移到回收物中,降低进一步使用的价值。在废弃物的物理回收处理中,这一比例可高达总原料的30%。废料可通过化学回收,进一步循环再生。化学回收可用于更多不同品类原料的再生,然而,化学回收并非万能,仍需对废弃物预筛选,才能生产符合工业(再)使用质量标准的再生产品。回收流程本身与下游流程(蒸馏、卤素去除等)都会产生一定废料。因此,以当今现有技术,包装回收理论上甚至不能做到完全回收。比较投放市场的包装量与再生产品,很明显,实际的平均回收率远低于官方报告水平。在欧盟,当前的国家级报告,将从关注产生的包装量与收集的废弃物,转向剔除不符合处理条件的收集量的比例。提高实际回收率,是整个欧盟面临的挑战。
与此同时,可回收设计也被包装制造商重点提上日程,行业参与者加快了高潜力循环技术的发展。在包装层面,目标是设计包装,使其具备(IK 2021):
可被消费者收集——这意味着,它可以被消费者清楚地识别为塑料包装;
可被再生工厂识别——这意味着,它最终能被分拣到相应的可回收物部分;
可通过最先进的回收技术被再生——因此可根据市场需求生产再生材料。

改进回收过程(尤其是与混合塑料废弃物有关)的关键,是未来的分拣技术。例如数字水印、视觉识别或光学追踪剂。所回收技术都需要一定的投入量,才能生产出符合质量标准的再生材料。这会导致产生残差,现有技术无法进一步处理。未来,随着回收量增加,在经济和技术上,不同技术部署的有效层级联动,预计是可行的。
目前,仅有一小部分再生材料获批用于食品接触,主要是再生的PET,不包括纸和纸板,但回收的纤维用于制造其他包装、软纸巾等。
随着目前化学回收的快速发展和新设施的建设,预计欧洲将在未来2-3年达到20万吨/年以上的综合产能,是美国的两倍以上,这将有力拉动再生食品级塑料市场。化学回收厂也将能处理多层材料,因为成规模的物理回收方法对多层材料几乎束手无策。全球范围内,化学回收是新鲜事物,针对这一技术,提供废弃物原料的基础设施,仍有很长的路要走。实际上,当前的技术供应商和投资者,通常与原料供应商(废弃物管理组织)合作,以确保其设施的原材料安全。
化学回收是更复杂的过程,与物理回收相比,通常需要更大的投资和更高的能源。化学回收可能不会成为未来塑料回收的主要途径,但可为废塑料的回收做出重大贡献,特别是对于不符合物理回收要求的部分。
为保证再生材料的可持续性,包装行业普遍采用ISCC plus认证。它通过质量平衡方法,保证了包装中使用材料的准确性和完整的可追溯性,并确认加工的材料实际来自可持续(回收或可再生)来源。
总体而言,当今的回收行业充满活力。随着向可持续实践的转变,以及自动化技术的应用,废弃物行业的高潜力回收技术也在加速发展。其技术、经济和可持续的可行性都将提升,并推动整个价值链条上的参与者在其商业模式中更多采用可持续的举措。
(本文特向相欣奕老师致谢)
(本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
责任编辑:王昀
图片编辑:陈飞燕
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 食品包装,垃圾分类,垃圾回收,双碳,碳中和

相关推荐

评论()

热新闻

澎湃新闻APP下载

客户端下载
关于澎湃 在澎湃工作 联系我们 广告及合作 版权声明 隐私政策 友情链接 澎湃新闻举报受理和处置办法 严正声明