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二氧化碳基可降解塑料生产技术与投资分析
摘要：二氧化碳和环氧丙烷在催化剂作用下共聚可得到二氧化碳基生物可降解塑料。文章介绍了二氧化碳基生物可降解塑料的性能、生产技术现状和市场前景。对利用环氧丙烷生产二氧化碳基生物可降解塑料的工业化装置进行了投资分析，并提出了建设该项目可能遇到的问题。
关键词：环氧丙烷 , 二氧化碳 , 共聚 ,可降解塑料
1 二氧化碳基可降解塑料简介
二氧化碳基生物可降解塑料是一种二氧化碳基聚合物。二氧化碳基聚合物是二氧化碳和其他单体在催化剂作用下共聚所得的高聚物。最具有工业化价值的是由二氧化碳与环氧化物共聚所得的脂肪族聚酯。目前已批量生产的二氧化碳基塑料原料主要有二氧化碳/ 环氧丙烷共聚物、二氧化碳/ 环氧丙烷/ 环氧乙烷三元共聚物、二氧化碳/ 环氧丙烷/ 环氧环己烷三元共聚物等品种。[1]
二氧化碳和环氧丙烷在催化剂作用下共聚可得到交替型脂肪族聚碳酸酯。这种聚合物具有良好的环境可降解性。既可高效利用二氧化碳，变废为宝，又具有良好的阻气性、透明性，并可完全生物降解，有望广泛应用在一次性医疗和食品包装领域。
二氧化碳基塑料使用后产生的废弃物，可以通过回收利用、焚烧和填埋等多种方式处理，废弃的二氧化碳基塑料可以像普通塑料一样回收后进行再利用；进行焚烧处理时只生成二氧化碳和水，不产生烟雾，不会造成二次污染；进行填埋处理时，可在数月内降解。
二氧化碳基降解塑料属完全生物降解塑料类，可在自然环境中完全降解，可用于一次性包装材料、餐具、保鲜材料、一次性医用材料、地膜等方面。二氧化碳降解塑料作为环保产品和高科技产品，正成为当今世界瞩目的研究开发热点。利用此技术生产的降解塑料，不仅将工业废气二氧化碳制成了对环境友好的可降解塑料，而且避免了传统塑料产品对环境的二次污染。它的发展，不但扩大了塑料的功能，而且在一定程度上对日益枯竭的石油资源是一个补充。因此，二氧化碳降解塑料的生产和应用，无论从环境保护，或是从资源再生利用角度看，都具有重要的意义。[2]
2 国内外技术进展
在催化剂的作用下，环氧丙烷与二氧化碳共聚得到聚碳酸亚丙酯，副产碳酸丙烯酯。反应式如下：
聚碳酸亚丙酯
碳酸丙烯酯
环氧丙烷
催化剂
如何提高聚碳酸亚丙酯的选择性，降低副产物产率是科学家研究的重点。 2.1 国外技术进展
美国、韩国、日本、俄罗斯和我国台湾的科学家在二氧化碳基聚合物领域进行了大量的研发工作。
将二氧化碳与环氧丙烷（PO）共聚的技术于上世纪60年代首次发现，但是由于副反应生成环状丙烯碳酸酯（CPC）而未能推向商业化，该副反应导致不稳定的低分子量共聚物生成。现在，由日本东京大学工程学院化学与生物技术系Kyoko Nozaki教授开发的新催化剂基本上解决了这一限制。新催化剂为含有2个醋酸酯配合基的双-（哌啶基甲基）-羟碘钴(III)络合物，它由醋酸钴与对应的双水杨叉二胺反应合成，随后在过量醋酸和空气存在下进行氧化而成。该催化剂可使CO2与环氧化物，如环氧丙烷、环氧1-丁烷和环氧1-己烷反应可选择性地生成共聚物。例如，该催化剂可用于使CO2与环氧丙烷分子制取共聚物，其平均分子量为26500。反应发生在DME（1,2-二甲氧基乙烷）溶剂和1.4 MPa CO2条件下，产率为99%，选择性为97%。环状碳酸丙烯酯的生成则受到抑制。这类共聚物的商业化生产为利用CO2提供了机遇，从而可减少这种温室气体排向大气。该项目研究从CO2与环氧化物制取脂肪族聚碳酯的商业化开始着手。得到日本新能源与工业技术开发组织的支持，并有日本3家大学（包括东京大学）和4家公司参与。美国在此基础上通过改进催化剂，于1994 年生产出二氧化碳可降解共聚物。国外开展该项工作的研究单位主要有：日本东京大学、波兰理工大学、美国Pittsburgh 大学和Texas A&M 大学、日本京都大学、埃克森研究公司等。美国空气产品与化学品公司和陶氏化学公司已合成出相应的产品。到目前为止，只有美国、日本和韩国等
生产二氧化碳降解塑料，美国年产量约为2 万吨，日本、韩国也已形成年产上万吨规模。[2]
[3]
二氧化碳作为合成高分子材料的单体的研究工作受到了世界各国广泛的重视。二氧化碳
与环氧丙烷共聚物类的脂肪族聚碳酸酯是二氧化碳合成高分子材料领域的一大亮点。这类材料具有生物降解性能，不仅解决了当前塑料制品难以降解而导致的白色污染问题，也减少了二氧化碳的排放。作为一类新型的脂肪族聚碳酸酯，二氧化碳与环氧丙烷共聚物具有透明性、生物降解性和氧气阻隔性能等特点，但是其性价比依然有待于大幅度改善，才能满足实际应用要求，今后仍需开展更深入的工作，推动二氧化碳基塑料实现真正大规模的实际应用。 2.2 国内技术进展
在国内，自上世纪90年代起，中科院广州化学所、浙江大学、兰州大学、中科院长春应化所相继开展了二氧化碳固定为可降解塑料的研究，并取得可喜进展。目前我国开发成功的二氧化碳降解塑料技术主要有3种，即中科院长春应用化学研究所的以稀土配合物、烷基金属化合物、多元醇和环状碳酸酯组成的复合催化剂为核心的高效脂肪族聚碳酸酯制备技术；中科院广州化学所的以纳米催化剂为核心的二氧化碳与环氧丙烷反应生产全降解塑料技术；广东中山大学的以高效纳米催化剂为核心的环氧丙烷高效合成聚碳酸亚丙酯树脂技术。
（1）2001年中科院长春应化所着手进行二氧化碳的固定及利用的工业化研发工作，与蒙西高新技术集团公司合作，经过3年攻关，建成了世界上第一条3000 t/a“二氧化碳基全降解塑料母粒”工业示范生产线。该工程由内蒙古轻化工业设计院设计，采用中科院长春应用化学研究所技术，生产规模为3000 t/a。据称其产品可望部分取代聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等医用和食品包装材料，并可用于一次性食品和药物包装。
截至2017年已实现运行13年多，共生产50000多吨产品，各项技术指标均达到世界领先水平。这标志着该公司二氧化碳基生物降解塑料技术跻身世界前列。该生产技术为蒙西集团与中科院长春应用化学研究所合作开发，已通过中科院高技术研究与发展局组织的专家验收和科技部“863”项目验收。同时，在二氧化碳共聚合催化体系、聚合方法等方面，蒙西集团已获授权美国专利2项、中国专利3项，建立了比较完备的自主知识产权体系。该项目取得了3项世界第一：在国际上首次解决了二氧化碳共聚物的冷流难题；率先开发出具有生物可降解性能的高阻隔薄膜材料；获得全球首个二氧化碳共聚物医用可降解材料生产许可证。该所已完成3万吨/年生产线工艺包设计。
（2）由江苏中科金龙股份公司与中科院广州化学所联合研制的以CO2为原料制备完全