加拿大达尔豪斯大学npj Materials Sustainability：塑料回收是灵丹妙药还是环境污染问题
成果简介
近日，加拿大达尔豪斯大学资源与环境研究学院Tony R. Walker及其团队在自然合作期刊（nature partner journals）中的npj Materials Sustainability上发表了题为“Plastic recycling: A panacea or environmental pollution problem”的观点论文。文章讨论了回收技术方面的重大进展、可回收性设计与受控化学品的使用，以及扩大再生塑料市场和遏制塑料泄漏到环境中的经济激励措施。此外，本文还重点介绍了一些新兴战略和具有法律约束力的国际政策工具，例如《全球塑料条约》，这些都需要进一步发展以减少塑料垃圾并提高塑料可回收性。
引言
塑料因其多样化的特性，在多个行业中替代了传统材料，如汽车、农业、电子和医疗保健等，其作用通常体现在减轻重量和提升性能。然而，塑料的广泛使用导致了全球塑料废物的激增，对环境和人类健康构成了极大威胁。迄今为止，全球已生产超过92亿吨塑料，其中69亿吨未被回收，而是被填埋或散步在环境中，造成了严重的经济损失和环境破坏。
为应对塑料废物问题，必须采取变革性措施，重新设计塑料产品，注重可持续性及生命周期末端处理。目前处理塑料废物的三种主要方法包括：垃圾填埋、焚烧转化为能源和回收利用（图1）。垃圾填埋不仅容量有限，还可能污染环境；焚烧方便但会产生有害气体；而回收利用虽然需要更多的劳动投入，但提供了解决全球塑料废物问题的机会。此外，新兴的碳捕获技术有望减少焚烧过程中的二氧化碳排放，为塑料废物管理提供了新的可能性。
图1 塑料生命周期（黑色）、不同的塑料废物处理方法（垃圾填埋、焚烧和回收）、回收方法（绿色）和实现可持续性的解决方案（蓝色）。
塑料回收涵盖了从废物收集到再加工成有价值产品的全过程。目前，机械回收是塑料废物管理的主要方式，其中聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是全球最常见的回收塑料。回收方法包括一级至四级回收，其中闭环回收利用高质量废物生产与元素了相同的产品，而开环回收则生产用于不同目的的产品，进入新的市场。
尽管理论上大多数聚合物都可回收，且部分塑料具有理想的循环生命周期，但塑料回收仍然面临多重挑战。这些挑战包括塑料产品结构的复杂性、市场因素导致原始塑料比回收塑料更便宜、环境与社会负面影响，以及全球政策的不一致性（影响闭环塑料回收的国际合作）。此外，化学回收虽然能有效处理混合塑料废物，但因高能耗和严格的反应条件而受限，且需要清洁下游产品以保护设备和保持产品价值。
为应对塑料废物问题，提倡减少塑料的生产和消费，并探索可持续的替代材料。同时，全球塑料条约等政策也在推动有效的塑料回收国际合作。
图文导读
塑料回收的挑战
尽管塑料回收被视为实现无塑料废物未来的关键途径，它面临的挑战也不容忽视。全球塑料回收率仅为9%，远低于应对塑料产量增长的需求。每年生产的超过4亿吨塑料中，超过一半是一次性用品，难以回收。塑料的聚合物特性和产品设计限制了其生命周期末端的可回收性，导致只有少数使用后的热塑塑料真正进入回收流程。
多种塑料在回收时不兼容，增加了成本并降低了回收的经济效益。聚合物相容剂的使用可以改善不匹配塑料废物流的相分离问题，提高回收效率。当前的回收技术主要针对热塑塑料，而忽略了许多缺乏循环设计的塑料类型，如热固性塑料。热固性塑料因其交联结构而难以回收，尽管可以将其磨成粉末用于降级应用，但其回收仍然需要与热塑塑料不同的方法。弹性体，尤其是轮胎，以及复合塑料，由于整合了纤维物质，回收时同样面临分离难题
首先，塑料成分的复杂性和化学添加剂的使用使得不同等级塑料难以一同回收，影响回收质量。其次，塑料废物的分类处理复杂，常因污染而难以有效回收，导致大量废物最终被送往填埋场或焚烧。此外，回收塑料通常只能经历有限的回收周期，且需要与原生材料混合以保持性能。
全球塑料生产主要依赖石油和天然气，2019年消耗了全球6%的石油产量。随着全球能源和交通部门的脱碳努力，化石燃料的可获得性增加，加剧了塑料生产对环境的影响。虽然生物塑料如生物PET和生物PE的开发旨在减少对化石资源的依赖和降低碳排放，但其有效回收同样关键，这可以有效避免废物问题和塑料污染问题。低成本化石燃料的存在阻碍了废物收集基础设施的建设，尤其在资金和规划不足的低收入国家，这对提升回收效率和建立更完善的废物管理系统构成了重大挑战。
因此，低回收率会造成再生塑料树脂供需失衡，影响其市场价值。现今技术如固态聚合有助于提升再生树脂的结构强度。然而，受污染的塑料废物限制了再生产品的使用，且高质量再生树脂的短缺阻碍了其在产品中的广泛应用。尽管如此，塑料回收预计到2030年能为实话和塑料行业带来高达600亿美元的利润。为了实现这一潜力，市场需要转向使用高质量可回收材料，并减少原生塑料的生产。
全球废物处理方法的不一致性和缺乏标准化是塑料回收面临的主要挑战。自1988年引入树脂识别码（RIC）以来，市场上出现了多种新塑料，凸显了更新和完善标签系统的必要性，标签系统应包括颜色等因素，以提高材料回收效率。此外，第三方认证的生态标签对于指导消费者和促进塑料回收至关重要。然而，一些产品使用误导性的环保声明，如“100%可回收”和“可降解”，这些未经科学验证的生命混淆了消费者，加剧了塑料回收的挑战。
回收对环境的影响
塑料使用量预计到2060年翻倍，这一增长受全球经济增长推动，但回收率的提升可能带来环境泄漏风险。2016年已有1.9-2.3千万吨塑料废物进入水生态系统，预计到2030年将增至5.3千万吨，且塑料污染已扩散至海洋、水生生态系统及农业土壤。尽管回收塑料能减少化石燃料消耗、电力使用和垃圾填埋，降低温室气体排放，但其环境影响需要全面评估。回收塑料相较于其他材料在生命周期评估（LCA）中显示出优势，但现有的LCA方法未能充分考虑塑料寿命末期释放的化学物质和颗粒的长期影响，这可能掩盖了塑料和回收对环境和健康的潜在成本。因此，评估原生塑料与再生塑料的真实生态足迹至关重要，以避免意外环境和健康风险。
回收设施是潜在的有毒和危险废物排放源，尤其是塑料回收过程中微塑料的释放问题尚未得到充分关注。尽管存在回收技术，但由于尺寸过小，微塑料难以通过现有方法回收。英国的回收设施约有13%的塑料以微塑料形式进入水体和空气。PET回收设施研究表明，废水和污泥中的微塑料释放量差异显著。微塑料的产生受塑料属性和环境影响。虽然回收设施配有过滤器，但它们并不能完全阻止微塑料的释放。
回收塑料中存在较高水平的有害化学物质，如溴化阻燃剂，这限制了其应用并带来健康风险。化学回收虽然能生产食品级塑料，但与原生塑料生产相比，成本较高且环境影响大。相比之下，机械回收对气候变化的影响较小。为减少环境影响，应限制废物运输和分类在封闭空间内进行，并处理废水以防塑料和化学物质泄漏。尽管回收率提高，但低等级聚合物的最终废弃仍对塑料循环经济和环境可持续性构成挑战。
低效的废物收集和分类需求导致必须将废物运输至专业处理设施，这不仅造成资源损失，也增加了碳排放。全球塑料废物贸易通常涉及将废物出口至低收入国家进行回收，但这种做法常常导致环境破坏和低回收率。从外部进入中国的废物由于进口禁令的存在，导致全球回收体系混乱。高收入国家转而将塑料废物出口至其他低收入国家，尤其是全球南部国家。这些国家因缺乏足够的回收设施，常常不得不露天倾倒或焚烧塑料废物，包括废物能源焚烧，造成严重的环境污染。
此外，进口的塑料废物往往质量低劣、受污染或标签错误，导致这些废物最终被填埋或焚烧，进一步加剧环境问题。例如，日本作为塑料的最大出口国，其再加工活动数量激增，而中国在进口禁令后增加了原生塑料的使用，这不仅改变了塑料废物的动态，也增加了碳足迹。这些变化凸显了全球塑料废物管理的复杂性和对环境的深远影响。
在《全球塑料条约》中实现塑料循环和塑料回收
全球污染问题日益严峻，主要由塑料的生产和消费引起。尽管塑料回收在废物管理中扮演着重要角色，但其并不能全面解决问题。塑料回收面临的挑战包括产品设计不足、混合废物处理困难、废物管理基础设施差异大、回收产品质量低、供需不匹配，以及环境、经济和社会影响。全球塑料回收率远低于纸张和金属，且化学回收对环境影响巨大。
减少全球塑料生产的任务复杂，尤其是考虑到发展中国家与发达国家在塑料消费上的差异。随着发展中国家塑料使用量的增加，全球塑料废物贸易往往将废物运往处理成本较低的国家。扩展生产者责任（EPR）制度能够机理减少原生塑料使用和提高回收物质量。
实现全球塑料可持续性需要减少未来塑料需求、淘汰化石染料衍生塑料、提高塑料回收率，并转向可再生能源。尽管技术尚未完全实现塑料的循环利用，但迫切需要结合法规变化和研究努力，减少塑料影响。为了实现塑料的闭环回收，需要限制生产、探索可回收设计，并在不降级回收或处置的情况下，将塑料废物保持在价值链中。这要求立即对研究和基础设施进行大量投资，以有效管理塑料生产与回收之间的差距。
实现可持续性和循环经济需要超越传统回收方法，采取包括优化产品设计、采用替代材料、淘汰有害塑料、减少原生塑料使用以及推广减量和重复使用策略。这一转变要求我们减少对化石燃料的依赖，转而使用回收和生物基原料，以实现二氧化碳排放的中和。产品生命周期末端的处理也至关重要，塑料制品应被有效回收或设计为完全可生物降解。
未来的塑料设计需满足性能、成本的同时，融入安全性和可持续性原则。简化塑料设计，使其更易于回收，并控制产品中的化学物质、标签和粘合剂，这有助于提高回收率。采用单一材料设计和创新技术，如按需解绑技术，可以解决多层塑料产品回收的难题。此外，制定全球标准和政策对于限制塑料生产和减少塑料废物对环境的影响至关重要。
全球对塑料污染的应对措施包括减少塑料排放。生命周期分析显示，利用生物质、二氧化碳和提高回收率，可以实现塑料的净零排放，这有助于降低能源消耗和成本。国际协调的废物管理策略对于解决塑料废物危机至关重要。各国正在实施经济激励措施，如扩展生产者责任、押金退款制度等，以促进塑料回收。押金退款制度通过激励措施提高塑料瓶的回收率，如挪威达到95%，厄瓜多尔2012年达到80%，而2011年仅为30%。2019年，多个国家的塑料回收率有所提高，显示出这些措施的有效性。
国际社会已经认识到塑料污染问题的严重性，175个联合国成员国达成共识，将通过一项具有法律约束力的塑料条约来消除塑料污染。塑料条约谈判已初步形成草案，旨在解决当前塑料回收的不足，包括处理复杂塑料废物中的初级聚合物、化学物质和关注聚合物。全球塑料条约还犟纳入难以回收的一次性塑料产品，推动其淘汰或替换为可持续替代品，并强调可持续产品设计和减量、重复使用、再填充和修复等实践。
为应对全球塑料产量增长，全球塑料条约将推动增加回收塑料的使用。政府可通过经济政策机理使用回收塑料，如对使用回收塑料的行业减税，对使用原生塑料的行业增税。这一转变旨在从线性塑料生产模式转向循环经济，减少资源消耗和塑料污染。仅改善回收和废物管理设施不足以解决问题，因为这不会限制塑料生产，可能导致废物产量增加。
全球塑料条约还将涵盖扩展生产者责任、塑料全生命周期的排放管理、废物管理的转型改进，以及为非正规回收部门中的关键角色——废物拣选者提供公正过渡。总体而言，该条约旨在提升塑料回收效率，消除塑料生产、制造和包装使用的有害化学物质。
小结
由复杂混合物组成的种类繁多的塑料产品被用于现代社会的方方面面。然而，这些宝贵材料的可持续性在很大程度上被忽视了。令人震惊的是，91% 的塑料面临着与回收不同的命运。为了提高塑料回收的可持续性，我们需要一个全球协调一致的 “灵丹妙药”，因为没有一个“灵丹妙药”可以来解决普遍存在的塑料污染问题。新兴的回收技术将有助于成为解决方案的“灵丹妙药”，但如果没有全球协调，如《全球塑料条约》，除非通过塑料生产上限从源头上控制塑料污染危机，否则仅靠它们将无法解决塑料污染危机。根据《全球塑料条约》，联合国成员国可以考虑调整原生塑料的国际价格，以反映塑料污染对生态和人类健康的真实环境和经济成本。减少全球原生塑料的生产和总体消费将有助于实施有效的全球塑料条约，该条约将包括减少塑料污染和增加塑料回收以实现循环经济的综合要素。
