发泡塑料餐盒的降解研究
引言
随着经济建设的高速发展，人们的生活节奏越来越快，快餐业也随之孕育而生。在快餐业中大量使用着各式各样的一次性塑料餐盒，这些餐盒的降解性好坏将直接影响着我们居住的环境。
摘要
一次性餐盒，在人类生活中广泛使用，但在带给人们方便的同时，它也带来相当大的烦恼。由于此类高分子聚合物分子量大，结构稳定，疏水性强，表面积较小，除热降解外，一般在自然界降解速率极小，通常需要200～400年才能分解。目前废塑料的处理以填埋和焚烧为主，塑料的焚烧很容易带来二噁英污染；土壤中长期混有塑料碎片也很容易造成土壤板结，影响植物生长，并且可能污染地下水。
该探究活动进行时间为2004/8/7~2004/12/19，主要通过化学生物降解与固相实验来研究一次性餐盒降解的条件。
1. 化学生物降解
利用有机物相似相溶的原理，先将聚苯乙烯餐盒溶解在无毒的覆盆子酮或香兰素的水溶液中，在观察微生物是否降水中的有机分散系并体内利用，从而达到降解的目地。微生物以天山污水厂污泥为微生物种源集后曝气两到三天，弃去上清液，取污泥中胶状层。
2. 固相实验
即填埋实验，是以填埋一定时间后的塑料碎片失重和破损情况为指标，评定降解性。本实验中，固相分为土埋与活性污泥填埋。
本次活性污泥填埋实验有一定的进展，从数据与肉眼观察来看，白色餐盒在高浓度，高活性的微生物中有一定的降解性，为今后的实验指明了方向。
关键词 ： 一次性餐盒 降解 填埋
一．简 介；
1.现状；
塑料在人类生活和生产中应用非常广泛，和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。但在带给人们方便的同时，它也带来相当大的烦恼。由于此类高分子聚合物分子量大，结构稳定，疏水性强，表面积较小，除热降解外，一般在自然界降解速率极小。实验表明其在土壤中分解速度随环境条件（如降雨量、透气性、温度等）而改变，但通常需要200～400年才能分解。2002年世界塑料总产量1.5亿吨，而一次性塑料制品占30%左右，即4500万吨 (2)。
目前废塑料的处理以填埋和焚烧为主，巨大的年产量对原本就十分紧张的城市垃圾填埋场造成很大的压力。塑料的焚烧又很容易带来二噁英污染。此外土壤中长期混有塑料碎片也很容易造成土壤板结，影响植物生长，并且可能污染地下水。倾倒入海洋以后更会对海洋生态环境造成不良影响。
针对这种情况，一些国家采取的对策是3R，即Reduce 、Reuse和 Recycle。为实施此对策，各国政府都在大力发展废塑料回收再利用的技术，如焚烧、热解等，但在一些回收
困难或回收后需追加很大能量的领域，塑料回收的成本太大，不具有经济上的可行性，最典型的例子即一次性发泡塑料餐盒。因此，可降解的塑料制品成为这些领域中的首选。
2．可降解塑料；
塑料等有机高分子材料在环境中的降解可分为物理降解（热降解、光降解、辐射降解），化学降解和生物分解，其中其最大作用的是光降解和生物降解，或光与微生物的联合降解。发达国家70年代开始光降解型塑料的研究，其理论已较成熟；生物降解型塑料的研究始于80年代中期，发展很快，且已有工业产品。(2) (3) (4) (5)
3．生物降解性；
聚合物的结构对聚合物的生物降解性能影响很大，包括化学结构、物理结构、表面结构等。其他影响降解速度的因素有温度、酶、pH值、微生物、电磁、超声波及辐射等外部环境。如土壤中的生物降解性就与土壤的酸碱度、光照度、温度、湿度、土壤中金属离子成分和含量等多种因素有关。(7)而由于实际上任何降解材料在环境中都不是以单一的降解形式，而是同时有生物降解、光降解、热氧化降解等，因此材料的降解速率可能受各种因素的影响，其结构定量关系很难掌握。但一般来说，可以归纳出一些有利于生物降解的基本结构特点，如亲水性、含有对特定酶敏感的化学基团、低结晶度、低分子量、线性结构、较大的表面积等(5) (6)。
二．实验的可行性;
各类标准；
目前世界各国都在加紧有关降解塑料标准化问题的研究，其内容包括降解塑料的定义、分类、实验评价方法和标准。美国材料实验学会（ASTM）率先进行降解塑料标准化的制定工作，1989年成立了环境降解塑料分委会，开始研究制定在各种环境条件下塑料降解性的实验评价方法，并先后发表了20多项相关标准。
日本与德国也展开了相应的研究。日本于1989年成立了生物降解塑料研究会，从1991年起对6种生物降解塑料选择了22个点，分别进行了土埋和淡水浸渍实验，制定了生物降解塑料测试方法标准JISK6950；德国也已制定通过堆肥实验检测生物降解塑料生物降解性的标准DIN V54900。
在国际通用标准方面，有ISODIS14851, 14852, ISOCD14853, 14855，以及ISO486，OECD301等。
我国在这方面的研究起步较晚，目前有关标准有：环境标志产品技术要求HJBZ12-1997，和1999年颁布的《一次性可降解餐饮具降解性能试验方法》GB/T 18006.2-1999。(1)
三．实验方案；
本实验拟分为两部分：化学生物降解与固相实验，分别观察塑料碎片降解情况。化学生物降解，就是利用有机物相似相溶的原理，先将聚苯乙烯餐盒溶解在无毒的覆盆子酮或香兰素的水溶液中(8)，在观察微生物是否降水中的
有机分散系并体内利用，从而达到降解的目地。固相实验，即土埋实验，是以埋入土壤中，一定时间后的塑料碎片失重和破损情况为指标，评定降解性。本实验中，固相分为土埋与活性污泥填埋。本实验中的微生物以运行良好的城市污水厂污泥为微生物种源（9）。
1. 化学溶解：
A: 苯 分子式：C6H6
B: 覆盆子酮 分子式：C10H12O2
C: 香兰素 分子式：C8H8O3
本实验中，苯作为对比溶剂，观察聚苯乙烯的溶解性。
实现原理：利用有机物相似相溶的原理，先将聚苯乙烯餐盒溶解在含无毒的覆盆子酮或香兰素的溶液中，在观察微生物是否将水中的有机分散系食用，从而达到降解的目地。微生物以天山污水厂污泥为微生物种源集后曝气两到三天，弃去上层清液，取污泥中胶状层。
溶剂配置：取六个容量为60ml的烧杯，分别编号E、F、G、H、I、J。在E烧杯中加入5ml含有覆盆子酮1（g）的丙二醇溶液，l添加20ml蒸馏水稀释，充分振荡，使溶液分层，上层即为覆盆子酮。F烧杯作如上操作后，加入10ml含微生物的胶体分散系；在G烧杯中加入5ml含有香兰素 1（g）的丙二醇溶液，添加20ml蒸馏水稀释，充分振荡，使溶液分层，上层即为香兰素。H烧杯作如上操作后，加入10ml含微生物的胶体分散系。再取覆盆子酮、香兰素各2（g），分别放入20ml无水乙醇中，充分溶解，I烧杯中为含有覆盆子酮的溶液，J烧杯中为含有覆盆子酮的溶液。
实验方法：取2cm×2cm×0.2cm餐盒塑料8块，取餐盒塑料2块，分别投入装有适量苯和四氯化碳的烧杯中。取剩余餐盒塑料6块，分别投入E、F、G、H、I、J中，用滤纸将烧杯口盖住，防止挥发，静置24小时候观察现象。
2．土埋实验
本实验中的土埋实验，分别在校园土层干燥，植物生长良好两个不同地点，10cm地表土层中，埋入聚苯乙烯餐盒，观察其降解性。第一阶段只埋入不可降解塑料，第二阶段加入可降解塑料，以作对比。在土壤埋入受试材料为正方形，4cm×4cm×0.2cm大小，在60°C烘干1h，称重并逐一纪录，每隔7天取出一片，洗净、烘干、称重，记录失重情况。
3．活性污泥填埋
本实验中的活性污泥以天山污水厂污泥为微生物种源，采集后曝气两到三天，每12小时轮换静置，并弃去上层清液，埋入聚苯乙烯餐盒观察它的生物降解性。活性污泥填埋实验受试材料为长方形，12cm×6cm×0.2cm大小，在60°C烘干1h，称重并逐一纪录，每隔7天取出一片，洗净、烘干、称重，记录失重情况。
四．实验过程；
化学溶解：
取2cm×2cm×1cm 泡沫塑料2块，分别投入装有适量苯和四氯化碳的试管中。可以发现泡沫塑料在溶剂中被完全溶解，并有少量气泡
产生。试管中的溶液呈黏稠状。
溶剂 溶解时间 现象
E <24h 餐盒表面产生大量气泡，水面产生大量粘稠油状液体，可拉成丝。
F <48h 餐盒表面产生大量气泡，水面产生一层薄的粘稠油状液体，可拉成丝。
G <24h 餐盒表面产生大量气泡，水面产生大量粘稠油状液体，可拉成丝。
H <3天 餐盒表面产生大量气泡，水面余留少量粘稠油状液体，可拉成丝。
I 不溶
J 不溶
将在E、F、G、H烧杯水面上产生的粘稠油状液体滴在无水乙醇中，会产生白色片状或丝状不容物。
用化学的方法降解一次性餐盒，虽然时间短，效果明显，但是会产生许多不知名的副产物，会影响环境。
土埋实验：
第一阶段：2004.8.9~2004.9.6
干燥，无植物生长的土层中埋入白色不可降解塑料餐盒4~6号（SL-1B）；
树阴沃土中埋入白色不可降解塑料餐盒7~9号（SL-1B）；
(表一)质量：克（g）
日期 编号 4（g） 5（g） 6（g） 7（g） 8（g） 9（g）
8.9 0.166 0.158 0.175 0.168 0.163 0.173
8.16 0.166 0.158 0.177 0.168 0.163 0.173
8.23 0.166 0.155 0.18 0.169 0.164 0.174
8.30 0.165 0.156 0.175 0.168 0.164 0.173
9.6 0.165 0.155 0.176 0.167 0.163 0.174
9.11 0.166 0.155 0.176 0.167 0.163 0.174
9.20 0.164 0.156 0.175 0.167 0.163 0.173
9.27 0.164 0.156 0.175 0.168 0.162 0.174
由上表计算出平均值：（结果：0.001）
日期 编号 干燥土壤（g） 肥沃土壤(g)
8.9 0.166 0.168
8.16 0.167 0.168
8.23 0.17 0.17
8.30 0.165 0.168
9.6 0.165 0.168
9.11 0.17 0.17
9.20 0.165 0.168
9.27 0.165 0.168
由上表可知：白色不可降解餐盒的失重基本上没有明显的随时间变化趋势，呈无序分布的状态。
第二阶段：2004.10.25~2004.11.22
干燥土层中埋入餐盒A~C号；
A为纸盒，B为褐色可降解塑料，C为白色不可降解塑料
树阴沃土中埋入餐盒1~3号；
1为纸盒，2为褐色可降解塑料，3为白色不可降解塑料
（表二）质量：克（g）
日期 编号 A.纸盒（g） B.SJF-9（g） C.SL-1B（g） 1.纸盒（g） 2.SJF-9（g） 3.SL-1B（g）
10.25 1.005 0.254 0.208 0.771 0.158 0.187
11.1 0.956 0.246 0.209 0.74 0.16 0.186
11.8 0.925 0.239 0.207 0.715 0.154 0.186
11.11 0.902 0.234 0.208 0.701 0.15 0.185
11.22 0.888 0.231 0.208 0.695 0.143 0.186
11.29 0.844 0.223 0.208 0.667 0.14 0.185
12.6 0.803 0.217 0.207 0.648 0.137 0.185
12.19 0.75 0.211 0.208 0.628 0.133 0.186
由上表可知：纸盒与褐色餐盒体现了一定的降解性。
活性污泥填埋
填埋方法：在三个不透明的塑料桶内放入曝气后的活性污泥，将三份聚苯乙烯餐盒分别埋入活性污泥，盖上盖子，静置。
第一阶段：2004.8.9~2004.9.6
埋入白色不可降解塑料餐盒（SL-1
B）
（表三）质量：克（g）
日期 编号 SL-1B\1 （g） SL-2B\2 （g） SL-3B\3 （g） 平均值(0.001) （g）
8.9 0.631 0.601 0.64 0.624
8.16 0.625 0.595 0.634 0.618
8.23 0.622 0.59 0.631 0.614
8.3 0.622 0.591 0.632 0.615
9.6 0.621 0.59 0.628 0.613
9.11 0.622 0.589 0.629 0.613
9.20 0.621 0.588 0.629 0.612
9.27 0.621 0.588 0.628 0.612
第二阶段：2004.10.25~2004.11.22
埋入白色不可降解塑料餐盒（SL-1B）
埋入褐色可降解塑料餐盒（SJF-9）
（表四）质量：克（g）
日期 编号 SJF-9\1（g） SJF-9\2（g） SJF-9\3（g） 平均值（0.001）（g） SL-1B\1（g） SL-1B\2（g） SL-1B\3（g） 平均值（0.001）（g）
10.25 0.613 0.625 0.624 0.621 0.616 0.611 0.615 0.614
11.1 0.6 0.613 0.612 0.608 0.613 0.608 0.613 0.611
11.8 0.598 0.611 0.608 0.606 0.614 0.609 0.612 0.612
11.11 0.592 0.607 0.606 0.602 0.612 0.607 0.612 0.61
11.22 0.585 0.6 0.594 0.593 0.613 0.606 0.611 0.61
11.29 0.578 0.594 0.587 0.586 0.613 0.607 0.612 0.611
12.6 0.572 0.589 0.58 0.58 0.312 0.606 0.611 0.61
12.19 0.565 0.583 0.573 0.575 0.61 0.605 0.611 0.61
由表3、表4可知：聚苯乙烯餐盒在浓微生物作用下，有一定的降解性，且可降解餐盒在污泥中的降解性比在土壤中的要强的多。
五：数据分析与讨论(1)；
由上表2可以看出，褐色可降解餐盒和纸盒的失重率大致上是随着土埋时间的增加而增加的，但褐色可降解餐盒失重十分缓慢，经过49天的土埋，失重只有0.020左右，而且还有波动。我推测，可能是土壤中的某些条件，如土壤的湿度、温度或者微生物的种群、数量、活性不能满足可降解塑料的降解要求所至(10)。11月的气温较低，对土壤中的微生物影响较大，这可能是导致褐色可降解餐盒失重缓慢主要原因。
白色不可降解餐盒的失重基本上没有明显的随时间变化趋势，呈无序分布的状态。
第一次土埋实验中，白色不可降解餐盒5号的失重率数据十分奇特，在第3周出现了极高值，而且就其平均值来看，是白色餐盒样品中失重最高的。据推测，可能是由于餐盒中某些易挥发组分在烘干过程中挥发引起的质量损失。
由此可得结论，在此次土埋实验的实验条件下，褐色餐盒体现了一定的降解性，但相对于白色餐盒来说，在某些自然环境条件下（如在干旱的土壤内）不具有明显的差异性。
由上表3数值看，可以认为白色餐盒在生物降解性上有一定降解性，49天质量大约变化了0.020(g)，相对于土埋实验来说，有了一定的差异性。在观察餐盒表面时，发现表面有明显的孔洞，时间越长，孔洞越多，且多嵌有污泥胶体，在最后取出时，隐约可见绿色的物质。在前两周，餐盒有一个较大的失重幅度，可见，聚苯
乙烯餐盒在浓微生物作用下，有一定的降解性。
由表4平均值看，可以认为褐色餐盒与白色餐盒在生物降解性上有一定的差别，白色餐盒在活性污泥中的失重不太明显，但褐色餐盒却失重很快，可见它在污泥中的降解性比在土壤中的要强的多。
因为微生物的活性，与温度，湿度，pH值有关(11)，第一次实验在夏季，平均气温较高，是微生物生长的有利时节，所以白色餐盒失重很快；第二次实验在10月到11月，气温较低，对微生物的活性影响较大，白色餐盒失重很慢。因为本实验的材料相同，所以不考虑溶液的pH值与湿度。
因此可以得出结论：在等高浓度污泥浓度下，无论白色或褐色餐盒都有一定的生物降解性，但降解的大小，与微生物的活性有关。这一点在白色餐盒上有较明显的体现。
通过以上的实验，我得出了以下几点结论：
化学方法溶解聚苯乙烯餐盒，虽然快，但无法对生成物加以确定，溶解时产生的气体，也可能对环境有害。所需的有机溶剂本身就是一种污染物。虽然在本实验中用可食用的覆盆子酮和香兰素作为溶剂，生成的溶液对水资源多少也是一种污染。而且用微生物食用分散系，效果也不大，所以用化学方法溶解聚苯乙烯餐盒不值得提倡。
本次土埋实验的结果具有可信性，实验结束后的餐盒碎片据肉眼观察，两种白色不可降解的样品没有破损迹象，而褐色可降解餐盒碎片的表面有明显的破洞，这与餐盒的失重数据较为吻合。褐色可降解餐盒在土埋条件下具有一定的可生物降解性。
通过本次活性污泥填埋实验发现，褐色可降解餐盒在活性微生物条件下具有较高的生物降解性，值得提倡活性污泥降解可降解餐盒。
本次活性污泥填埋实验有一定的进展，从表三、表四的数据与肉眼观察来看，白色不可降解餐盒在高浓度，高活性的微生物中有一定的降解性，为今后的实验指明了方向。下一步实验，准备通过控制不同温度，不同pH值，来发现微生物活性最适宜的条件，从而降解白色不可降解塑料餐盒。
六．总结；
本实验只是对于餐盒的生物降解性作了初步的研究，据本人思考，以后的研究重点首先在于对实验方法的探索，本实验只是选择了较为直观、简单的方法。在以后的实验中，可以增加厌氧的水相、填埋实验。在具体的实验中，除了就样品、微生物的量等实验基本条件进行摸索之外，还可以就餐盒碎片的颗粒大小对降解性能的影响，以及餐盒上带有的油脂、淀粉等物质产生的共代谢作用进行研究。此外，筛选降解餐盒的专门菌种，进行工业化降解也可作为一个研究方向。
参考文献：
【1】国家质量技术监督
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【2】欧美日对生物降解塑料推广/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,
【3】白色污染治理技术/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,
【4】柏柳青、刘学明，可降解塑料国内外现状及展望，湖北工学院学报，1994年3月 第9卷 第1期
【5】李淑芬、于九皋、宋永霞、高建平，可降解塑料的研究进展，化学工业与工程，
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【6】邵自强、谭惠民、赵春红，天然高分子基生物降解性塑料研究现状，华北工学院学报， 2000年第21卷第2期
【7】生物降解塑料应用开发近期进展/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,
【8】香精和香料中间体/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,
【9】活性污泥性质的测定/
【10】土壤的组成/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,
【11】微生物生态学/https://www.doczj.com/doc/074746039.html,/haibei/subject