塑料吸管的替代研究综述

程纪龙，王曼，李寒冰，燕君仪，刘宸瑞

（南京林业大学化学工程学院,江苏淮安 223003）

1950年至2015年间，全世界所有塑料垃圾约为63亿吨，这些塑料垃圾不仅数量极多，而且分布极为广泛，危害极大[1]。仅塑料吸管而言，我国每年大约生产3万多吨塑料吸管，约合460亿根，平均每人每年使用量超过30根。这些塑料吸管在生产加工以及回收的过程中，会对环境造成严重污染。例如在塑料吸管的生产加工过程中，会产生一氧化氮、苯、甲苯、乙苯等有害物质，对大气造成大染；在塑料吸管的回收过程中很大一部分塑料被遗弃，没有得到有效的回收利用，最终这些塑料吸管会成为体积较小的微塑料[1],难以回收利用，不仅造成了大量的资源浪费，而且给土壤生态圈、海洋生态圈带来不可逆的破坏。有研究表明，这些粒径小于5 mm的塑料碎片广泛存在于全球各种不同的土地利用类型的土壤中，其中包括工业用地、农业用地及滩涂等。这些微塑料会影响土壤的理化性质，影响土壤生产力，并且毒害土壤动物，从而造成严重的生态环境问题[2]。同时微塑料广泛分布于各大洋中，被海洋中的生物误食,对生物本身造成不可逆的伤害[3]，通过食物链的传递，最终影响整个海洋的生态系统。由于塑料的自然降解时间较长，其影响是持久性的。这些微塑料不仅影响自然环境，而且其会通过食物链传递，最终影响人类自身的身体健康[4]。正是由于这些原因，世界上大多数国家将或已经淘汰塑料吸管，而我国也在去年年底颁布了史上最严限塑令，禁止使用不可降解的塑料吸管。

1 可替代塑料吸管研究

1.1 不锈钢吸管

不锈钢吸管具有耐高温耐腐蚀的特点,可以重复使用。据市场调研，不锈钢吸管的批发价约为0.34～1.26元每根，与塑料吸管0.04元每根相比单价稍贵，但是考虑到不锈钢吸管可以重复多次使用，如一根不锈钢吸管可以使用100次，那不锈钢吸管每一次使用成本将低至0.03元左右。但是不锈钢吸管在生产过程中，能耗较大，同时在生产不锈钢生产的过程中，会造成明显的空气污染、土地污染、水环境污染。不锈钢吸管在生产过程中产生的废气包含大量的二氧化碳、二氧化硫以及大量的粉尘，污染大气环境。同时在钢铁制品的生产过程中，会产生大量的含有重金属及油类物质的废水,对水体环境造成不同程度的的污染。

不锈钢吸管不仅在生产过程中存在着不环保的问题，而且在回收利用中也存在着大量的浪费现象。虽然我国废钢铁行业相对繁荣，但是据相关研究，全球每年因生锈而损失的钢铁约占当年钢铁总产量的1/4。这不仅产生了大量的经济浪费，同时也造成了非常严重的资源损失。除了环保方面的问题，事实上不锈钢吸管在卫生方面也存在一定的问题。每一次使用之后，不锈钢吸管中会残留一定的食物残渣，经过多次使用，这些食物残渣越来越多，最终会形成食品安全问题。此外，不锈钢吸管在使用过程中仍存在着不方便携带，儿童在使用过程中容易发生意外等一系列问题,因此不锈钢吸管取代塑料吸管不是最佳的选择。

1.2 玻璃吸管

玻璃吸管拥有其独特优势。首先由于玻璃的可塑性及其材质透明，玻璃吸管的外观可以有非常多的选择，与其他材质相比更具吸引力；其次，玻璃吸管也可重复使用，和不锈钢吸管一样，其单支吸管价格相对较高，但平均到每一次上，单次使用成本将降低很多。玻璃吸管也拥有耐腐蚀耐高温的特点，相对于塑料吸管会更健康安全。玻璃吸管在使用之后可以看到食物残渣，比较方便清洁，在食品健康方面也更为安全。

在环保问题方面，玻璃吸管在生产过程中的每一步都需要消耗能源，其中熔窑部分占玻璃生产总能耗约为83%，是重点耗能环节[5]。随着工艺的不断成熟，玻璃吸管生产的单位能耗正逐年下降。

在环境污染方面，根据已有数据，玻璃废气排放总量小于建材工业废气排放总量的2%，氧化硫排放量占建材工业二氧化硫排放量总量3%左右，烟粉尘排放量约占建材工业烟粉尘排放总量5‰，整体环境污染相对较低。但是玻璃吸管在回收处理过程中对环境的污染较为严重，主要有以下两个方面的原因：其一，玻璃制品的化学性质比较特殊，无法通过一般的物理、化学方法加以分解和处理，且有数据表明其自然降解时间长达4 000年；其二，玻璃制品中含有一定量的锌、铜等重金属，如果处理不当可能会造成土壤污染以及地下水污染。此外，因为玻璃易碎，切口较为锋利，玻璃吸管很难得到有效的回收利用，在废玻璃吸管的搬运与运输过程中，可能会割伤人。如果废玻璃吸管被抛弃在野外，也有可能会误伤动物。

玻璃吸管除了回收处理方面存在问题，还存在其他一些问题，比如非一次性吸管都具有的的缺陷——不方便携带；其次玻璃吸管较易破碎，存在伤人的可能，儿童尤甚。

1.3 可食用吸管

如果仅仅从能耗以及环境污染的角度来看，可食用吸管将是最好的选择。在日常使用过程中可食用吸管可以直接食用，顾客在喝完饮料后可以直接将吸管吃下，不会产生环境污染，同时即便是没有被顾客食用，可食用吸管也会在自然环境中被昆虫及微生物降解掉，也不会造成环境污染。

目前已有的可食用吸管主要包括大米吸管、海藻吸管、意大利面吸管、空心菜吸管。这些吸管目前仍处于小范围的试用阶段。例如纽约的一家叫做纽约布鲁克林honey's的酒吧中就使用一种意大利面做的吸管。这种吸管不会影响酒的口味，同时可以在酒中泡一个半小时左右，不会影响消费者的正常使用。当酒喝完或者是使用超过一个半小时变软之后，消费者可以将它当做一款酒后点心。调查显示，消费者对于可食用吸管的接受程度普遍较高。

在成本方面，我们以韩国大米吸管为例，由于生产工艺并不复杂，目前这款大米吸管已经在韩国进行了大规模量产，单月产量已增至3亿根左右，计划为韩国的上百家咖啡馆及部分高档酒店供货。由于规模效应，大米吸管的单价并不贵，目前单根批发价为15韩元，折合人民币约9分钱。

可食用吸管的优势很多，但是也存在一些问题。从商家的角度上讲，客户普遍担心可食用吸管的使用成本较高，一者是由于可食用吸管的材质影响，在运输过程中可食用吸管极易损坏；二者是因为可食用吸管的口味较好，部分顾客可能会拿取更多的吸管作为点心食用；三者由于可食用吸管普遍保质期较短，以空心菜吸管为例，空心菜吸管的保质期一般为三天，相较于其他吸管而言，可食用吸管需要更高的储存条件。从顾客的角度上讲，可食用吸管本质上属于食品，但是可能由于部分商家的不正当储存，这些食品将会变质或受污染，从而会产生食品健康问题。同时普通消费者也担心商家可能会以此为卖点而使本来的商品溢价严重。此外还存在着诸如饮料还没喝完，吸管已经被吃完的担忧。

1.4 纸质吸管

自限塑令实施以来，大部分商家普遍用纸质吸管来替代塑料吸管，但是消费者普遍不认同纸质吸管。主要原因包括纸质吸管性能太差，使用一段时间之后就会变软，从而无法正常使用；同时纸质吸管影响饮料的口感。据调查显示，消费者普遍认为使用吸管之后奶茶变得更难喝了。

虽然纸质吸管存在一些问题，但是仍有部分消费者愿意为了环保而坚持使用。在查阅相关资料之后，我们发现纸质吸管并不一定环保。数据显示，造纸业每年向环境排放的污水达到数十亿吨，占全国重点统计企业废水排放总量的十分之一以上[7]，COD排放量每年超过150万吨，几乎是重点统计企业COD排放总量的1/3，均居统计行业第一位[6]。同时由于我国废纸回收行业发展不充分，大量的废纸资源没有得到有效利用，同时造纸需要砍伐大量树木。使用纸质吸管代替塑料吸管，在环保的角度上也并不是一个好的选择。

从造纸行业的能源消耗来看，西方国家主要依靠天然气和生物质，而我国造纸业的能源主要是煤炭、蒸汽、购买电力以及部分生物质。虽然生物质能源、天然气在造纸中污染较小，是比较先进节能的能量来源，但是在我国普及较少，在我国造纸业能源来源的分配上，主要还是通过燃烧煤产生电力。传统的燃煤发电，不仅能量利用率低，还会排放污染性气体；同时，煤是重要的化工原料，可以生产出高附加值的产品，如苯、二甲苯、烃类、石油醚等，如果直接将煤燃烧，对资源也是一种很大的浪费。

1.5 可降解材料吸管

可降解材料因其化学组成活泼，故而易于在人工或生物质作用下分解，不会像普通塑料长期以垃圾的形态留存在自然界。大部分可降解材料完全分解后的单体为小分子的糖类、羟基酸、氨基酸等，这类物质可以被微生物利用或自然氧化，生成完全无害的二氧化碳、氮气、水等物质，从而避免了垃圾残留和环境污染。

但是在市场经济环境下，传统塑料生产工艺成熟，价格相对低廉，牢牢占领了材料市场。而大部分可降解材料目前尚处于研发或试验阶段，只有少部分可以量产，且工艺较为复杂，生产成本高，在市场上很难打开销路。

可降解材料在生产能耗方面参差不齐，但总体上低于传统塑料。对于石油基可降解塑料，其原料与传统塑料相同，都来自石油化工的加工产品，如各类烯烃衍生物、苯衍生物、羟基酸、环醚等，所以也会消耗大量油气资源。石油基可降解材料的合成属于化学合成，难以避免传统化学加工的高温高压条件，该过程可能消耗一定的电能、热能，且产生化工废气、废液等。而生物质可降解材料其原料来自于自然界植物、微生物，如纤维素、淀粉、乳酸，属于可再生资源，且获取简单，取之不尽，其合成过程往往为生物发酵或辅之以人工合成，因生物化学反应普遍在常温常压下进行，节省了能耗，且不产生污染性废气、废液，工艺更绿色。

聚乳酸（PLA）是可降解材料中一种有前景、适用范围广泛的新材料，在塑料包装、塑料吸管和医用领域适用性良好。美国NatureWorks公司每年生产18万吨聚乳酸，达到全球PLA供应量的1/3[7]。我国聚乳酸工业起步较晚，主要产能集中在长三角地区，产量上很难供应全国使用，导致我国PLA产品及原料有相当一部分依靠进口。

目前广为采用的PLA生产工艺是丙交酯开环聚合，但是原料高纯度丙交酯生产难度很大，对工艺和反应器要求较高，国内无法自行生产，完全依赖进口，并且聚乳酸开环聚合的过程，很容易因反应器水分、温度调节不当，而导致产品数均分子量偏低，材料强度较弱。要推进聚乳酸在中国市场的接受度，实现原料自给和连续化生产是降低成本的关键。

除了丙交酯的化学合成法，还可以完全采用生物发酵技术生产聚乳酸，即培育特殊菌种，使之在自然代谢过程中产生聚乳酸。该方法发酵条件温和，不需要高温加热，比生产石油基材料更节能，同时避免了人工合成带来的污染物排放，但技术要求较高，大部分还处于实验尝试阶段。

2 结论

近几年来，节能减排、环境保护的概念早已深入人心。塑料由于环境污染问题也将逐渐被淘汰。然而经过我们调查发现，多种用于替代塑料吸管的方案其实还没有塑料吸管环保。譬如在大众印象中，相对较为环保的纸质吸管，其能源消耗、环境污染问题在某些方面比塑料吸管还要严重。我们认为随着科技的发展，可降解材料吸管最终将替代传统塑料吸管成为未来的市场主流，但是由于目前技术的限制，可降解材料吸管仍存在一些问题有待解决。而在目前这样一个过渡阶段，我们认为对于中小型商家，在日常销售过程中采用纸质吸管或根据具体饮品提供开口式包装是一个相对较为合理的方案。对于实力较强的大型商家而言，PLA等新型可降解材料吸管由于其优良的性能，将是未来主要的选择方向。