本研究由Giovanni Gadaleta、Sabino De Gisi、Zhi Kai Chong、Joern Heerenklage、Michele Notarnicola、Kerstin Kuchta、Livia Cafiero、Maria Oliviero、Andrea Sorrentino和Caterina Picuno等作者共同完成，发表于2023年4月15日的《Chemical Engineering Journal》期刊，卷号为462，文章编号为142301。该研究聚焦于生物塑料的降解问题，特别是基于热塑性醋酸纤维素（cellulose acetate, CA）的生物塑料在工业规模厌氧消化（anaerobic digestion, AD）和堆肥（composting, C）条件下的降解行为。
随着全球对塑料污染问题的日益关注，生物塑料作为一种潜在的环保替代品受到了广泛关注。然而，生物塑料在实际工业处理条件下的降解行为尚未得到充分研究。特别是醋酸纤维素基生物塑料，尽管在实验室条件下表现出一定的降解性，但其在工业规模处理中的表现仍不明确。本研究旨在通过全规模实验，评估两种基于醋酸纤维素的热塑性生物塑料（纯醋酸纤维素及其复合材料）在工业厌氧消化和堆肥条件下的降解性能，以验证其在实际应用中的可行性。
研究分为以下几个主要步骤：
材料准备
研究使用了两种基于醋酸纤维素的热塑性生物塑料：纯醋酸纤维素（CA）和含有5%有机改性层状双氢氧化物（LDH）的复合材料（CA-LDH）。这些材料以颗粒形式提供，并通过挤出工艺制备成薄膜样品。
全规模实验设计
实验在德国汉堡的一家公共废物处理设施中进行，该设施结合了干式厌氧消化和堆肥处理。研究设计了三种处理条件：单独厌氧消化（AD）、单独堆肥（C）以及厌氧消化与堆肥结合（AD+C）。每种条件下，CA和CA-LDH样品被切割成100平方厘米的片状，放入2毫米网孔的塑料网中，并与生物废物混合。每个处理条件下设置了三组重复实验。
降解过程监测
在厌氧消化阶段，样品在38-40°C的恒温条件下处理15天；堆肥阶段则在60°C的温度下进行21天，期间每周进行混合和加湿。实验结束后，通过筛分法评估样品的分解程度，并采用扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等技术对样品进行表征。
数据分析
通过SEM观察样品表面的微观形貌变化，TGA和DSC分析样品的热降解行为和玻璃化转变温度，FT-IR则用于检测样品化学结构的变化。所有数据均与实验室规模的结果进行对比，以评估全规模处理与实验室条件的差异。
降解程度
在厌氧消化条件下，纯CA和CA-LDH样品的分解率分别为36%和50%；而在堆肥条件下，两者的分解率均未超过20%。结合厌氧消化和堆肥的处理方式（AD+C）使降解率略有提高，分别达到39.49%和57.82%。这表明，醋酸纤维素基生物塑料的主要降解发生在厌氧环境中。
微观表征
SEM分析显示，厌氧消化后的样品表面出现了明显的裂纹和孔洞，而堆肥后的样品仅表现出轻微的表面磨损。TGA和DSC结果表明，降解过程中塑料剂的流失和醋酸纤维素的脱乙酰化是主要的降解机制。FT-IR光谱进一步证实了这些化学变化，特别是羟基吸收带的位移和拓宽，表明纤维素结构的再生。
与实验室结果的对比
全规模实验的降解率显著低于实验室规模的结果（实验室条件下CA和CA-LDH的分解率分别为74%和55%）。这表明，工业处理条件对生物塑料的降解效率存在显著影响，尤其是纯醋酸纤维素的表现差异更为明显。
本研究首次通过全规模实验评估了醋酸纤维素基生物塑料在工业厌氧消化和堆肥条件下的降解行为。结果表明，尽管这些材料在实验室条件下表现出较高的降解性，但在实际工业处理中，其降解效率显著降低。特别是纯醋酸纤维素的降解率远低于预期，表明当前的工业处理工艺尚未优化以有效处理这类生物塑料。研究还揭示了塑料剂流失和脱乙酰化是主要的降解机制，而纤维素骨架的降解则较为有限。
本研究为生物塑料在实际工业处理中的降解行为提供了重要的实验数据，揭示了实验室规模与全规模处理之间的差异。研究结果对废物处理设施的管理者具有重要指导意义，提示他们在处理新兴材料（如生物塑料）时需谨慎，并可能需要调整处理工艺以提高降解效率。此外，研究还为未来优化生物塑料的工业处理条件提供了科学依据，例如提高处理温度、延长停留时间或引入生物塑料的循环处理。
研究还指出，尽管醋酸纤维素基生物塑料在工业处理中的降解效率较低，但其在厌氧环境中的表现优于堆肥环境。这表明，未来的研究可以进一步探索厌氧消化工艺的优化，以提高生物塑料的降解效率。此外，研究还建议在工业处理中引入热条件（thermophilic conditions），以加速生物塑料的降解过程。