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近年來，可降解塑料行業(yè)發(fā)展迅猛，PLA、PBAT、PBS等材料在產(chǎn)能和生產(chǎn)技術(shù)上不斷有突破。許多此類材質(zhì)也通過降解測(cè)試證明了優(yōu)秀的降解性能。

 

當(dāng)前餐飲、外賣等行業(yè)對(duì)一次性餐飲具使用和需求量越來越大，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在2020年進(jìn)行了一次重要改版，原來的GB/T 18006.1-2009《塑料一次性餐飲具通用技術(shù)要求》中的可降解餐飲具相關(guān)內(nèi)容變?yōu)樾碌膰?guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18006.3-2020《一次性可降解餐飲具通用技術(shù)要求》。

 

新標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)可降解材料和產(chǎn)品除了繼續(xù)保留原來物理性能指標(biāo)要求外，還規(guī)定其應(yīng)該滿足可堆肥降解性能的要求。崩解性能作為可堆肥降解性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一，具有與降解率指標(biāo)不同的特點(diǎn)。本文帶您了解崩解性能及其測(cè)試方法。

 

01.崩解≠降解

 

GB/T 18006.3-2020中規(guī)定，可降解測(cè)試樣品的相對(duì)生物分解率、崩解率和生態(tài)毒性均≥90%方可視為達(dá)標(biāo)！

 

可堆肥降解性能三大要求
生物分解率	180天內(nèi)，相對(duì)生物分解率≥90%
崩解率	12周后，崩解率≥90%
生態(tài)毒性	植物出芽率和植物生物質(zhì)量比≥90%

 

▲ GB/T 18006.3-2020對(duì)可降解材料的堆肥降解性能要求

 

可見，崩解率、生態(tài)毒性、生物分解率合起來就是可降解材料需要滿足合規(guī)要求的三大技術(shù)指標(biāo)。

 

何謂崩解性能？

 

如何進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)？

 

與降解性能相比，崩解性能有許多不同之處：

 

簡(jiǎn)單的說，在可堆肥降解范疇，降解性能實(shí)際上是考察材料或制品在堆肥化條件下轉(zhuǎn)變?yōu)樗投趸嫉哪芰?。而崩解性能?shí)際上是考察材料在堆肥化條件下從較大體積形態(tài)(如較大的塊狀、片狀、薄膜狀等)裂變成為較小體積形態(tài)(如小碎片)的能力。

 

崩解率測(cè)試的堆肥通常是自然引發(fā)的堆肥化，測(cè)試時(shí)無需規(guī)定特定的起始溫度條件；而降解率測(cè)試用到堆肥通常是已經(jīng)腐熟的堆肥，且需要在通常認(rèn)為的最佳堆肥化條件(如標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的58℃、50%濕度環(huán)境)下進(jìn)行。

 

在結(jié)果計(jì)算方面，生物分解率(降解率)通過測(cè)定降解過程中實(shí)際產(chǎn)生的二氧化碳，并與材料理論上100%降解所應(yīng)該產(chǎn)生的二氧化碳相比較，通過計(jì)算得到材料的生物降解率；而崩解率的測(cè)試則是考察材料在堆肥結(jié)束后的碎裂程度，材料在堆肥過程中通過生物、化學(xué)、物理等過程轉(zhuǎn)變成為很小碎片后，稱量能通過一定篩網(wǎng)(如2mm)的小碎片質(zhì)量，并與試驗(yàn)初始時(shí)加入的樣品質(zhì)量相比較，通過計(jì)算得到崩解率。與降解試驗(yàn)相比，崩解試驗(yàn)在目測(cè)感官上可以給人更為直觀的感受。

 

	崩解性能	降解性能
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)	GB/T 19811-2005	GB/T 19277.1-2011
考察目的	由大體積形態(tài)裂變成小體積形態(tài)的能力	由有機(jī)態(tài)碳轉(zhuǎn)化為CO2和水的能力
堆肥規(guī)模	60kg / 平行樣（中試規(guī)模）	≥ 3L / 平行樣（小規(guī)模）
測(cè)試條件	真實(shí)堆肥條件，模擬工業(yè)堆肥化條件，僅控濕、通氧	測(cè)試周期期間模擬最佳堆肥化條件，長(zhǎng)期控溫、控濕、通氧
結(jié)果計(jì)算	通過篩網(wǎng)的小碎片質(zhì)量與初始加入量比較	產(chǎn)生的二氧化碳與理論值比較

 

▲ 崩解性能與降解性能的差異

 

無論是崩解率測(cè)試中用到的中試規(guī)模堆肥，還是降解率測(cè)試中用到的小規(guī)模堆肥，都是對(duì)大規(guī)模真實(shí)堆肥進(jìn)行不同形式的模擬。堆肥化處理是一種將廢棄塑料轉(zhuǎn)化為可利用資源（如肥料）的一種途徑，不僅可有效減少塑料對(duì)環(huán)境的污染，堆肥結(jié)束后的腐熟產(chǎn)物還可以提升土壤肥效，使土壤環(huán)境適用于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，同時(shí)可減少化肥對(duì)土壤的侵蝕，這為塑料行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供了一種有效的解決方案。

 

02.崩解試驗(yàn)（堆肥化）介紹

 

堆肥化，是在自然界中廣泛存在的微生物作用下，促進(jìn)塑料等材料中可降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過程，此過程的產(chǎn)物稱之為“堆肥”(compost)。腐熟后的堆肥通常呈深褐色，質(zhì)地松軟，是一種有較佳肥效的土壤調(diào)理劑。根據(jù)堆肥化過程中的供氧情況，堆肥化可分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩種。

 

早在宋代《陳旉農(nóng)書》中就有記載農(nóng)村中廣為采用的堆肥技術(shù)，包括了堆肥設(shè)施、方法和使用的過程：“糞屋之中，鑿為深池，筑以磚壁，勿使?jié)B透，凡掃除之土，燃燒之灰，簸揚(yáng)之糠秕，斷篙落葉，積而焚之，沃以糞汁積而久之，不覺甚多，凡欲播種，篩去瓦石，取其細(xì)者，和勻種子，疏把撮之，待其苗長(zhǎng)，又撒以壅之，合歡收成不倍厚也哉”。古籍中提到的方法正是傳統(tǒng)農(nóng)家使用的厭氧堆肥，因?yàn)橥獠怀浞郑鯕夤?yīng)不足，在一定的密閉空間中需要靠厭氧微生物群發(fā)酵消化廚余、落葉等有機(jī)物，形成堆肥。

 

相比厭氧堆肥，好氧堆肥是在良好通氣條件下，借助好氧微生物的生命活動(dòng)降解有機(jī)物。崩解試驗(yàn)的測(cè)試原理就是模擬實(shí)際的好氧堆肥化過程，使微生物在強(qiáng)烈通氧條件下將試樣中的聚合物大分子和有機(jī)物添加劑等逐漸轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水和腐熟質(zhì)，同時(shí)使得樣品在微生物和外部因素的作用下，物理特性逐漸降低，尺寸也由原先5cm*5cm或10cm*10cm的大塊逐漸碎裂成小塊的過程。

 

在此過程中，從微觀視角上，微生物通過新陳代謝分解有機(jī)物來維持自身的生命活動(dòng)，進(jìn)而有機(jī)物中的可溶性小分子有機(jī)物質(zhì)透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜而被微生物吸收和利用，由微生物所分泌的胞外酶分解為可溶性小分子物質(zhì)，再輸送入細(xì)胞內(nèi)被微生物利用，如下圖所示。

 

 

▲ 有機(jī)物的好氧堆肥分解，出處：《固體廢物堆肥原理與技術(shù)》第二版

 

經(jīng)過約12周后的有氧發(fā)酵周期，試驗(yàn)樣品的崩解程度用崩解率來進(jìn)行評(píng)價(jià)：將能通過2 mm試驗(yàn)篩的殘余樣品碎片干重與初始時(shí)樣品加入量的總干固體量進(jìn)行比較，其比值即為崩解率。崩解試驗(yàn)結(jié)束后得到的堆肥（< 10 mm 的碎片）還需進(jìn)行化學(xué)分析和生態(tài)毒性試驗(yàn)。

 

 

▲ GB/T 19811-2005 崩解程度計(jì)算

 

堆肥化過程影響因素

 

影響堆肥過程的因素很多，主要包括堆肥的原料、水分含量、碳氮比、pH值、通風(fēng)情況等。

 

堆肥原料選擇、碳氮比、樣品量

 

堆肥前的工作之一是要準(zhǔn)備生物質(zhì)材料(通常是生物質(zhì)廢棄物)，作為合適的堆肥原料。根據(jù)崩解性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19811-2005，可以選擇以下材料：

 

新鮮蔬菜/水果（廚余）

 

兔糧

 

木屑/樹皮

 

稻草

 

麥麩

 

腐熟堆肥等

 

堆肥過程中有一個(gè)重要控制參數(shù)是碳氮比（C/N），該參數(shù)能反映堆肥中微生物的代謝活動(dòng)程度。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的C/N范圍在20~30之間；根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，最佳的堆肥C/N為25:1。

 

為評(píng)價(jià)可降解塑料材料制品的崩解程度和生態(tài)毒性，按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19811-2005的規(guī)定，以下三種不同的測(cè)試目的分別對(duì)應(yīng)了不同的樣品量要求：

 

測(cè)試目的	測(cè)試樣為終產(chǎn)品時(shí)所需樣品量	測(cè)試樣為粉末/顆粒物形態(tài)時(shí)所需樣品量
崩解性能	600g/堆肥箱	/
生態(tài)毒性	600g/堆肥箱	5.4 kg/堆肥箱
崩解性能與生態(tài)毒性	/	6.0 kg/堆肥箱
	600g/堆肥箱	5.4 kg/堆肥箱

 

▲ GB/T 19811-2005中規(guī)定的崩解率測(cè)試所需樣品量

 

通風(fēng)情況、水分和pH值

 

持續(xù)通風(fēng)能使堆肥過程順利進(jìn)行。應(yīng)定期測(cè)量堆肥混合物中的含氧量，使其高于10%，以保持微生物的活性；若含氧量過低，好氧微生物的生命活動(dòng)將受到限制，容易使堆肥進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)而產(chǎn)生惡臭。

 

在通風(fēng)的前提下，堆肥混合物應(yīng)保持至少40%的水分含量以保證堆肥化過程的正常進(jìn)行；如在夏季進(jìn)行堆肥，周圍環(huán)境溫度較高時(shí)，堆肥混合物中水分消耗較快，需要及時(shí)補(bǔ)水。若水分含量過高，堆肥也會(huì)朝厭氧方向發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生惡臭。

 

在好氧堆肥期間，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行翻堆，定期翻轉(zhuǎn)堆肥混合物以防止板結(jié)，使水分、微生物和酶再充分混合，在此期間，應(yīng)避免產(chǎn)生厭氧環(huán)境進(jìn)而生成揮發(fā)性脂肪酸，因此應(yīng)控制堆肥的pH值大于7。

 

溫度

 

GB/T 19811-2005對(duì)堆肥過程的溫度控制要求如下：

 

 

▲ GB/T 19811-2005對(duì)崩解試驗(yàn)中的堆肥溫度控制要求

 

一般來說，好氧堆肥過程的溫度變化可大致分為三個(gè)階段，中溫階段、高溫階段、以及降溫階段。典型的溫度變化曲線如下圖所示

 

 

▲ 崩解試驗(yàn)中堆肥溫度隨時(shí)間變化的曲線

(該圖來自IQTC對(duì)實(shí)際樣品的測(cè)試過程監(jiān)控)

 

堆肥初始，嗜常溫微生物利用混合物中可溶性的有機(jī)物（糖類、淀粉）進(jìn)行生命活動(dòng)，使堆肥進(jìn)入中溫階段，混合物整體溫度較快升至約45℃或以上。

 

經(jīng)過1周后，堆肥溫度超過45℃，甚至70℃進(jìn)入高溫階段，有機(jī)物開始分解，腐熟質(zhì)開始形成；同時(shí)，大部分病原體因?yàn)榉艧嶂滤?，如沙門菌屬、大腸桿菌、流產(chǎn)布魯市菌等。

 

堆肥后期，剩下較難分解的有機(jī)物和新生成的腐熟質(zhì)，整體混合物內(nèi)微生物活性下降，溫度下降，嗜溫性微生物再一次占據(jù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)剩余的有機(jī)物分解，腐熟質(zhì)逐步增加且穩(wěn)定，堆肥混合物逐漸進(jìn)入腐熟階段。

 

03.結(jié)語

 

崩解性能作為可降解材料需要滿足的三大技術(shù)指標(biāo)之一，在對(duì)樣品的考察目的、堆肥規(guī)模、測(cè)試條件、控制因素、測(cè)試周期、結(jié)果計(jì)算等方面，都呈現(xiàn)出與降解率測(cè)試不同的特點(diǎn)。將崩解率測(cè)試結(jié)果與降解率測(cè)試結(jié)果綜合起來，大致上可判斷出樣品的可降解性究竟如何。新發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18006.3-2020中對(duì)崩解性能給出了具體的指標(biāo)要求，而GB/T19811-2005給出了崩解率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。因此可降解材料生產(chǎn)企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)，除了要考慮材料或產(chǎn)品的降解率之外，也應(yīng)該充分考慮產(chǎn)品的崩解性能并進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，確保產(chǎn)品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

 

參考文獻(xiàn)：

 

【1】尹瑞,張鶴,邱慧珍,楊慧珍,李孟嬋,張春紅,王友玲.不同碳氮比牛糞玉米秸稈堆肥的碳素轉(zhuǎn)化規(guī)律[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2019,54(05):68-78.DOI:10.13432/j.cnki.jgsau.2019.05.009.

【2】固體廢物堆肥原理與技術(shù)(第二版)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(10):2006.

【3】GB/T 19811-2005 在定義堆肥化中試條件下塑料材料崩解程度的測(cè)定