碳中和目標背景下包裝行業發展的對策

李梓昱，楊倩倩，蔣海云,，張巍然，吳威，吳國華，曾海蘭

（1.湖南工業大學 包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業大學 先進包裝材料研發技術國家地方聯合工程研究中心，湖南 株洲 412007）

自工業革命以來，全球發展在很大程度上依賴于對自然資源的過度開發。隨著化石燃料的廣泛使用，大氣中溫室氣體濃度不斷增加，從而導致全球變暖。因此，碳中和逐漸被提上日程，即要求進入大氣的溫室氣體排放量和吸收量之間達到平衡。

碳中和不僅是環保問題也是貿易問題。目前，中國是世界上最大的碳排放國，2021 年中國的碳排放占全球二氧化碳排放量的45%[1-2]，并且還呈現增長趨勢。美國和歐洲在2010 年以前碳排放量就已經達到峰值。在綠色革命的浪潮下，未來已經實現碳達峰和碳中和的國家可能會在征收碳關稅上不斷加碼，這將使得中國等發展中國家高碳排放產品越來越缺乏競爭力。因此，碳中和對中國發展的戰略地位極其深遠。

2020 年9 月22 日，在聯合國大會上，中國承諾將采取更加有力的政策和措施，力爭到2030 年達到碳排放峰值，到2060 年實現碳中和。目前已經發布了指導方針和行動計劃，以推進低碳技術和可再生能源的發展和推廣。包裝行業作為中國國民經濟發展的重要組成部分，也是實現碳中和目標至關重要的一部分。目前，碳中和技術圍繞著能源結構、可再生能源利用和碳吸收開展。從包裝生命周期來看，包裝在廢棄處理過程中由于焚燒造成二次碳排放以及在制造過程中使用碳排放因子較高的化石能源是包裝行業高碳排放的主要原因[3]。由上述分析可知，為實現包裝行業碳中和目標，可以從減少碳排放和增加碳吸收兩方面進行探索。

本文結合包裝生命周期理論，從減少碳排放和增加碳吸收兩方面，總結碳中和技術的現狀、應用前景，并分析包裝行業實現碳中和目標存在的問題與挑戰。

1 碳減排策略

人類活動導致了地球變暖和出現極端天氣條件的頻率增加，其主要原因是化石資源的開采導致CO2的大量排放[4]。以2019 年為例，塑料生產消耗了全球石油供應總量的5%，向大氣中釋放了8.5 億t 的CO2，占全球CO2總排放量的2%[5]。與塑料相關的CO2排放中，61%是由原料提取產生的，30%來源于聚合物生產，而只有9%與廢棄物處理階段有關[4-5]，并且露天焚燒塑料廢棄物可能會增加1 億t CO2當量的排放量[6]。石化塑料產能正在增長，到2050 年，這種增長可能導致塑料生產和焚燒產生280 億t 的CO2排放量，占全球CO2排放量的10%～15%[4-5,7]。并且，由于新冠疫情的影響使得一次性包裝制品用量增加，會進一步增加碳排放量。研究結果表明，回收現有的塑料可以減少25%左右的CO2排放量，將現有工藝轉換為可再生能源供應將減少62%的CO2排放量[8]。因此，碳減排策略可圍繞新材料和新能源展開。在新材料方面，包裝行業可以按照圖1 的方式，通過研發可取代石油基聚合物的包裝材料和開發包裝材料高效回收技術實現碳減排。在新能源方面可配置清潔能源加工生產包裝材料及制品達到碳減排的目的。

圖1 包裝材料碳減排減排方式[9]Fig.1 Carbon reduction emission reduction methods of packaging materials[9]

1.1 可取代石油基聚合物的包裝材料

為了減少對化石資源的依賴，生物基聚合物可以通過使用可再生的非化石資源降低碳排放。遺憾的是，相關研究還不夠充分，尚且無法準確評估生物基聚合物的使用對包裝行業碳減排會產生多大影響。目前研究人員使用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）等工具評估生物基聚合物和化石基聚合物對環境的影響。研究結果顯示，使用生物基聚合物取代石油基聚合物每年可以節省2.41～3.16 億t CO2當量的排放[10-13]。對于總體環境變化，由于缺少足夠的相關數據支撐，尚不能確定生物基聚合物取代石油基聚合物將產生積極作用。

大量LCA 的研究顯示，生物基聚合物使用可再生資源生產能大大降低全球變暖的可能性。然而，這種積極作用往往被原料種植時使用肥料和殺蟲劑導致土地酸化和富營養化的副作用所抵消[10,14-15]。改善原材料的供應鏈，采取措施減少農藥使用和廢棄物焚燒可減少使用生物基塑料帶來的負面影響[16]。LCA 的結果在很大程度上還取決于生產階段使用能源和加工效率的假設。一些LCA 會將生物基聚合物與較高的能源使用聯系起來，從而對最后結果造成影響[10,14,17]。生物基聚合物如果使用填埋的方式進行廢棄物處理往往導致LCA 的研究結果較差，而一旦考慮到回收情況就會比較樂觀[17]。所以，生物基聚合物減少碳排放的能力高度依賴于材料制造工藝和廢棄物處理方法。

目前，生物基聚合物可分為2 種：天然生物基聚合物和合成生物基聚合物。天然生物基聚合物已廣泛用于制備包裝材料，例如纖維素、淀粉、蛋白質等，并且都具有可生物降解性能。合成生物基聚合物主要來源于小分子生物質，例如氨基酸、植物油、呋喃和脂肪酸等。但是合成生物基聚合物不一定具有可降解性能，因此，開發和使用可降解的生物基聚合物成為了研究熱點。目前，可降解的生物基聚合物主要分為3類：由生物質衍生單體合成的聚合物、由微生物或細菌制成的聚合物和天然聚合物。在包裝中應用最多的可降解生物基聚合物有聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、淀粉、纖維素、聚羥基鏈烷酸酯（Polyhydrox-yalkanoates，PHA）及其衍生物。

1.1.1 生物質衍生單體合成的聚合物

常見的生物質衍生單體包括脂肪酸、氨基酸、木質素等。生物質衍生單體可以直接從生物質原料中提取，也可以通過化學或生物轉化分解得到。

PLA 是典型的由生物質衍生單體合成的聚合物。PLA 是由右旋型乳酸（D-Lactic Acid，DLA）和左旋型乳酸（L-Lactic Acid，LLA）對映異構體聚合而成。因為PLA 具有高機械強度、優異的熱成型能力、生物相容性、單體可再生性和易于堆肥，已經在食品包裝中獲得應用[18–20]。此外，與傳統的石油基聚合物相比，PLA 的生產可減少15%～60%的碳排放和25%～55%的能源消耗[21]。但是PLA 固有的脆性、低耐熱性和水蒸氣阻隔性差，限制了其在包裝中的廣泛使用[22]。改善PLA 性能的技術包括共聚改性法和物理共混[23]。使用PLA 與三甲基六亞甲基二異氰酸酯（Trimethylhexamethylene Diisocyanate，TMDI）反應得到力學性能明顯改善的PLA[24]。對于質量分數為5%TMDI 改性的PLA，斷裂伸長率從2.5%可增加到52.8%，抗沖擊強度從46.3 J/m2可提高到73.2 J/m2。使用聚己內酯–g–淀粉納米晶和PLA 共混得到的復合材料[25]，在添加聚己內酯–g–淀粉納米晶的質量分數為5%時，抗拉強度從43.4 MPa 增加到57.2 MPa，斷裂伸長率也達到純PLA 的10倍以上。采用共混法制備得到的PLA和乙烯乙基醇（Ethylene -Vinyl Silane，EVOH）共混物[26]，當EVOH 的質量分數為50%時，PLA 的氧氣滲透系數從17.5 mL·mm/(m2·d)降低到5.5 mL·mm/(m2·d)，水蒸 氣 滲 透 系 數 從 1.5×10?14kg·m/(m2·s·Pa)降 低 到0.6×10?14kg·m/(m2·s·Pa)，氧氣和水蒸氣阻隔性能都得到了提升。通過一系列的改性方法確實提升了PLA的應用性能，并使得聚乳酸成為當前使用量較大的生物基塑料。

值得關注的是生物質衍生單體可以減輕與材料制造、使用或降解相關的毒性影響。例如，雙酚A可賦予材料剛性，是塑料包裝材料的常用添加劑。但它也是一種內分泌干擾物，攝入過量不利于人體健康。采用生物質衍生芳香族單體替代雙酚A，通過額外的環取代可降低相關材料毒性和對內分泌的干擾[27-28]。因此，生物質衍生聚合物具有應用于食品包裝中的潛力和優勢。除此以外，羥基酸、內酯、胺、醛和酮在生物質中也普遍存在，因此存在著用生物基聚合物替代石油基聚合物的可能。

1.1.2 微生物或細菌制成的聚合物

PHA 是由微生物通過各種碳源發酵而合成的不同結構的脂肪族共聚聚酯。目前通過單體單元的潛在組合可以形成無數種PHA 共聚物。研究發現有超過91種構成不同的聚羥基鏈烷酸，且數量還在不斷增加[29]。其中，聚3–羥基丁酸酯（Poly-3-hydroxybutyrate，P3HB）具有較好的等規性，因而具有較好的結晶度[30]，使得其具有優于其他塑料包裝材料的氣體阻隔性能。并且憑借其可生物降解的特性，PHA 形成了從原料到制品再到原料再生的閉環，很大限度地減少了對環境的影響[31]，顯示出替代當前一次性制品的潛力，如一次性瓶子、瓶蓋、泡罩包裝等。但由于材料本身的氣味問題限制了PHA 在包裝上的應用[32]。

1.1.3 天然聚合物

天然聚合物是從天然原料和可再生資源中提取的聚合物。在包裝方面應用最多的天然聚合物主要有淀粉、纖維素和藻類。

1.1.3.1 淀粉

淀粉是一種自然界大量存在的天然聚合物。淀粉包括支鏈淀粉和直鏈淀粉2 種類型。兩者的比例顯著影響著聚合物的物理化學性質，較高的直鏈淀粉含量有助于提高聚合物的強度，支鏈淀粉會導致聚合物的拉伸強度降低。天然淀粉在自然界中多以雜聚物的形式存在，并以不同的形式與常規聚合物共混生產生物基聚合物。多項研究表明[33–38]，淀粉共混聚合物具有低透水性、高拉伸強度和更好的熱穩定性，并且在好氧和厭氧環境中都容易降解，釋放出的副產物可作為化學產品。再加之淀粉基聚合物具有資源可再生、可生物降解和氧氣阻隔性高的特點，其在包裝領域的應用前景廣闊[39-40]。

1.1.3.2 纖維素

纖維素同樣具有來源廣泛和可生物降解的特點。纖維素原料可來源于棉絨、玉米殼、小麥、稻米、玉米和大麥稈等植物副產品或農業廢棄物，在價格上具有競爭力。由植物副產品或農業廢棄物改性得到的醋酸纖維素（Cellulose Acetate，CA）在土壤和水中都能有效分解，并且回收效率較高。由亞麻纖維和棉絨制成的CA 在堆肥模擬實驗中14 d 內分別損失了初始質量的44%和35%[41]。除此以外，纖維素和纖維素衍生物制成的涂層和可食用薄膜還能有效提高新鮮農產品的保質期。纖維素膠可防止水果的酶促褐變，并且添加蛋白質可進一步增強纖維素膠對新鮮水果氧化的抑制作用[42]。與其他生物基聚合物相似，纖維素類聚合物的機械強度不高，而且纖維素材料的溶脹行為、低抗潤濕性限制了其在包裝行業中的應用。目前，已有通過羥基酯化的方式來提高機械強度[43]和采用表面疏水改性的方法提高纖維素類聚合物的抗濕性能[44-46]的報道，進一步增加了纖維素類聚合物作為包裝材料應用的可能。

1.1.3.3 藻類

藻類塑料具有較高的光合效率和生長速率，也逐漸受到關注。藻類生物質不與食物來源競爭，有可能成為生物基聚合物持續的來源。到目前為止，已有2種方法可從藻類中獲得生物基聚合物。一種是在機械或物理擠壓后將藻類生物質與增塑劑和添加劑進行復合得到；另一種方法是提取在藻類細胞內培養的生物基聚合物，例如淀粉和聚羥基丁酸酯。小球藻和螺旋藻均已用于制備生物基聚合物。小球藻主要用于生物質和塑料共混材料中。通過使用甘油等增塑劑[47]和馬來酸酐（Maleic Anhydride，MAH）等增容劑[48]，使得藻類生物基聚合物材料的拉伸強度得到了提高，并且MAH 的添加也增強了材料表面光滑度[49]，拓寬了其在包裝中的適用范圍。由于氨基酸含量不同，螺旋藻表現出與小球藻不同的混合特性[33]。可使用螺旋藻作為填料制得熱塑性塑料，當螺旋藻質量分數達到30%時，其拉伸模量可從36.5 MPa 提高到273.1 MPa，而樣品的水接觸角可從41°降低到22°[50]。三角褐指藻、萊茵衣藻[51]及其聯合體[52]被用于生產細胞內生物基聚合物（如淀粉或PHA）。但是，制備過程中因使用化學添加劑和增塑劑限制了它們在食品、飲料和藥品包裝中的應用。

雖然與石油基聚合物產品相比，生物基聚合物具有眾多優點但也存在不足。盡管生物基聚合物減少了對化石燃料消耗的壓力，但其生產工藝復雜導致成本較高，部分工藝不夠成熟限制了它們的普及。隨著可生物降解聚合物工業規模化生產的勢頭越來越大，生產工藝的不斷改進，成本有望大幅降低。此外，回收的生物基塑料外觀看起來與傳統塑料相似，但如果沒有貼上適當的標簽加以區分，可能會污染現有的回收系統，甚至對野生動物和海洋環境有害[53]。而且，用于生物基塑料生產的作物種植可能會與用于糧食生產的作物形成競爭[54]。盡管如此，在過去幾十年中，生物基塑料的使用量顯著增加。為了推廣生物基聚合物廢物的大規模應用，實現可持續生產、使用和管理，需要建立適當的標準和指南。對生物基塑料進行生命周期評價，評估其對環境的影響[55]，建立科學合理的生產、管理制度。

1.2 廢棄包裝循環利用技術

為了減少石化資源的使用和碳排放，另一個較理想的解決方案是通過化學循環的方式將包裝廢物直接轉化為性能不變的聚合物生產原料（圖2），即聚合物單體。

圖2 通過解聚對聚合物廢物進行化學回收[56]Fig.2 Chemical recovery of polymeric waste by depolymerization[56]

聚合物解聚成單體形式進行回收要滿足熱力學和動力學條件[57]。解聚反應焓必須超過聚合物單體平移所損失的熵才能使反應進行。反應達到平衡狀態是指在該溫度下吉布斯自由能的變化為零，意味著達到系統的臨界溫度。聚合物系統在低于臨界溫度時有利于聚合，而在高于臨界溫度時有利于解聚。為實現單體轉化率大于99%的目標，系統必須遠高于臨界溫度。焓與熵比值的大小決定了單體和聚合物之間完全互相轉化所需的溫度之差。許多聚合反應溫度差大大超過了這個閾值，并且由于吉布斯自由能太高，無法實現單體與聚合物之間的循環。所以，成功的化學回收過程必須在聚合和解聚能量之間取得平衡。

聚烯烴由sp3雜化C?C 和C?H 鍵組成，解聚需要克服苛刻的條件才能實現熱解相關的高活化勢壘[58]。聚乙烯（Polyethylene，PE）和聚丙烯（Polypropylene，PP）就是典型的通過C?C π 鍵加成形成的聚烯烴，很難通過熱解的方式解聚成為單體。PE 的熱解對單體僅實現了適度的選擇性，轉化率只能達到25%，大多數產物是其他氣體或者少量的碳[59]。PP 只有在使用電感耦合等離子體反應器時才能實現轉化率大于94%的高選擇性[60]。聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）由于競爭反應，永遠不會生成氯乙烯單體。聚苯乙烯（Polystyrene，PS）的解聚會產生大量的副產物，如苯乙烯、甲苯、α–甲基苯乙烯、1,3–二苯基丙烷以及苯乙烯二聚體和三聚體[61]，使得回收后的分離過程極為煩瑣。但還是存在聚烯烴可以完全轉化成單體的案例。聚甲基苯乙烯（Polyparamethylstyrene，PAMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）都可以幾乎完全恢復為單體[62-63]。然而，他們的力學性能無法與聚烯烴相比，都沒能在商業中廣泛運用。

理論上，任何通過開環聚合生成的高分子都可以實現化學單體循環。多數聚酯都是通過開環反應制備，并且存在易受親核攻擊的高極性sp2氫化羰基鍵（C=O），因此聚酯是化學回收的理想候選者[64]。聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）是包裝中用量最大的聚酯類材料，同時PET也是在聚合物化學回收方面研究最多和商業應用最為成熟的材料。如圖3 所示，目前PET 主要的化學回收反應：水解為對苯二甲酸，甲醇分解為對苯二甲酸二甲酯，氨解為對苯二胺，對苯二甲酸氨解成二元胺，糖酵解為雙2–羥基乙基對苯二甲酸酯和還原性解聚[65]。除此之外，由七元環ε–己內酰胺合成的尼龍 6 也是化學單體回收的理想材料。自 1960年以來，人們一直在研究尼龍6 的解聚回單體的技術，并且尼龍6 的化學回收已經有了幾十年的商業運營[66-67]。但是通過化學回收獲得的單體來生產的尼龍6 只占到了全球每年尼龍6 產量的2%[68]。從尼龍6、PMMA 和PAMS 的例子中可以看出，即便聚合物滿足化學循環的熱力學和動力學要求，也不足以確定其商業實用性。

圖3 PET 化學回收方法[69]Fig.3 PET chemical recycling method[69]

在聚合物單體化學回收方面還存在著一些挑戰。可化學循環材料的回收量與它們的生產規模大致成反比。PS 和PET 的產量與其他包裝材料的產量相比較低，但PS 和PET 的單體回收率都可達到90%以上[51,65]。然而，對于生產量最大的3 種聚合物，PVC、PE 和PP 的回收率卻不盡如人意。PVC 在化學原理上是不可能實現單體回收的[70]，PE 和PP 是極不易進行單體回收。另外，目前研究關注單體回收的都為單一樹脂，但包裝廢棄塑料多為復雜的混合物，除了多層復合材料外，還包括染料、穩定劑、增塑劑、填料和其他制造添加劑[71]。這些助劑的加入可能會對聚合物系統的臨界溫度和單體回收率產生影響。目前，僅有少量通過共價適應網絡（Covalent Adaptable Networks，CANs）來實現單體與材料添加劑分離的案例。Christensen 等[72]通過動態共價二酮烯胺鍵實現塑料的閉環回收。在強酸性條件下，單體從染料、無機填料、阻燃劑中回收和分離。對大部分復合材料體系還需要開展大量的研究工作。

1.3 清潔能源

使用清潔能源和改善能源結構是實現碳減排的另一種重要途徑。2021 年，全球能源燃燒和工業生產過程中的CO2排放量回升，達到有史以來的最高水平[73]，并且與2020 年相比排放量增長了6%，達到36.3 千兆t[73]。預計到2050 年溫室氣體排放量將增加50%，并且其中增量的70%與能源相關[74]。由此可知，清潔能源的使用將減少大部分的碳排放。使用清潔能源也是包裝行業實現碳中和目標的重要途徑。當前主要的清潔能源技術如表1 所示。從表1 可知，推廣應用太陽能、風能等可再生能源被認為是實現碳中和的最重要和最有效的手段。核能和氫能因具有資源消耗低、污染風險低的優勢，被確定為保障國家能源安全和實現“碳中和”目標的戰略途徑。此外，生物質能源的利用也是能源結構重組的關鍵。

表1 清潔能源技術Tab.1 Clean energy and technology

木質纖維素生物質既是紙包裝原料，也是常見的生物質燃料。因其來源廣、產量大，是包裝行業值得關注和利用的能源轉換材料。其能量轉化方式包括化學轉化和生物轉化。化學轉化方式主要包括氣化、熱解和燃燒。通過燃燒產生的生物質能大約占化學轉化方式能源總量的90%[74]。熱解可以在沒有氧氣的情況下，在400～1 000 ℃的溫度下通過熱分解將生物質轉化為酸、酯和醇等化學產品。氣化轉化則通過使空氣、氧氣或蒸汽在500 ℃以上的溫度下反應，將碳質材料轉化為可燃氣體或合成氣體，產生H2、CO 和CH4等[75-76]。此外，化學轉化還可通過酯化或酯交換將植物油和動物脂肪轉化為脂肪酸酯以生產生物柴油[77]。生物轉化最常見的方法是發酵和厭氧消化，將生物質轉化為醇和烷烴等液體燃料、氫氣或類胡蘿卜素等不同類型的生物產品[78]。

盡管生物質資源豐富，但生物質能作為生產能源仍需解決一系列的問題。生物質運輸到生物能源生產地點的高成本以及生物能源原料生產的可持續性較差的問題是制約生物質能使用的主要原因。目前，在生物質能利用方面的主要工作是提高生產力和降低成本，進一步擴大生物質能在能源消費總量中的比重。

煤炭、石油和天然氣等化石能源仍占全球能源消費總量的主導地位。相比之下，不產生碳排放的太陽能和風能僅占能源消耗的小部分，而且存在不能持續供應的問題。如果用一刀切的方式來停止化石能源的使用既不現實，也會對國家經濟造成影響。應采取逐步過渡的措施，考慮構建多種能源混合的體系。如圖4，由能源和化學部門聯系將灰色和綠色能源轉化為甲醇和氨作為能源載體，能源轉化為化學產品的過渡方式會更加平穩有效[79]。例如，近些年所提出的液態陽光，將太陽能與捕獲的二氧化碳和水相結合，產生甲醇和酒精等綠色液體燃料[80]。

圖4 多能耦合系統[79]Fig.4 Multi-energy coupled system[79]

2 碳移除途徑

CO2捕獲、利用和封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，CCUS）技術是實現CO2移除目標的必要技術。CCUS 技術包括3 個不同的過程：將CO2從排放源中分離出來，CO2轉化和利用，以及長期與大氣隔離的地下儲存。

2.1 碳捕捉

如圖5 所示，CO2捕集的技術路線主要有燃燒后捕捉、燃燒前捕捉和氧燃料燃燒。

圖5 CO2 捕集技術[86]Fig.5 CO2 capture technologies[86]

在燃燒前分離CO2的方法稱為預燃燒。燃料氣化成由CO 和H2組成的混合氣，然后轉化為CO2和氫氣，再從H2中分離出CO2[81]。這一過程可以生成氫燃料，也可以妥善處理CO2，并且隨著液化天然氣技術的發展，運用得越來越廣泛。

燃燒后從廢氣中分離出CO2，是能源系統中CO2回收的最簡單方法。燃燒后捕集技術所采用的氣體分離技術包括物理吸收、化學吸收、膜分離等。由于燃燒后煙氣處理量大且CO2濃度低，所以化學吸收法是用于燃燒后二氧化碳捕獲最合適的分離技術[82]。燃燒后捕集的優點是操作方便，不需要對發電系統進行過多的改造。但是由于N2稀釋使得能源系統尾氣中CO2的濃度通常很低，僅通過改進吸收器和優化工藝很難顯著降低分離能耗。目前，燃燒后分離的研究重點是尋找高效吸收劑，并優化分離工藝以降低CO2分離的能耗。

針對常規空氣燃燒存在稀釋CO2的問題，研究人員提出了氧氣燃燒法。如圖5c 所示，燃料在O2和CO2的環境中燃燒，一部分煙氣返回系統循環。通常煙氣中CO2體積分數可達95%以上，所需的O2主要通過空氣分離產生。其中空氣分離技術包括使用聚合物薄膜、變壓吸附和低溫技術[82-84]。氧氣燃燒的優點是煙氣主要由CO2和蒸氣組成，因此CO2分離的能耗接近于0。但由于需要制氧，空氣分離裝置的能耗較大，同時也會增加系統的額外投資。

目前碳捕獲技術主要應用于電力行業，捕集由化石燃料燃燒產生的煙氣中的CO2[85]。碳捕集技術可以被視為降低化石燃料燃燒造成CO2大量排放的一種補救手段。目前還沒有碳捕集技術應用在包裝行業中的案例。通過當前碳捕集技術的發展現狀可知，碳捕集技術在包裝廢棄物焚燒處理和傳統石油基聚合物包裝材料生產過程中最具有應用潛力，因為這2 個過程中都伴隨有大量的含CO2煙氣排放。如果可以對包裝廢棄物焚燒過程中產生的CO2進行捕集并加以利用或封存，從包裝的整個生命周期來看將極大地減少因碳排放而造成對環境的影響，甚至可能產生對可降解包裝材料的挑戰。因此，運用LCA 法比較使用碳捕集技術后的難降解包裝和可降解材料之間碳排放的差異將具有重要意義。

2.2 碳利用

CO2化學利用指在一定的溫度、壓力和催化劑存在的條件下，將CO2轉化為其他化學品的過程。CO2化學利用可以直接實現CO2的轉化利用，具有一定的直接減排效果[87]。同時，這類技術還可以形成新的化學合成路線，替代石化燃料或原材料。為了促進二氧化碳的轉化，人們開發了多種方法，如熱化學催化、光化學催化、電化學催化等。

在CO2轉化的各種方法中，熱化學過程已得到深入研究，有些已商業化。在熱化學催化中，將CO2整合到某些有機底物中，在催化劑的作用下形成新的C?X 鍵[76–92]，以產生有價值的化學品。因為CO2在熱力學上是穩定的，且在動力學上是惰性的，所以許多反應要在高溫或高壓下進行，使得光化學和電化學催化成為有吸引力的替代技術。光化學催化以取之不盡的太陽光作為能源，利用各種半導體作為光催化劑，在光照下進行CO2光還原。近年來，TiO2、ZnO、ZnS、SrTiO3和CdS 及其改性材料被用作催化材料，應用于將CO2催化還原為CO、CH4、CH3OH、HCOOH等燃料[93–97]。通過電化學方法將CO2還原是實現碳中和要求的重要途徑[98-99]。電化學法能夠將來自陽光和風的間歇性可再生電力轉化為可儲存的燃料和有用的化學產品。但是，光化學和電化學催化CO2轉化尚未實現大規模的應用。因此，需要做更多的工作來提高現有路線的轉化效率和探索高效的催化劑和反應介質。

除了上述3 種催化方式外，CO2的酶促和有機金屬轉化也是極具吸引力的碳利用方式。目前，已經成功應用上述方法獲得各種有用的CO2還原產物，如CO、羧酸和環狀碳酸酯[100–103]。然而，這些領域的發展仍處于起步階段，需要付出相當大的努力來理解控制催化活性的結構特征和獲得適用于將CO2轉化為有用化學品的實用催化劑[104]。因此，應當加強催化劑的開發與應用。不論是在聚合物化學回收中還是在二氧化碳的利用中，合適的催化劑將有利于實現聚合物到單體的完美循環和產物的轉化，并減少能量的消耗。催化劑結構微小的變化都會對聚合物的合成產生巨大影響，包括速率、拓撲結構、分散性、立構規整度和共聚單體的摻入。機器學習和分子動力學等計算方法可以成為幫助預測催化劑結構的工具[105-106]。

在現有的研究中，對CO2的利用通常都是將其轉化為更有價值的產品。包裝行業中可將CO2轉化為可生物降解的塑料。例如，使用紫色硫細菌利用CO2和陽光生產PHA[107]，以及將CO2作為原料制備具有化學循環功能的聚合物，如CO2和環氧化合物共聚合成脂肪族聚碳酸酯[108-109]。這些碳利用的例子不僅有利于碳中和目標的實現，還能夠在包裝行業發展循環經濟。除此之外，包裝行業還具有直接利用CO2的優勢。例如，在食品包裝中將CO2作為碳酸飲料的注入氣體，利用CO2的抑菌作用還可以將其作為食品包裝的保護氣[110-111]，以及使用CO2作為氣柱袋的填充氣[112]。利用以上優勢，碳利用技術在包裝行業實現碳中和目標過程中顯示出了相較于碳捕捉和碳儲存技術更好的適應性，巧妙地在包裝生命周期中實現碳循環。

2.3 碳儲存

自然封存是直接利用植物自身的固碳能力，通過對生態系統的修復和提升來封存CO2。自然封存可以同時兼顧環保和經濟發展，但是周期較長且投入較高。人工封存是指通過工程技術手段將捕獲的二氧化碳儲存在地質構造中，可以實現從大氣中長期隔離二氧化碳。封存地質體主要包括陸上含鹽含水層封存、海底含鹽含水層封存、枯竭油氣田封存等[113]。但是，大量CO2注入引起的地震活動不僅本身會直接造成經濟損失和人員傷亡，而且會使儲存的CO2從地下泄漏，進而對周圍的植物、動物和人類健康造成危害[114-116]。因此，運用地質封存的方法還需要進一步的評估。此外，在使用自然封存手段時要因地制宜，評估不同地區的自然封存能力。

3 結語

實現碳達峰和碳中和的目標還面臨著很多挑戰，需要多學科研究人員共同協作、共同努力。

隨著碳中和目標的推進，新一代的包裝材料可能會在這一過程中誕生。可以通過選擇性轉化植物和其他非化石生物原料來獲得具有獨特化學功能的生物基化合物，以開發新的聚合物來取代化石原料產生的聚合物。除此以外，還需要開發更高效、更具有選擇性、更低能耗的包裝制品回收工藝來處理來自石油基包裝的廢棄物。

對于達到碳中和的目標，首要解決的是能源問題。當提出碳中和目標時，希望清潔能源可以替代所有的石化燃料。然而，由于清潔能源不穩定，尚不能滿足能源安全的要求。盡管大規模儲能可以增強可再生能源的穩定性，但需要重新考慮其總成本和環境影響。此外，向清潔能源的過渡可能意味著需要對當前以化石燃料為基礎的能源生產、傳輸和供應系統進行徹底的重建或改造，而這一成本是巨大的。所以，包裝行業在推進碳中和目標時要從能源、經濟、環境、政策等多方面進行考量，選取合適的低碳能源和碳中和技術。