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包装材料与环境
 近年来,包装在工业中占据着及其重要的位置,据不完全统计,世界每年包装用材料的销售额约为500亿美元,从业人员超过500万,占国民生产总值的1.5~2.3%,发达国家的包装工业在其国内属于第九或第十位大产业。我国自改革开放以来,包装工业取得了迅速发展,但因受技术、资金、管理水平等的限制,对包装材料与环境的有机融合、生态化循环再生的研究和实施上还处于较低水平。
   一、包装与环境的矛盾
   包装材料由于使用寿命短、使用量大、废弃后难以降解,固体废弃物量大并难以集中,对城市环境和人体造成严重危害,所以是最早引起公众关注的产品。美国每年产生的城市垃圾达1.5亿吨,其中1/3是包装废弃物。欧共体国家每年城市固体废弃物均为1亿吨,其中包装废弃物为8000多万吨。日本每年城市固体废弃物约为5000万吨,其中包装废弃物为2100万吨。据统计,中国每年生产的包装制品有70%在使用后被抛弃,按照2000年包装生产量计算,就有1500万吨包装废弃物,人均12Kg。
   包装在环保方面的研究,不仅仅要关注包装物的最终去向,而更应该关注包装物的整个生命周期各个过程对生态环境的影响。包装物的生命周期对生态环境的影响几乎涉及大气、水体、土壤、海洋、森林等各个方面。包装采用的原料如纸、塑料、玻璃和金属对环境的影响有目共睹,而包装物所造成的污染也有其自身的特殊性,在商品化社会,只要有人类活动的地方,包装就伴随商品散布到各处,所以污染面广;一次性包装物占很大比例,生命周期短,废弃量大;人口又相对集中在沿海和城市,对城市的生态环境造成巨大的压力,在城市垃圾中包装废弃物所占体积,已经达到30%~40%,目前我国已经有2/3的城市陷入垃圾包围之中。
   2000年我国塑料制品产量达到1600万吨,包装塑料以26%计算,达到400多万吨,在一些大城市垃圾中我国塑料类废弃物比例已达到和超过发达国家的水平,复合制品日益增多,塑料制品难以降解,不易回收。
   随着经济发展,消费观念的变化,包装材料消费量日益增大,出现了“白色污染”并日趋严重,白色污染主要是指塑料包装品使用后被遗弃在环境中造成的污染。我国塑料餐盒生产能力已超过70亿只,一次性塑料包装袋已经成为生活必需品。发达国家在20世纪70年代就出现了“白色污染”问题,并开始研究对策。1997年国家环保总局提出了“以宣传教育为先导,强化管理为核心,回收利用为手段,产品替代为补充”的防治对策。“白色污染”造成的危害包括:在铁路、公路、内河和海洋航道、旅游景点、城市街道,地水面上、地面、空中和树上到处漂浮飞舞,严重破坏生态景观;塑料包装品难以降解,在自然界的降解周期约为200~400年,在土壤中破坏结构,溶出助剂污染土壤和地下水;进入河流、湖泊和海洋航道,影响航运,使水质变坏,并影响水电站正常运行;被陆地或海洋动物误食可致病直至死亡。关于塑料包装与环境的矛盾,应主要从以下几个方面进行研究:
  1、就目前来讲,塑料包装与传统包装材料相比,环境负荷低,并且性能优秀,并具有经济性,所以塑料包装的社会需求还会不断的增长,但可以考虑尽量少用。
  2、塑料包装,尤其是一次性塑料包装材料其难以降解性和毒性组分,如重金属颜料和增塑剂等,使用后如不妥善处理对生态环境的危害也是毋庸置疑的,所以应当加强综合管理,回收处理,并开发与环境相调和的新型塑料包装材料。
  3、目前的塑料包装材料大部分是热塑性塑料,可以回收并再资源化,并且已经有相对成熟的回收技术,所以应当通过综合措施,提高回收塑料包装材料再资源化比例,提高经济效益,减轻对环境的压力。
  4、任何新型塑料包装材料和非塑料包装材料取代目前所使用的包装材料都必须通过环保化研究,防止只注意末端污染,防止以一种污染形式或场所代替另一种污染形式或场所。
   二、包装的环保化设计
   包装的环保化设计,应充分考虑包装的整个生命周期过程对资源、能源及生态环境的影响。包装材料根据其用途不同,要求具有不同的功能,为了满足同时具有不同的功能,往往采用几种不同材料的复合,而多种材料复合无疑给循环再生带来困难。所以要求在设计中考虑功能性和环境适应性的平衡和统一。包装材料的环保化设计应当考虑降低材料生命周期的环境负载,主要包括以下各项要求。
    1、考虑有害性。需要考虑对水、油和溶剂可溶出物质的有害性,例如泡沫聚苯乙烯碗面容器、聚碳酸酯食品盒、聚碳酸酯奶瓶被列入环境激素可疑包装;聚氯乙烯食品包装袋游离单体氯乙烯是否低于标准要求(0.5μg/g以下);所使用的辅料是否含有铅、汞、镉、六价铬等有毒、有害金属;包装材料回收处理是否有有害物质排放。
    2、节省资源。设计时应考虑以下要求。
   ⑴包装设计应避免叠床架屋,过度包装;
   ⑵循环使用的包装,材料要长寿合化;
   ⑶在便于使用情况下,内容物重量与包装材料重量比,尽量最大化;
   ⑷尽量采用低密度包装材料;
   ⑸采用高性能材料,降低材料消耗。
   3、节省能源。尽量选择材料生命周期总能耗小的材料。要考虑包装材料环境负载与容积、强度的平衡,多数材料是以单位重量计的环境负载,页包装材料的特点是要综合考虑单位体积与单位刚性(结构材料的需要)环境负载因素。所以大型容器可选择质轻的聚酯瓶,小型并要求具有强度的容器可选择钢铁,纸由于强度低,不适合作大型容器。玻璃和铝能耗高,但可循环再生,是否适宜,取决于回收率和循环再生效率。
   4、包装的功能性。包装材料的设计要满足内容物的理化性质要求,具有有效的保护功能,例如蔬菜、水果要求材料具有透气性、透湿性,冷冻食品要求材料有低温下的韧性,易氧化食品包装材料要求气体阻隔性。功能性降低造成内容物丧失商品性,无疑是包装和内容物的资源和能源的最大消耗。另外要保证包装材料强度和包装的封合性,防止包装过程、运输过程、储存过程、使用过程存在产品“跑、漏、飘”等现象,造成环境污染。
   5、包装废弃物的循环再生性。包装的环保设计应考虑包装废弃物的循环再生,包括下列几方面。
   ⑴包装材料应选择适合现有的回收再生系统,或将来可能建立的回收再生系统的材料,可提高回收率和降低回收费用。尽量采用目前回收技术已经成熟的材料。采用易于识别材质的材料或附有识别标志的材料,利于分类回收。
   ⑵采用减容化设计,使用后可折叠,易施力压块,复合材料包装材料易分离,外形设计适合于运输减容。
   (3)玻璃容器采用透明或茶色玻璃,尽量不使用杂色玻璃。
   ⑷塑料包装尽量采用使用后可降解、可堆肥的塑料材料。
   ⑸尽量采用使用后经简单处理(例如洗涤)可再使用的包装材料和设计。可再使用包装应选择易洗净的包装材料。
   ⑹尽量采用可重新使用的包装容器,例如玻璃、部分塑料容器。
   ⑺尽量选择包装废弃物焚烧或降解、堆肥、填埋处理过程没有二次污染的材料。
   ⑻尽量采用再生材料或废材做包装材料。
   ⑼在满足功能要求情况下,尽量选择单一材料的包装设计。
   ⑽需要焚烧处理时,要选择残渣少或无残渣的材料,例如避免铝箔复合材料。要选择燃烧热低的材料,因为可缩短燃烧炉的寿命。
   三、环保化包装材料的使用
   1、塑料包装材料
   塑料包装材料具有重量轻、透明性好,有良好的加工性能,有很好的抗腐能力,机械性能好,阻隔性高,易于多元复合而获得多功能,价格低,资源和能源消耗少,环境负载小等很多优点。现代包装是随着塑料工业的发展而发展起来但由于消费量迅速增大,造成严重的白色污染,导致人们认识到必须采取相应措施,进行彻底的治理,采用环保型包装。解决的途径是塑料包装环保化,其中包括以下几项措施。
   ⑴可降解塑料包装材料。随着ISO14000的实施,可降解塑料包装材料进一步受到关注。可降解塑料开发以来,由于光降解塑料分解为水、二氧化碳、塑料粉末或低分子齐聚物,还会成为新的污染源,一般淀粉填充破坏型分解慢,而且分解的碎片依然污染,微生物降解塑料较为理想,但价格较高。可降解塑料包装材料适用在特定应用领域和一次性包装材料。可降解塑料包装材料产量增加相当快,但在整个塑料中占的比例还相当低。近年全降解塑料工业化有了快速发展,德国工业标准DIN54900规定,180天内转化率达到60%的为全降解塑料,脂肪族二醇和芳香族二羧酸聚合物和聚乳酸均可达到标准。
   ⑵可回收塑料包装材料。聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)比PET耐热性更好,可承受低酸性食品要求的消毒条件(116℃,63min),而PET仅耐70℃,特别是阻气性防紫外线性更好,货架寿命长,可代替玻璃瓶,因而在啤酒、饮料、化妆品、食品等包装具有广泛的应用前景,并认为是可以重新使用的包装。
   ⑶发泡包装材料。发泡聚苯乙烯(EPS)由于一次性餐盒的泛滥,形成人人喊打的局面,但在包装材料中依然占据相当的位置,由于用料少,95%~98%是空气,环境负载低,在塑料中也是最易处理的。EPS是优秀的保温、保冷和缓冲包装材料,以各种形式代替木箱,用于家电、电子仪器包装缓冲材料和鱼箱等。按照“蒙特利尔国际公约”规定,禁用CFC发泡剂,发泡塑料生产正在走向“零ODP”、“低GWP”的低污染工艺。目前发展的高熔体强度聚丙烯(HMSPP),与聚丙烯均聚物可生产出具有细小微孔而且均匀分布的发泡聚丙烯,由于密度低,比同样性能聚丙烯片材节省20%原材料,同样环境负载也降低。为降低环境负载,又开发了发泡包装缓冲材料代用品,如气泡塑料薄膜、纸浆模塑制品、纸塑复合袋充气垫等。
   ⑷薄壁容器,袋状容器。减量化是包装材料环保化的重要方向。推行以薄膜代替瓶,以单层膜代替多层膜,瓶、罐减薄化以达到减量化。主要通过改变消费观念、进行环保设计、提高包装质量,材料高强度轻质量等措施实现。采用袋中袋(Bag-Bag)或箱中袋(Bag-Box)比瓶类减少塑料废弃量,又可保持容器牢度,瓦楞纸箱可回收。近年来茂金属塑料技术的发展,将会对塑料包装减薄,为取代部分玻璃、金属包装的应用领域做出贡献。茂金属塑料具有诸多优越性能,高强度、高刚性、薄膜稳定性好、透明和耐热,目前聚乙烯世界年需求量为4000万吨,预计2005年将增加到5000万吨,所增加部分大多为茂金属聚乙烯。
   2、可食性包装材料
   主要用于食品和药品包装,采用淀粉、蛋白质、植物纤维和其它天然物质为原料。包装对人体无害,可食用并具有一定强度。例如冰淋杯、药物胶囊等已被应用,目前研究成熟已在开发的有淀粉肠衣、淀粉餐具等,正在扩大应用范围。
   3、天然生物包装材料
   利用天然生物资源开发包装材料具有环境负载低,资源丰富的特点。充分利用竹、木屑、麻类、棉织物、柳条、芦苇、农作物秸秆、稻草和麦秸等原料,扩大包装品种,提高技术含量成为包装环保化方向之一。长期以来人们已接受筐篓等包装,只是由于包装材料多样化后和天然生物材料包装生产技术停滞,逐渐有萎缩趋势。近年来由于人们环境意识提高,天然生物包装材料重新受到国内外的重视,例如,国内开发的农作物秸秆、稻草为原料的聚苯乙烯泡沫餐盒代用品。蒲叶经热定型、漂白、杀菌制造一次性餐皿受到国外进口商青睐。
   4、纸包装
   纸包装有以下独特的优点。
   ⑴原料来源广泛,容易大批量生产,生产成本低,可回收制再生纸;
   ⑵密度小,运输方便,使用方便;
   ⑶加工性能好,折叠性优良,便于成型,可使用各种封合方法;
   ⑷印刷性好,易吸收油墨和涂料;
   ⑸可与塑料膜、铝箔等其它材料制造复合材料包装;
   ⑹纸包装依然在世界包装材料中占据首位。我国森林资源贫乏,所以应积极发展非木浆造纸,采用芦苇、甘蔗渣、棉秆、麦秸、竹等代木造纸,扩大原料来源。另外,通过开发新型纸浆增强剂和改进瓦楞纸板结构,提高纸强度,减少纸板厚度,达到减量化的目的。
   四、包装材料的循环再生
   生产厂内的工业废弃物相比使用后废弃物的回收利用,其发生源明确,品种、数量易于把握,极少混入杂物,因此可以进行最有效的回收方式。即“封闭系统”回收。
   对塑料成型中的回收利用有线内型和联合型。线内型是在生产线内,切边料依制品而定的再生材料的混合比,回收利用。联合型是将废弃物集中处理,可自由设定再生原料的混合比,但异物和其它品种塑料参与混合的机会多。
   玻璃、金属和纸包装产品工厂可返回到原料重新利用。塑料包装不能回收的废弃物,多数是复合包装废弃物,可采用燃烧或填埋处理。近年由于小型热分解气化炉和燃烧炉、小型发电设备技术有了进步,利用废弃物燃烧回收热能的企业在增加。
   包装物使用后废弃物的回收利用凡要有以下几个方面。
   1、玻璃容器的回收
   大量使用的是啤酒瓶、酒瓶、可乐瓶、饮料瓶,其次是各种药瓶。啤酒瓶回收再使用是废弃物循环再生成功的例子,主要有合理的回收机制,消费者形成良好的意识。药瓶一般混入城市垃圾。异型瓶和生产量较少的玻璃容器回收率低。对不能重新再用的玻璃瓶可用来作为玻璃材料,代替硅土砂、石灰石和苏打灰。其优点如下:
   ⑴节省能源。玻璃生产中使用废玻璃量增加10%可节省能源约3%。
   ⑵节省原材料和减少污染。每使用1吨废玻璃可节省原材料1.2吨,椐计算,可节省由原材料开采、加工、包装和运输而发生的能耗100kg石油或其当量。另外,还可降低熔化炉的废气和粉尘排放量。
   回收废玻璃容器重新熔融利用,其回收物要经过处理和分离,分离出有色玻璃、硬质玻璃、铁、重金属和陶瓷类,以达到制瓶质量要求。废玻璃与异物分离很难采用常规方法,磁选可除去磁性物料,经破碎和风力分选机,最后可很到28目、含量90%的玻璃粉。
   2、纸包装的回收
   纸包装使用量较大的为包装用纸板和包装箱纸板,我国旧瓦楞纸有稳定的回收机制,基本上可以得到回收,但总体上还落后于发达国家。纸板、一般纸袋和包装纸的回收可采用一般纸回收处理方法,但要经过软化、分散、通过过滤、离心分离除去装订铁、胶和其它异物。与新浆区别,要用表面活性剂将印刷油墨乳化分解去。
   3、塑料包装回收
   ⑴推行可重复使用容器。容器重复使用是塑料容器最佳回收方式,环境负载低,废弃塑料垃圾可减量并降低成本,各国及大型公司都在积极努力推行。目前工业液体原材料或部分液体商品大型塑料容器重复使用已被工业和商业部门采用。饮料容器及其它液体商品容器,尤其周转量大的容器包装,通过制定标准瓶、容器大型化、标志化、功能化、开发灭菌洗涤技术、建立有效回收机制(如普及回收网点、押金制等)等措施得以实现重复使用。
   ⑵标志化。塑料包装的特点是品种多,外观相似,为回收处理带来困难。标志化可便于分类,简化处理过程和成本。目前有美国塑料工业协会(SPI)的塑料种类识别标志,简明易认,得到企业和消费者的认可。德国1991年制定了DIN-1220回收利用标志。
   ⑶塑料包装材料的回收技术。根据德国、日本包装回收法实施经验,回收均以材料回收放在优先位置,因为是低熵化的处理方式,但受到技术、经济因素的制约。材料回收必须分类回收,再生品质量低,随着回收机制成熟和技术进步,成本下降,材料回收比例将会提高。化学回收只限于个别品种,PS、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)热解回收单体,PET、尼龙水解回收单体,目前主要取得经济合理性。塑料包装材料热油气化,可以处理混合塑料废弃物,是一种理想的处理方法,但回收油气价格依然高于原油价格。经济上比热解法更有利的是可作为高炉还原剂和热源。各种回收方法的选择都离不开经济合理性和技术先进性,为推进包装废弃物回收事业,一些国家制订社会系统分担回收经济的政策。
   4、金属包装的回收
   我国工业、商业用大型包装钢桶、铝桶和铝易位罐因其残值高,基本上都被回收,大型桶以复用为主,铝易位罐统计2000年达到80亿只,耗用铝达20万吨,受到回收机制、分选和冶炼技术限制,再生铝工艺处于初级水平,一般只能熔融后做成其它低值铝制品,金属回收率只有70%~80%。目前我国每年氧化铝1/3~1/2需要依赖进口,从铝的良好再生性和节省资源、能源及降低环境负载考虑,应进一步提高铝循环再生水平。无论是铝产量大国的美国还是资源缺乏的日本,对铝回收都极为重视。
   五、国外包装材料的循环再生情况
   欧洲最早在德国颁布了《包装管理条例》,并于1991年正式生效,由相关厂家和分销商建立了“二元废弃物处置系统”,这一系统的运行收到了明显的效果,从1991年到1995年包装材料消费量降低了12%,然而1991年以前,消费量一直在上升。与此同时,废包装再循环比例也有了大幅度提高。
   塑料类经分选后,分别造粒作为再生塑料制品原料,混合废塑料作为高炉还原剂使用。德国的《包装管理条例》于1998年进行大幅度修订,改名称为《包装废弃物的避免和循环再生法》,明确规定如下。
   ⑴优先顺序,控制发生源>利用(再使用,循环再生)>处理;
   ⑵承认热能回收塑料包括在循环再生内;
   ⑶从1999年起塑料循环再生率在60%以上;
   ⑷材料循环再生率达到60%(即总循环再生量的36%)。
   德国运作经验,引起了全世界的广泛注意,1994年促成了《欧共体包装指南》的出台,并于1996年下半年生效。
   日本1995年制订了“容器包装再循环法”,1997年实施了铁、铝拉罐,玻璃瓶,饮料纸盒,PET瓶的回收,2000年4月扩大到所有的容器,包括纸板箱等各种纸容器和其它各类塑料容器。塑料包装按循环法要求再商品化,主要方法有材料的再循环,PET瓶的回收再循环和食品餐盒的回收再循环等已在实施,其外,使用化学方法回收,通过废塑料高温热分解,分解成油、气作为化工原料或燃料,1996年已建成装置,可直接用作高炉还原剂,用在焦炉做炭的代用品设置装置也在建设中。目前直接作为燃料,回收能源,不被认为是再商品化。
   荷兰SVM组织是由200家包装公司所组成,其中包括包装材料生产、销售、饮料罐和回收处理等部门。英国1993年28家包装生产和销售公司组成生产责任工业集团。由于这此组织的建立完善了回收利用系统。 
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