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聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的生物降解測(cè)試

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（廣東中科英海科技有限公司廣東佛山528000）

依據(jù)GB/T19277.1-2011的檢測(cè)方法，研究了聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的最終需氧生物分解和崩解能力。在2L的試驗(yàn)體系中，以聚乳酸膜袋作為有機(jī)碳源，用無(wú)二氧化碳的空氣以受控速率對(duì)試驗(yàn)混合物進(jìn)行曝氣。通過(guò)測(cè)定二氧化碳產(chǎn)生量來(lái)確定降解率。

在本試驗(yàn)條件下，測(cè)定了陽(yáng)性參比物微晶纖維素和聚乳酸膜袋的生物分解百分率。

聚乳酸膜袋；受控堆肥；生物分解

隨著各國(guó)與地區(qū)紛紛實(shí)行限塑令，以減少對(duì)石油基塑料制品的使用，科研人員研發(fā)出各種生物降解材料, 希望用以代替現(xiàn)有的石油基塑料。隨著很多新興的環(huán)保材料推出市場(chǎng)，最常見(jiàn)的可降解材料是生物基樹(shù)脂, 如聚乳酸 (PLA)、聚羥基脂肪酸酯 (PHAs)、醋酸纖維塑料、聚丁二酸丁二酯 (PBS)、淀粉樹(shù)脂等[1]。近年來(lái)，以聚乳酸為代表的生物基樹(shù)脂越來(lái)越受到關(guān)注，聚乳酸的熱門(mén)應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)用、包裝和纖維。聚乳酸以乳酸為主要原料, 由于有良好的生物降解性, 在其生命周期中對(duì)環(huán)境的污染明顯低于石油基材料[2]。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T19277.1-2011 的檢測(cè)方法，研究了聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的最終需氧生物分解能力。

1 原理

本測(cè)試方法將試驗(yàn)材料和培養(yǎng)土按比例混合后置于堆肥容器中，所使用培養(yǎng)土來(lái)自于穩(wěn)定的腐熟堆肥。在該容器中，混合物在規(guī)定的氧氣濃度、溫度、濕度下模擬強(qiáng)烈需氧堆肥條件，測(cè)定試驗(yàn)材料最終需氧生物分解能力和崩解程度，試驗(yàn)周期不超過(guò)6個(gè)月。試驗(yàn)材料在需氧生物分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生水、二氧化碳、礦化無(wú)機(jī)鹽和新的生物質(zhì)。在測(cè)試過(guò)程中定期測(cè)量產(chǎn)生的二氧化碳，累計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳量，根據(jù)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)材料的總有機(jī)碳含量可以計(jì)算出二氧化碳的理論釋放量，以試驗(yàn)材料在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際產(chǎn)生的二氧化碳量與試驗(yàn)材料二氧化碳的理論釋放量之比為該試驗(yàn)材料的生物分解百分率。生物分解百分率不包括已轉(zhuǎn)化為新的細(xì)胞生物質(zhì)的碳量，因此它在試驗(yàn)周期內(nèi)不代謝為二氧化碳。

2 試驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

2.1 培養(yǎng)土

自制好氧堆肥，肥齡3個(gè)月，過(guò)0.5 cm篩篩選，去除雜質(zhì)和惰性物質(zhì)。經(jīng)測(cè)定，本試驗(yàn)中所用堆肥pH為7.45，水分含量為34.2 %，總干固體含量為65.8 %，揮發(fā)性固體含量為23.9 %，總氮含量為0.96 %總碳含量為16.95 %。

2.2 參比物

微晶纖維素（TLC (thin-layerchromatography) gradecellulose），來(lái)源：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，白色或類(lèi)白色粉末，色譜級(jí)。對(duì)微晶纖維素進(jìn)行水分和總碳含量等指標(biāo)測(cè)定，水分含量為4.7 %，總碳含量為41.96 %。

2.3 試驗(yàn)材料

來(lái)源：市售某生物科技有限公司。對(duì)聚乳酸膜袋進(jìn)行裁剪處理后進(jìn)行總碳含量等指標(biāo)測(cè)定。經(jīng)測(cè)定，聚乳酸膜袋總碳含量為53.18 %，水分含量為1.4 %。

2.4 儀器設(shè)備

（1）反應(yīng)裝置；（2）壓縮空氣制備裝置；（3）氣體吸收裝置；（4）氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)；（5）無(wú)二氧化碳空氣濕度增加裝置；（6）無(wú)二氧化碳空氣制備裝置；（7）攜式智能氣體檢測(cè)報(bào)警儀；（8）恒溫水浴鍋。

3 試驗(yàn)方法

按照GB/T19277.1-2011 方法, 使聚乳酸膜袋試樣在受控堆肥條件下進(jìn)行堆肥降解實(shí)驗(yàn), 通過(guò)測(cè)定聚乳酸膜袋試樣排放的CO2量來(lái)確定其最終需氧生物分解能力。

將360 g（干重）培養(yǎng)土分別與60 g（干重） 聚乳酸膜袋、60 g（干重）微晶纖維素混合，360 g（干重）培養(yǎng)土作為空白對(duì)照，加蒸餾水將混合物的濕度調(diào)節(jié)至50 %左右。將堆肥容器放置與（58 ±2）℃的試驗(yàn)環(huán)境中，用無(wú)CO2的濕度飽和空氣以0.05 L/min流量對(duì)試驗(yàn)體系進(jìn)行曝氣，于58 ℃±2℃條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在開(kāi)始的10 d里，每天測(cè)定兩次反應(yīng)容器O2濃度含量，在開(kāi)始的45 d里每天采用滴定分析法測(cè)定的CO2釋放量。根據(jù)試驗(yàn)材料在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)際產(chǎn)生的二氧化碳量與試驗(yàn)材料二氧化碳的理論釋放

量之比為該試驗(yàn)材料的生物分解百分率，公式如下：

式中：(CO2)T—含試驗(yàn)材料與培養(yǎng)土混合物的堆肥容器累計(jì)釋放的二氧化碳量，單位為克每個(gè)容器（g/容器）。

(CO2)B—只含培養(yǎng)土的空白容器累計(jì)釋放的二氧化碳量平均值，單位為克每個(gè)容器（g/容器）。

ThCO2—試驗(yàn)材料二氧化碳的理論釋放量，單位為克每個(gè)容器（g/容器）。

ThCO2= MTOT×CTOT× 44 /12

式中：MTOT—堆肥容器中試驗(yàn)材料中的總干固體，單位為克(g)。

CTOT— 試驗(yàn)材料的總有機(jī)碳與總干固體的比，單位為克每克（g/g）。

44 和12 — 分別表示二氧化碳的相對(duì)分子質(zhì)量和碳的相對(duì)原子質(zhì)量。

4 結(jié)果與討論

4.1 試驗(yàn)過(guò)程中聚乳酸膜袋照片

圖1　聚乳酸膜袋照片(裁剪后)

圖2　聚乳酸膜袋與堆肥混合后照片

圖3　聚乳酸膜袋試驗(yàn)45天照片

圖4　聚乳酸膜袋試驗(yàn)45天清洗后照片

4.2 聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時(shí)間-累計(jì)二氧化碳產(chǎn)生量曲線圖

圖5　聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時(shí)間-累計(jì)二氧化碳產(chǎn)生量曲線圖

4.3 聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時(shí)間-生物分解百分率曲線圖

圖6　聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時(shí)間-生物分解百分率曲線圖

土壤的pH與微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝有密切相關(guān)的聯(lián)系，土壤的pH偏大或偏小都會(huì)影響材料的生物分解速率。在試驗(yàn)過(guò)程中每周檢測(cè)一次堆肥的pH，均在7.0~9.0之間變化，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在本試驗(yàn)條件下，從圖1～圖4可以看出在試驗(yàn)進(jìn)行45 d過(guò)程中，聚乳酸膜袋發(fā)生了崩解現(xiàn)象，至試驗(yàn)45 d，只剩少量細(xì)小聚乳酸膜袋碎屑。將圖5中聚乳酸膜袋和微晶纖維素的累積CO2釋放量與理論CO2產(chǎn)生量相比，所得結(jié)果如圖6所示，微晶纖維素在試驗(yàn)45 d的生物分解百分率為73.6 %，聚乳酸膜袋在試驗(yàn)45 d的生物分解百分率為64.2 %。

通過(guò)本次試驗(yàn)得出，此款聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下表現(xiàn)出良好的生物降解性，是一款富有發(fā)展前途的綠色包裝材料，希望在包裝行業(yè)中受到關(guān)注和應(yīng)用。

5 質(zhì)量控制

5.1 試驗(yàn)前10 d內(nèi)空白容器產(chǎn)生的二氧化碳量的平均值為：96.7mgCO2/(g)揮發(fā)性固體，在50 mg～150 mgCO2/(g)揮發(fā)性固體范圍內(nèi)。

5.2 在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)每個(gè)堆肥容器的生物分解百分率之間的相對(duì)偏差不超過(guò)20 %。

5.3 試驗(yàn)第45 d陽(yáng)性參比物容器的平均生物降解百分率為：73.6 %，大于70 %。

6 研究依據(jù)

6.1 GB/T 19277.1-2011 受控堆肥條件下材料降解最終需氧生物分解能力的測(cè)定 采用測(cè)定釋放的二氧化碳的方法 第1部分：通用方法。

6.2 ISO14855-1:2012 Determination of the ultimateaerobic biodegradability of plastic materials under controlled composting conditions — Method by analysis of evolved carbon dioxide —Part 1:General method。

[1]朱錦,劉小青.生物基高分子材料[M].北京:科學(xué)出版社,2018.ZHUJin, LIUXiao-qing.BiopolymerMaterials[M].Beijing:Science

[2]夏亞棟.綠色包裝材料PLA (聚乳酸)[J].上海包裝,2016(2):39-41.XIAYa-dong.GreenPackagingMaterial-PLA (PolylacticA).

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.05.16

謝淑華（1992-），女，廣東佛山人，主要從事環(huán)境、食品、化妝品等微生物檢測(cè)工作和材料生物降解測(cè)試。

張宏濤（1978-），男，吉林雙遼人，工程師，主要研究方向?yàn)槎纠韺W(xué)研究。

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2095-1205(2019)05-28-02