《Waste Management》：Polymer-resolved quantification and characterisation of laboratory plastic waste across academic and testing laboratories
编辑推荐：
摘要翻译：聚合物分辨量化与表征了跨学术与检测实验室的实验室塑料废弃物。本研究量化了两家机构的年度实验室塑料使用量。采购数据显示，所研究的两家机构年度塑料使用量均约为15吨。聚丙烯（PP）实验器具表现出比聚苯乙烯（PS）实验器具更大的性能变异性。聚合物表征可为未
摘要翻译：聚合物分辨量化与表征了跨学术与检测实验室的实验室塑料废弃物。本研究量化了两家机构的年度实验室塑料使用量。采购数据显示，所研究的两家机构年度塑料使用量均约为15吨。聚丙烯（PP）实验器具表现出比聚苯乙烯（PS）实验器具更大的性能变异性。聚合物表征可为未来的废弃物分类与回收提供依据。
论文解读文章
**研究背景与问题**
塑料因其低成本、耐化学性、耐用性以及与无菌和质量控制要求的兼容性，已成为现代科学研究不可或缺的材料。然而，研究实验室和医疗设施因其物理足迹相对较小却产生不成比例的大量塑料废弃物而日益受到关注。尽管实验室塑料作为重要废弃物来源已被广泛认知，但其物质流向和组成仍缺乏足够解析，难以支撑基础设施或政策决策。以往研究存在明显局限：Urbina等人基于单个生物科学系的估算外推至全球，其方法未披露，不确定性大；Groningen大学对化学实验室的五个月案例研究虽提供了数据，但时间跨度短、机构单一；Weber等人的一周定量垃圾箱组成分析同样受限于短期和小规模。不同研究之间数值差异显著，源于范围、时间跨度和归一化方法的差异，以及机构间的差异。此外，仅识别聚合物类型并不足以判定废弃物能否匹配现有收集、分类和回收路径，因为实际回收性能和下游接受度强烈受聚合物等级和配方影响；同一聚合物家族内（如PP或PE）存在多种工程等级，包括均聚物、无规共聚物和嵌段共聚物，其熔体流动特性和力学性能各异。实验室还产生大量一次性丁腈橡胶手套，其弹性体性质不遵循常规热塑性塑料机械回收路线，需要单独处理策略。同时，实验室环境中的污染风险管理和法规分类往往导致“默认焚烧”的激励，准确识别材料流成为安全循环管理的前提。因此，本研究旨在通过整合采购规模物质流分析与多技术聚合物表征，填补实验室塑料废弃物在聚合物分辨量化与详细特性表征方面的数据空白，为识别可回收流和制定分类策略提供证据基础。
**研究开展与结论**
研究人员选取了英国曼彻斯特大学（英国第二大实体大学）和苏格兰水务公司（苏格兰国有供水和污水处理公用事业机构）作为研究对象，分别代表学术研究机构与工业规模检测实验室。通过整合2023年7月31日至2024年7月31日（曼彻斯特大学）及2024年1月至2025年1月（苏格兰水务）的年度采购记录，结合逐项称重与聚合物表征，实现采购来源的实验室塑料潜在废弃物量化。研究发现，两家机构年度实验室塑料消耗量均约为15吨（曼彻斯特大学14.83吨，苏格兰水务15.09吨），但按研究人员归一化后，苏格兰水务（0.08吨/人/年）约为曼彻斯特大学（0.02吨/人/年）的四倍。该差异归因于检测实验室标准化、高通量采样方案对一次性耗材的更大依赖，而学术实验室因探索性研究性质从事更多样化的实验。与英国人均市政残余塑料废弃物（0.071吨/年）相比，上述值分别相当于28%和113%。两家机构的废弃物流组成存在差异：曼彻斯特大学以聚丙烯（PP）为主，主要物项为移液吸头、果蝇管、多孔板、离心管和透气培养瓶；苏格兰水务以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为主，随后为PS和PP，主要物项为瓶/容器、培养皿和管/小瓶。混合实验室塑料废弃物的堆积密度实测为133.3 kg m?3，据此估算两家机构废弃物体积分别为111.2 m3和113.2 m3（约101和103个1100 L垃圾箱），表明低堆积密度导致松散塑料占据不成比例的巨大存储体积；压实至打包状态（200–500 kg m?3）可减少约33.4–73.3%的体积。研究意义在于提供了目前最全面的基于年度采购的实验室塑料估算之一，并揭示了不同机构间聚合物组成和物项分布的显著差异。
**关键技术方法**
本研究采用采购数据物质流分析与多技术聚合物表征相结合的方法。样本队列来自曼彻斯特大学（取前五大供应商，占塑料总支出95%）和苏格兰水务（取前三大物项族，占约97%）。主要技术方法包括：衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）确认聚合物类型；差示扫描量热法（DSC）表征热转变和结晶行为；热重分析（TGA）评估热稳定性；熔体流动指数（MFI）按ISO 1133-1:2022测量熔体加工性；旋转流变仪进行频率扫描并采用Carreau-Yasuda模型拟合零剪切粘度；凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量分布（PP样品经高温GPC在160 °C三氯苯中分析，PS样品经室温GPC在四氢呋喃中分析）；主成分分析（PCA）作为多元统计工具评估综合性能相似性。
**研究结果**
3.1 实验室塑料的总重量/堆积密度与组成：通过采购记录、实测物项质量和供应商聚合物类型信息计算总质量，发现两家机构实验室塑料消耗总量相近，但苏格兰水务人均废弃物量为曼彻斯特大学的四倍；包装废弃物中纸板占比较高，两家机构总包装质量占比相似（18.1%和18.7%）；混合废弃物实测堆积密度为133.3 kg m?3，据此估算体积对应约100个1100 L垃圾箱。
3.3 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：ATR-FTIR分析确认了供应商标示的PP和PS身份，PP样品在722 cm?1处观察到乙烯含量相关峰（瓶子中更明显，表明共聚物结构），部分样品在1715 cm?1处有额外羰基吸收峰；PS样品光谱与通用级PS一致，未观察到高抗冲PS中聚丁二烯组分在964 cm?1处的特征带。
3.4 FTIR主成分分析：对一阶导数FTIR光谱进行PCA，PP样品的PC1（34.0%）和PC2（26.0%）显示部分分离，载荷表明指纹区（~1123 cm?1和~1138–1139 cm?1）和羰基区（~1714–1723 cm?1）贡献显著；PS样品的PC1（61.6%）和PC2（16.8%）显示移液吸头沿PC1方向与其他PS样品明显分离，主要与1046 cm?1、1240–1247 cm?1和1259–1262 cm?1区域的光谱差异相关。
3.5 差示扫描量热法（DSC）：PP样品第二加热循环显示单一尖锐熔融吸热峰（移液吸头）和分裂熔融吸热峰（ART吸头），较高熔点样品（微量离心管、移液吸头、瓶子）与均聚物或嵌段共聚物行为一致，较低熔点样品（小瓶、离心管、微量离心管2）可能表明共聚物组成差异；PS样品均为无定形，玻璃化转变温度（Tg）范围为91–106 °C，与文献值一致。
3.6 热重分析（TGA）：PP样品呈单步降解，T5%值为393–420 °C，残渣<2%；PS样品呈单步降解，T5%值为372–383 °C，Tmax为415.3–416.8 °C，均与文献报道值一致。
3.7 熔体流动指数：PP在230 °C/2.16 kg下MFI范围为18.0–54.0 g/10 min，其中小瓶（18.2）和瓶子（19.4）的低值符合商业抗冲共聚物等级（19 g/10 min），与FTIR中722 cm?1区域乙烯序列差异的观察一致；PS在200 °C/5 kg下MFI范围为3.0–7.2 g/10 min，符合注塑级通用PS的文献值。
3.8 流变分析：PP样品的零剪切粘度η0范围为62–5414 Pa·s，小瓶和瓶子样品η0显著高于其余样品，与其低MFI一致；PS样品的η0范围为5.2 × 103–3.6 × 10? Pa·s，移液吸头η0最低，比色皿最高，表明共同聚合物同一性下的熔体流动行为差异。
3.9 凝胶渗透色谱：PP样品的重均分子量（Mw）范围为约13,000–380,000 g/mol，小瓶和瓶子分子量最高，与其高零剪切粘度相关；PS样品的数均分子量（Mn）为约122,000–190,000 g/mol，Mw为约250,000–346,000 g/mol，分散度为1.45–2.06。
3.10 塑料性能组合的PCA多元分析——为有利分类提供信息：综合热性能、流变参数、分子量、MFI和FTIR衍生变量的PCA中，PP样品的PC1（43.7%）主要与分子量、流变参数和MFI相关，PC2（22.6%）捕捉与熔融行为和热性能相关的额外变异，瓶子和样品沿PC1正方向与多数曼彻斯特大学耗材分离；PS样品的PC1（45.0%）代表主要变异源，PC2（26.1%）捕捉与热、流变和光谱性质相关的次要差异，移液吸头、比色皿和多孔板各自占据不同区域。
**讨论与结论**
讨论部分指出，PP样品虽共享相同聚合物身份，但表现出显著的材料性能变异性，涵盖熔融行为、MFI、分子量和流变性能等多维度差异，表明配方和等级存在实质性不同；PS样品的热、分子和流变性能在不同实验器具间相对一致。K-means聚类仅作为探索性视觉辅助工具，不应解读为经过验证的分类模型。研究发现对实验室塑料废弃物管理具有重要启示：有效的回收分类应基于更广泛的加工相关材料性能，而非依赖单一参数测量（如MFI）。研究结论指出，实验室塑料使用量为每位实验室用户每年20–80 kg，取决于实验室活动类型；该值比部分文献报道低一个数量级，相当于英国人均市政残余塑料废弃物的28–113%。主要塑料类型为PP、PET和PS，但不同机构间主次不同。将采购数据与多技术材料表征相结合，可为理解实验室塑料废弃物流提供结构化证据基础，但需通过再加工试验和再生材料性能评估进一步验证回收可行性。当前废弃物管理框架下，只有可证明为非危险且未受污染的来源分离废物流才可作为材料回收的现实候选。
