堆肥过程中塑料在表面层面的化学与物理变化：一项深入的现场与实验室规模研究

《ACS ES&T Engineering》：Surface-Limited Chemical and Physical Alteration of Plastics during Composting: An In-Depth Field- and Lab-Scale Study

　　

摘要

进入堆肥系统的塑料通常会以碎片形式存在于成品堆肥中，但控制其降解和持久性的机制仍不清楚。在本研究中，将添加了原始聚乙烯（PE）、经过30天紫外线处理的聚乙烯微珠以及经过30天阳光处理的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微珠的食品垃圾，在有氧和高温堆肥条件下进行试验。在两种堆肥条件下，聚乙烯的表面氧化程度都会增加，其羰基指数从原始状态的3.6–16.6上升至紫外线处理后的12.2–25.1，以及阳光处理后的15.0–21.3。这种氧化现象伴随着C/O比的下降，因为形成了羰基以及酯/羧基团。堆肥处理增加了聚乙烯表面的裂纹密度，但其分子量并未改变，这表明降解是发生在表面层面的。相比之下，PMMA在经过处理后分子量减少了44–71%，而在堆肥处理过程中其分子量没有进一步下降。经过两种堆肥条件处理后，PMMA的热稳定性有所提高，而聚乙烯的热稳定性则下降。聚乙烯的降解速率为6.2–19.5 μm yr^–1，PMMA的降解速率为5.9–33.9 μm yr^–1，相应的降解时间分别为8.6–26.9年和5.8–41.9年。一项实地研究表明，聚乙烯、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的表面氧化程度和裂纹密度与堆肥的成熟度相关，这很可能是由于长期处于动态的堆肥环境中所致。这些研究结果揭示了塑料在堆肥中的降解途径，有助于预测它们在环境中的长期命运。