迈向可持续的碳利用：基于生命周期评估（LCA）与热分解分析（TEA）的二氧化碳衍生聚合物综合评估

《Journal of Environmental Management》：Toward sustainable carbon utilization: Integrated LCA–TEA assessment of carbon dioxide–derived polymers

二氧化碳聚合物制备工艺的环境经济性评估，LCA/TEA分析显示PHB经济性最优但存在生态风险，PTMC和PPP在环境与经济指标上表现较差。

　　

Seyedmehdi Sharifian | Zohreh Iranmanesh | Neda Asasian-Kolur | Ehsan Vahidi | Michael Harasek

内华达大学里诺分校麦凯地球科学与工程学院采矿与冶金工程系，89557，内华达州，美国

摘要

利用二氧化碳（CO₂）的聚合物为CO₂的利用提供了一条有前景的途径，但其环境和经济可行性仍不确定。本研究通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）来评估三种以CO₂为前体的聚合物生产工艺：聚（trimethylene carbonate）（PTMC）、可调聚丙烯碳酸酯/聚（丙烯氧化物/聚乳酸）（PPP）和聚羟基丁酸酯（PHB）。TRACI 2.1被用来量化环境影响，而TEA模型则在不同情景下评估资本投资、运营成本和关键财务指标。结果显示这些聚合物生产途径之间存在显著差异。PPP工艺由于电力和化学试剂的高消耗，具有最高的全球变暖潜力（6 tCO₂e/t），而PTMC和PHB对全球变暖的贡献较小。PHB的养分密集型发酵过程导致成本较高（5 k$/t），并在富营养化和酸化方面存在权衡。TEA结果表明，所有途径都需要大约400万至550万美元的资本投资，并且在中等至较高的市场条件下具有可行性。在这三种途径中，PHB在经济表现上最为强劲（净现值为680万美元，投资回报率为30%），而在高产品价格时PTMC和PPP的可行性较低。综合LCA/TEA方法结合蒙特卡洛模拟进一步表明，化学试剂的变化会显著影响这些过程的环境和经济结果。

引言

化学价值链约占工业能源使用的28%，以及全球最终能源消耗的近10%，其中大部分由化石燃料提供，大约58%用作碳原料，42%用作工艺能源（K?telh?n等人，2019年）。碳的利用通过捕获CO₂并将其转化为化学品、燃料和建筑材料等增值产品，为减少这种依赖性并减缓气候变化提供了途径（Aghaee，2025年；Khaidzir等人，2025年；Silva Junior等人，2025年）。同时，增强对气候变化的抵御能力，即系统承受、适应和从与气候相关的冲击中恢复的能力，对于确保可持续的工业和社会转型至关重要。

聚合物在现代日常生活中已变得不可或缺，但其生产和处置引发了可持续性方面的担忧（Evode等人，2021年；Moharir和Kumar，2019年；Sudarma等人，2024年）。目前大多数聚合物是由化石基原料制造的，并进一步用于一次性应用（Kosloski-Oh和Fieser，2023b）。解决这些问题需要减少对石化原料的依赖，并在聚合过程中使用替代碳源。一种有前景的方法是利用CO₂来制造聚合物，将温室气体转化为聚合物生产的原料（Muthuraj和Mekonnen，2018年；Tomasko等人，2009年）。CO₂是一种丰富且廉价的C1资源，可以通过化学方法将其转化为聚合物链（Karulf等人，2025年；Xu等人，2026年；J. Zhao等人，2025a）。

近年来，已经探索了几种利用CO₂合成聚合物的途径：直接作为单体（或共聚单体）参与聚合反应，或者首先将CO₂转化为化学构建块作为中间体，然后再进行聚合（Jia等人，2025年；Ramirez-Corredores，2024年；Rangel-Rangel等人，2025年；Wang等人，2025年）。其中，最成熟的方法是将CO₂与环氧树脂直接共聚形成脂肪族聚碳酸酯（Darensbourg，2019年；Tang和Nozaki，2022年）。已经开发出催化系统，使CO₂能够与单体环氧树脂（如丙烯氧化物）结合（Darensbourg，2019年）。这种方法可以生成含有大量CO₂的聚碳酸酯多元醇和聚碳酸酯。Jeske等人（2008年）首次实现了通过预定聚合环己烯氧化物（CHO）、CO₂和二甘醇酸酐一步合成基于CO₂的嵌段共聚物。在其他研究中，研究人员依赖于内酯的开环聚合（ROP）和CHO/CO₂的开环共聚（ROCOP）（Kernbichl等人，2017年；Romain等人，2016年）。

除了直接共聚外，间接途径还可以通过中间化学品将CO₂转化为聚合物。在这些途径中，CO₂作为碳源用于合成单体或前体，然后通过传统工艺进行聚合（Chowdhury和Heydari Gharahcheshmeh，2025年；Fayisa等人，2022年；S. Zhao等人，2025b）。例如，CO₂可以氢化为甲醇（或合成气），进一步转化为烯烃并聚合成聚乙烯或聚丙烯等与石油基塑料化学性质相同的聚合物（Hoppe等人，2018年）。此外，CO₂衍生的甲醇可以脱水生成二甲醚，或转化为芳香烃以生产典型的塑料，如聚酯和聚氨酯，从而有效替代这些产品中的化石碳。另一种途径是利用CO₂生产聚氧亚甲基（POM）工程塑料：CO₂首先氢化为甲醇，然后催化转化为甲醛，再进一步聚合成POM。这些间接的CO₂到聚合物的转化途径有助于通过使用废弃的CO₂（结合可再生氢）来闭合碳循环，生产出可用于替代大宗聚合物的产品（Brege等人，2022年；Fayisa等人，2022年；Zhao等人，2021年）。

第三种方法基于CO₂的生物转化（Yang等人，2021年）。某些自养微生物（如蓝细菌或产乙酸菌）可以直接将CO₂固定为有机化合物，这些化合物随后成为生物聚合物的构建块。在一项研究中，开发了一种利用阳光作为能源的蓝细菌系统，直接从CO₂生产聚羟基丁酸酯（PHB）（Sirohi等人，2021年）。另一项研究提出了一种化学-生物途径，其中CO₂首先通过电化学还原为甲酸，然后通过专用细菌将甲酸/CO₂转化为PHB（Zhang等人，2023年）。该系统实现了6 g L^?1的PHB产量和72%的CO₂到PHB转化效率，代表了废弃CO₂到生物塑料的闭环转化。

生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）对于量化新兴技术和服务的性能至关重要（Gingerich等人，2018年；Iranmanesh等人，2025年；Thomassen等人，2019年）。基于CO₂的聚合物途径仍在不断发展，然而，CO₂的利用通常需要额外的能源输入或新的基础设施，如果管理不当，这可能会抵消碳捕获的效果（Das等人，2021年；Meys等人，2019年；von der Assen等人，2015年）。基于CO₂的多元醇通常在聚合物主链中包含约20%的CO₂（Gürtler，2023年）。然而，LCA研究表明，尽管如此，基于CO₂的多元醇并不能作为净温室气体汇，因为上游的丙烯氧化物和其他辅助材料的生产占据了主要影响（von der Assen和Bardow，2014年）。在一个试点工厂评估中，CO₂来自配备有捕获装置的褐煤发电厂，生产含有20% CO₂的多元醇，每公斤产品产生2.65 kg CO₂e – 2.86 kg CO₂e（von der Assen和Bardow，2014年）。此外，在另一项研究中，作者表明在中国生产的基于CO₂的聚（丙烯碳酸酯）在16个类别中贡献了38%–95%的影响。这种聚合反应减少了17个类别（ReCipe，2016年）17%–96%的排放，而可再生能源的使用（Chen等人，2024年）则进一步减少了排放。在Aspen Plus中模拟的甘油碳酸酯（一种单体前体）通过尿素-二甲基碳酸酯路线从CO₂和甘油生产的TEA估计，资本成本为1.921亿美元，年运营成本为2.257亿美元，年化生产成本为1558美元/吨（Del-Mazo-Alvarado等人，2024年）。

本研究的主要目标是提供各种基于CO₂的聚合物生产途径的全面比较TEA/LCA，以探讨在实现环境和经济效益的同时，最具商业化潜力的CO₂利用方式。初步目标包括量化每种途径的碳足迹和能源使用情况，比较技术经济指标（包括盈利能力、生产成本、投资回收期和投资回报率），并进行不确定性和敏感性分析。本研究的另一个目的是对多种基于CO₂的聚合物途径进行综合评估，并开发一个涵盖所有三种CO₂聚合方法的整体LCA-TEA框架。

案例研究

直接共聚

直接共聚——该过程如图1a所示，使用高活性的Zn-没食子酸盐异相催化剂，一步直接从CO₂、丙烯氧化物（PO）和乳酸酯合成三元聚合物。在受控气氛中，将催化剂、乳酸酯和PO加入高压高压釜中，然后密封并用CO₂（40巴）加压。混合物加热至120°C约20小时，使Zn-没食子酸盐催化PO与CO₂的开环共聚形成

结果与讨论

LCA——图2展示了图1所描述的基于CO₂的聚合物生产途径的环境影响。如图2所示，PPP在GWP和臭氧消耗影响类别中是主要贡献者，而PTMC在大多数其他类别中占主导地位，包括烟雾形成、酸化、生态毒性、化石燃料消耗和毒性。此外，PHB在几乎所有类别中的份额最低，其GWP最小，主要是因为它依赖于营养物质而非

结论

本研究使用综合LCA和TEA对三种基于CO₂的聚合物途径PTMC、PPP和PHB进行了可持续性比较评估。研究结果表明，尽管所有途径都利用了CO₂，但由于工艺设计、能源需求和化学试剂的要求不同，它们的气候和经济表现也有所不同。

LCA结果显示，三种途径的环境影响特征各不相同，其中消耗品是影响的主要贡献因素

CRediT作者贡献声明

Seyedmehdi Sharifian：撰写——原始草稿，可视化，调查，形式分析，概念化。Zohreh Iranmanesh：可视化，验证，方法论，数据管理。Neda Asasian-Kolur：撰写——审阅与编辑，验证，软件，调查。Ehsan Vahidi：撰写——审阅与编辑，监督，资源管理，数据管理。Michael Harasek：撰写——审阅与编辑，验证，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。