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化学工业中的可持续制造

可持续化学品和材料如何推动向循环经济过渡。

在制造厂使用太阳能电池板的员工

工业工程师可持续制造指南

根据甲骨文全球调查,91%的商业领袖(在新选项卡/窗口中打开)正在寻求投资项目,以推进其可持续发展目标。人们普遍认为,现代制造业做法对环境产生负面影响,并导致温室气体排放、地下水污染和能源消耗。

2021年,制造业是温室气体的第三大贡献者,占23%的直接排放(在新选项卡/窗口中打开)在美国。同时,制造业活动占占总能耗的74%(在新选项卡/窗口中打开)在2018年的工业部门中。各组织正迅速寻求可持续制造,以减少碳足迹,实现关键的零排放目标。

虽然“可持续制造”一词涵盖了许多不同的领域,但这些做法通常会在可再生能源、精益制造、绿色化学和其他关键工艺的帮助下提高效率、减少浪费并积极影响净零目标。

为什么可持续制造实践现在很重要

作为一名肩负着促进组织可持续发展这一广泛目标的工程师,您有无数领域需要研究,甚至还有更多问题需要考虑。例如:

  • 你如何平衡组织的需求与成本、投资者的期望和消费者的需求?

  • 哪些选项将提供最有利的风险收益率?

  • 最重要的是,哪些变化对你的可持续发展目标和底线?

在美国,联邦计划为可持续发展项目提供支持和资金的机构鼓励组织采用环保做法。类似于制造业扩展伙伴关系(MEP)(在新选项卡/窗口中打开)由国家标准技术研究所(NIST)提供,通过能源评估和环境管理解决方案为组织提供指导和支持。美国能源部还提供先进能源制造和回收赠款计划(在新选项卡/窗口中打开)允许中小型制造商获得建设可持续设施或改造现有空间的资金。数量众多可持续发展支持计划和拨款(在新选项卡/窗口中打开)可以指导组织的决策,以符合参与所需的标准。

在欧洲有1300亿欧元欧洲可持续发展附加基金(在新选项卡/窗口中打开)(参考文献+)。该基金支持伙伴国家的项目,包括与可再生能源、可持续农业等相关的项目。

在亚洲,的亚太地区可持续发展种子基金(在新选项卡/窗口中打开)支持各个领域的倡议,如脱碳、循环经济、废物管理、空气质量等。此外,亚洲开发银行经营亚洲清洁能源基金(在新选项卡/窗口中打开)旨在通过节能技术减少温室气体排放。

不断发展的环境法规是可持续制造业增长的另一个关键驱动因素。立法者和行业领导者可以通过新的法规和指导方针影响组织的决策。例如,在美国,环境保护署(EPA)最近提出了一项针对化学制造业的新法规。这个对新来源绩效标准(NSPS)的修订(在新选项卡/窗口中打开)旨在减少化工厂的有毒排放物,重点关注使用环氧乙烷和氯丁二烯的工厂。行业法规要求制造公司展望未来,寻找具有长期影响的项目。

消费者和利益相关者也会影响对可持续制造实践的需求。普华永道2021年全球消费者洞察力调查发现,购物者越来越注重健康和环保。78%的投资者对此表示赞同支持更多环保举措(在新选项卡/窗口中打开)安永会计师事务所(Ernst&Young)的一项研究表明,即使它们会影响短期利润。满足消费者和投资者的期望意味着创造更可持续的产品,这就需要增加可持续制造实践,并使用更环保的材料和投入。

最后,制造企业必须确保保持竞争力,这通常始于建立与行业发展相适应的高效运营。运营一个能源需求是竞争对手两倍的生产设施意味着要收取更高的价格,降低市场竞争优势。可持续实践,过程强化(在新选项卡/窗口中打开)绿色化学(在新选项卡/窗口中打开)这些原则有助于组织生产高质量、有竞争力的产品,同时减少浪费和能源消耗。

这些因素的结合使可持续性成为人们关注的焦点,改变了制造商对待可持续性的方式;它很快成为保持竞争力、降低成本、实现净零目标和建立高效运营的必要条件。

绿色化学及其对环境的影响

绿色化学是化学工业可持续创新的关键驱动力。与针对环境中现有污染物的技术和工艺不同,在制造和生产中采用绿色化学原则可以从源头上减少或消除污染。这些原则影响着化学制造过程的每一个步骤,从设计到处置。

绿色化学原理

这个绿色化学的12条原则(在新选项卡/窗口中打开)最初由Paul Anastas和John Warner概述,是一套将化学品生产对环境、经济和健康的影响降至最低的指南。

  • 预防:从源头上防止废物产生,而不是在生产后进行清理

  • 原子经济:通过合并过程中使用的大多数试剂,最大限度地减少废物产生

  • 更安全的合成:化学合成过程应使用和生成对环境和人类健康毒性影响最小的物质

  • 更安全的设计:设计过程应旨在生产具有尽可能低的潜在毒性的化学品,同时保持功效

  • 更安全的溶剂和助剂:应尽可能避免使用溶剂和助剂,或用危害较小的替代品替代

  • 能源效率:该过程应将能耗降至最低,以减少环境和经济影响

  • 可再生原料:应尽可能将可再生原料和原材料放在不可再生资源之上

  • 衍生品的减少:应避免衍生产品,以减少额外步骤和废物产生

  • 催化剂的使用:催化试剂应优先于化学计量试剂,以减少浪费并提高效率

  • 可降解设计:化学品的设计应能降解,而不是留在环境中

  • 实时污染监测:应优先考虑实时过程中监测,以避免有害物质

  • 事故预防:过程中应考虑职业安全,以尽量减少事故

绿色化学原则符合可持续发展目标(在新选项卡/窗口中打开)联合国提出的可持续发展目标,旨在通过环境、经济和社会影响的角度解决可持续性问题。例如,可持续发展目标12侧重于可持续消费和生产,这与一些绿色化学原则直接相关,例如使用可再生原料和更安全的化学设计。

了解有关最近的化学品行业趋势,包括SSbD化学品和特种化学品。

12绿色化学原理,摘自绿色化学的发展及其多维影响:综述(来源:沙特制药杂志(在新选项卡/窗口中打开))

可持续制造反映了这些目标中的许多目标,侧重于将环境危害降至最低、节约能源、利用自然资源和提高安全性的生产过程。因此,绿色化学原理是可持续制造的重要组成部分。

推动化学工业可持续制造的材料

创新动力是化学工业探索新工艺、技术和材料的关键动力。化学制造商在可持续、生物基和绿色原材料方面比以往任何时候都有更多的选择。

可持续包装材料

可持续制造的一个关键重点是关注新型可持续包装材料。传统的一次性塑料包装最终渗入生态系统,渗入海洋,焚烧时产生有毒污染物,降低空气质量,并对人类健康构成威胁。创建新材料需要一个完整的生命周期方法来确保流程的每一个元素-从原材料采购到生产和降解-减少环境影响。可分解材料(在新选项卡/窗口中打开)从海藻和玉米中提取的物质,以及回收和可回收材料,已经被用于制造一次性塑料包装的替代品。可口可乐宣布100%的瓶子(在新选项卡/窗口中打开)在超过25个市场中,现在都是由回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯(rPET)制成的。该公司还推出了新的包装标签,鼓励消费者回收rPET瓶,以便重新利用它们,建立循环经济。

与此同时,英国包装制造商诺普拉(在新选项卡/窗口中打开)诺普拉公司的海藻包装容器是100%可生物降解、无毒的,可以在四到六周内进行生物降解。他们的产品线包括可饮用的豆荚、纸箱和食品包装袋。

基于加拿大赛璐珞科技(在新选项卡/窗口中打开)正在努力改进纸包装,将其定位为塑料的绿色替代品。CelluloTech开发了一种纤维素替代纸包装上的塑料涂层,使其毒性更小,更环保。这项技术被称为色谱法,这是一种绿色化学过程,可以消除生产中使用溶剂的必要性。

生物质原料

生物质原料(在新选项卡/窗口中打开)从植物、动物和微生物中提取的原料可作为化学品制造商的替代原料。这些原料可以来自农业废弃物、专用能源作物、林业废弃物、藻类和有机废物流。

嘉吉公司已投入大量资金(在新选项卡/窗口中打开)在生物质原料方面,提供几种不同类型的由玉米、小麦、大豆或植物油基制成的产品。他们开发的增塑剂、粘合剂、冷却液、肥料等都考虑到了可持续性、安全性和环境。

普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员提出了将生物质原料作为石油的更好替代品的想法,并发表了一项基于25种常见化学品的计算分析的研究。虽然研究表明,25种化学品中有24种可以在生物精炼厂中成功生产,这可能大大有助于减少温室气体,但重要的是要考虑生物饲料来源的整个生命周期影响。这包括评估用于种植生物质原料的农业实践、收获和加工步骤以及运输排放。研究人员发现,使用生物饲料生产这些化学品可以在88%和94%(在新选项卡/窗口中打开)然而,需要进行全面的生命周期评估,以验证这些生物基化学品在整个供应链和使用阶段的可持续性效益。

阅读更多有关推动可持续化学创新的最新材料和化合物的信息。

电池材料

麦肯锡最近的一项分析预测,全球电池需求预计将增长每年超过30%(在新选项卡/窗口中打开)直到2030年。随着电池行业面临原材料短缺、消费者对绿色技术的需求不断增长以及许多欧洲国家的监管更加严格,对更多增加能源存储的需求正在加速创新需求。

目前在电池领域的研究考察了大量元素的潜力,而不是传统充电电池所使用的相对稀少的锂和钴。钠离子电池(在新选项卡/窗口中打开)作为大规模应用的替代品,具有强大的潜力,通常证明成本更低,化学稳定性更好,安全性更好。

尽管研究仍在进行中,但世界各地的制造商已经在试验钠离子电池的可能性。中国电池制造商CATL最近宣布与汽车制造商奇瑞达成协议,为几款电动汽车提供动力他们的新钠离子电池(在新选项卡/窗口中打开).

在美国,纳特朗能源公司基于其专利普鲁士蓝电极技术制造了几种类型的钠离子电池。Natron的电池包含功率是锂离子电池的两倍(在新选项卡/窗口中打开),在较宽的温度范围内运行,并使用符合道德标准的原料生产。

生物塑料

生物塑料(在新选项卡/窗口中打开)从生物质来源(如植物原料)衍生出来的塑料为传统的石油基塑料提供了一种替代品。旨在减少塑料生产和处理对环境的影响,生物塑料可以是生物基的,也可以是生物降解的。一些生物塑料,如聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸(PHA)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)都是生物基和可生物降解的。

工业产品微藻生物精炼厂(来源:生产生物燃料的微藻培养(在新选项卡/窗口中打开))

巴斯夫(在新选项卡/窗口中打开)是支持制造业数字化转型、创新和可持续发展的关键参与者。巴斯夫拥有庞大的产品组合,其战略以可持续性为中心,包括其聚合物方法。巴斯夫的两种生物塑料产品,Ecovio公司(在新选项卡/窗口中打开)共聚酯(在新选项卡/窗口中打开)都是可堆肥、可生物降解的,并且部分或完全基于生物。其他公司,如海洋创新(在新选项卡/窗口中打开)Biopac公司(在新选项卡/窗口中打开)正在采取一种更新颖的方法,将藻类用作食品包装和菜肴等生物塑料产品的原料。海藻基塑料显示出巨大的潜力(在新选项卡/窗口中打开)为了应对聚合物生产中的多重挑战,从土地和水资源短缺到由于工厂的高增长率和适应性而导致的原材料成本上升。

进一步了解Knovel如何支持可持续塑料的发展。

实现普遍可持续发展的路线图

随着各行业继续优先考虑环境责任和资源效率,可持续制造的未来具有巨大潜力。可能影响可持续制造业未来的一些关键因素包括:

  • 致力于循环经济:更加注重设计产品,以期最大限度地延长其使用寿命,促进再利用和维修,并确保材料和组件在其生命周期结束时得到回收或再利用,这将保持材料的流通,并将废物产生降至最低。

  • 采用可持续进程:在快速发展的技术支持下,创新的制造工艺将使材料的使用更加精确和高效,浪费最小化,能耗更低。

  • 可持续材料创新:由于更有效的数据分析和技术发展,发现具有减少环境影响、增强性能和可回收性的新材料将获得更大的动力。

  • 可再生能源整合:对可再生能源的更多投资和整合将实现高效的能源管理,并促进清洁能源在制造过程中的使用。

  • 提高供应链透明度:提高透明度、负责任的采购和道德实践将改善供应链,以减轻环境和社会风险,促进从原材料开采到产品分销的可持续实践。

  • 加强协作和伙伴关系:包括制造商、政府机构、研究机构和消费者在内的利益相关者之间更加开放和广泛的合作,将促进知识交流、资源共享,并开发应对复杂可持续性挑战的创新解决方案。

通过采用这些方法,化学品制造商可以最大限度地减少环境影响,提高资源效率,并为更可持续和更有弹性的未来做出贡献。

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覆盖在玉米地上的文氏图,中间有一个油漆罐和刷子。