霍李江 趙 昱

大連工業(yè)大學(xué)

輕工與化學(xué)工程學(xué)院

遼寧 大連 116034

0 引言

雞蛋作為居民日常的剛性需求食品，消費(fèi)量一直較大。2020年，我國(guó)雞蛋食用量為2336.53萬噸，相當(dāng)于人均每1.3天消費(fèi)1個(gè)雞蛋。雞蛋的市場(chǎng)需求量較大，其包裝流通量也隨之不斷增長(zhǎng)；而因蛋殼易碎，雞蛋物流對(duì)包裝要求較高。目前，市場(chǎng)上最常見的雞蛋包裝形式是蛋托，對(duì)蛋托包裝的大量使用帶來的環(huán)境負(fù)荷，可以借助生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA）方法進(jìn)行量化分析[1-7]。LCA是一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素及其整個(gè)生命周期環(huán)境影響的工具[8-9]。該方法的最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)環(huán)境影響的測(cè)算不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)過程，還包括運(yùn)輸、銷售、廢棄物處置等整個(gè)生命周期過程，可避免環(huán)境影響在不同生命周期不同過程之間的轉(zhuǎn)移。它可以對(duì)包裝產(chǎn)品從設(shè)計(jì)源頭到廢棄處理的生命周期各個(gè)階段進(jìn)行有關(guān)環(huán)境負(fù)荷與影響的評(píng)價(jià)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)包裝綠色化。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了產(chǎn)品包裝LCA研究與實(shí)踐，例如牙膏軟管生產(chǎn)工藝[10]、聚乳酸快遞包裝[11]、納米復(fù)合活性包裝[12-14]、瓦楞紙板生產(chǎn)工藝[15]、紙塑鋁復(fù)合包裝材料[16]等實(shí)踐研究。本文采用LCA方法，分別測(cè)量由紙漿模塑和聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）兩種不同材料設(shè)計(jì)與制造的蛋托產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，以優(yōu)化雞蛋包裝技術(shù)方案，降低雞蛋包裝帶來的環(huán)境負(fù)荷。

1 雞蛋包裝生命周期評(píng)價(jià)工具與指標(biāo)選取

依據(jù)ISO 14040-2006《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià) 原則與框架》，生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)框架包括目標(biāo)與范圍的確定、清單分析、生命周期影響評(píng)價(jià)、結(jié)果解釋等4個(gè)部分。在此技術(shù)框架下，本研究利用eFootprint在線LCA分析軟件和中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫(kù)（Chinese Reference Life Cycle Database,CLCD）、歐盟數(shù)據(jù)庫(kù)（European Reference Life Cycle Database, ELCD）、瑞士Ecoinvent 3.1數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于網(wǎng)絡(luò)在線平臺(tái)，完成相關(guān)供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)調(diào)查、LCA建模與分析、數(shù)據(jù)發(fā)布等工作[17-19]。

在評(píng)價(jià)過程中，評(píng)價(jià)對(duì)象生產(chǎn)物料中未涉及稀貴或高純成分物料，忽略物料質(zhì)量與產(chǎn)品總質(zhì)量之比小于1%的生產(chǎn)物料，且忽略物料的總質(zhì)量不超過產(chǎn)品總質(zhì)量的5%，符合CLCD取舍規(guī)則。在生命周期影響評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，量化結(jié)果包含非生物資源消耗潛值（abiotic depletion potential，ADP）、全球變暖潛值（global warming potential，GWP）、水資源消耗（water use，WU）、 酸 化（acidification potential，AP）、富營(yíng)養(yǎng)化潛值（eutrophication potential，EP）、可吸入無機(jī)物（respiratory inorganics，RI）、臭氧層消耗 （ozone depletion potential，ODP）、光化學(xué)臭氧 合 成（photochemical ozone formation potential，POFP）、初級(jí)能源消耗（primary energy demand，PED）等9種類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20-22]。

2 評(píng)價(jià)目標(biāo)和清單分析

2.1 評(píng)價(jià)目標(biāo)

2.1.1 功能單位

功能單位反映了最終用戶消費(fèi)的方式，一般指某一特定產(chǎn)品的有意義數(shù)量[23]。本研究的功能單位為可容裝30枚雞蛋的單個(gè)蛋托，其內(nèi)裝物以五行六列的方式進(jìn)行排列。蛋托的尺寸為長(zhǎng)292 mm、寬245 mm、高35 mm，其示意圖見圖1、圖2。

圖1 紙漿模塑蛋托示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulp molded tray for eggs

圖2 PVC蛋托示意圖Fig.2 Schematic diagram of polyvinyl chloride tray for eggs

2.1.2 系統(tǒng)邊界

確定系統(tǒng)邊界便于計(jì)算具體產(chǎn)品、物流過程對(duì)環(huán)境的影響。系統(tǒng)邊界確定了評(píng)價(jià)研究目標(biāo)，規(guī)定了評(píng)價(jià)中具體研究的范圍，明確了評(píng)價(jià)中的輸入和輸出源[24-25]。本研究的系統(tǒng)邊界始于蛋托生產(chǎn)原材料，終于蛋托成品裝箱完成。

評(píng)價(jià)對(duì)象的具體系統(tǒng)邊界和主要輸入輸出物質(zhì)流描述見圖3和圖4。

圖3 紙漿模塑蛋托系統(tǒng)邊界Fig.3 System boundary of pulp molding tray for eggs

圖4 PVC蛋托系統(tǒng)邊界Fig.4 System boundary of polyvinyl chloride tray for eggs

2.2 清單分析

清單分析需要收集評(píng)價(jià)對(duì)象足夠詳細(xì)的輸入輸出數(shù)據(jù)信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行分類與處理[26]。清單分析階段，數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性、有效性對(duì)最終LCA結(jié)果的準(zhǔn)確性有顯著影響[27-28]。

本文通過調(diào)研相關(guān)包裝材料和包裝生產(chǎn)企業(yè)原始數(shù)據(jù)，并利用eFootprint軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)以及行業(yè)文獻(xiàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清單分析，分別統(tǒng)計(jì)功能單位的產(chǎn)品在每個(gè)階段生產(chǎn)過程中的消耗與排放，最后匯總計(jì)算得到該產(chǎn)品生產(chǎn)過程的生命周期清單數(shù)據(jù)。為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及結(jié)果的可靠度，本研究在環(huán)境影響評(píng)價(jià)階段進(jìn)行了靈敏度分析和數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估。PVC蛋托、紙漿模塑蛋托輸入數(shù)據(jù)清單見表1和表2，紙漿模塑蛋托、PVC蛋托排放數(shù)據(jù)清單見表3和表4。

表1 PVC蛋托輸入數(shù)據(jù)清單Table 1 Data list of input by polyvinyl chloride tray for eggs

表2 紙漿模塑蛋托輸入數(shù)據(jù)清單Table 2 Data list of input by pulp molding tray for eggs

表3 紙漿模塑蛋托排放數(shù)據(jù)清單Table 3 Data list of emission by pulp molding tray for eggs

表4 PVC蛋托排放數(shù)據(jù)清單Table 4 Data list of emission by polyvinyl chloride tray for eggs

3 蛋托生命周期影響評(píng)價(jià)

3.1 LCA結(jié)果與分析

基于eFootprint軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)，將上述清單分析計(jì)算結(jié)果特征化，獲得ADP、GWP、WU、AP、EP、RI、ODP、POFP、PED等環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果，兩個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的環(huán)境影響結(jié)果見表5。

由表5可知，兩種材質(zhì)的評(píng)價(jià)對(duì)象均在GWP、WU和PED三個(gè)方面對(duì)環(huán)境的影響較大，尤其以PED更為顯著，而在ADP、AP、EP、RI、ODP和POFP六個(gè)方面對(duì)環(huán)境的影響較小，因此應(yīng)重點(diǎn)分析GWP、WU和PED這三個(gè)方面的環(huán)境影響。

表5 紙漿模塑蛋托與PVC蛋托環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Result of environment impact by trays made of pulp molding and polyvinyl chloride for eggs

3.2 過程累計(jì)貢獻(xiàn)分析

過程累積貢獻(xiàn)是指該過程直接貢獻(xiàn)及其所有上游過程的貢獻(xiàn)（即原料消耗所有貢獻(xiàn)）的累加值。由于過程通常包含多條清單數(shù)據(jù)，所以過程貢獻(xiàn)分析其實(shí)是多項(xiàng)清單數(shù)據(jù)靈敏度的積累。紙漿模塑蛋托累積貢獻(xiàn)見表6，PVC蛋托累積貢獻(xiàn)見表7。

表6 紙漿模塑蛋托累積貢獻(xiàn)Table 6 List of cumulative contribution by pulp molding tray for eggs %

表7 PVC蛋托累積貢獻(xiàn)Table 7 List of cumulative contribution by polyvinyl chloride tray for eggs %

由表6可以看出，紙漿模塑蛋托中廢紙?jiān)显贕WP、WU、PED三個(gè)方面的貢獻(xiàn)均為最大，分別為92.56%, 65.36%, 51.33%。由表7可以看出，PVC蛋托中聚氯乙烯樹脂顆粒原料在WU和PED方面的貢獻(xiàn)最大，分別為68.65%, 67.22%；而在GWP方面，181穩(wěn)定劑的貢獻(xiàn)最大，為79.64%。

3.3 清單數(shù)據(jù)靈敏度分析

清單數(shù)據(jù)靈敏度是指清單數(shù)據(jù)單位變化率引起的相應(yīng)指標(biāo)變化率。通過分析清單數(shù)據(jù)對(duì)各指標(biāo)的靈敏度，并配合改進(jìn)潛力評(píng)估，從而辨識(shí)最有效的改進(jìn)點(diǎn)。紙漿模塑蛋托中GWP靈敏度大于0.5%的清單數(shù)據(jù)見表8，PVC蛋托中GWP靈敏度大于0.5%的清單數(shù)據(jù)見表9。

表8 紙漿模塑蛋托GWP靈敏度大于0.5%的清單數(shù)據(jù)Table 8 List of GWP sensitivity more than 0.5% by pulp molding tray for eggs

表9 PVC蛋托GWP靈敏度大于0.5%的清單數(shù)據(jù)Table 9 List of GWP sensitivity more than 0.5% by polyvinyl chloride tray for eggs

由表8可知，紙漿模塑蛋托對(duì)GWP靈敏度影響最大的兩個(gè)清單數(shù)據(jù)中，廢紙?jiān)系撵`敏度最高，為65.36%；其次是填充料，為33.00%。廢紙作為紙漿模塑蛋托生產(chǎn)過程中最主要的原材料，其消耗量特別大，且其為后續(xù)所有加工流程的載體，因此將其作為改進(jìn)點(diǎn)的可能性不高。填充料作為紙漿模塑生產(chǎn)過程中的一種填充物質(zhì)，具有較大的改進(jìn)潛能。可通過更換填充料的材質(zhì)，選擇更加環(huán)保的材料，來達(dá)到降低GWP靈敏度的目的。由表9可知，PVC蛋托對(duì)GWP靈敏度影響較大的清單數(shù)據(jù)是聚氯乙烯樹脂顆粒原料和電力消耗，分別為68.65%,25.26%，其余兩個(gè)數(shù)據(jù)均小于5%。聚氯乙烯樹脂顆粒作為PVC蛋托整個(gè)生產(chǎn)流程的載體，其消耗數(shù)量巨大，改進(jìn)的可能性不高；而電力、MBS樹脂（助劑）、181穩(wěn)定劑均具有改進(jìn)潛力?？赏ㄟ^使用清潔能源進(jìn)行發(fā)電、減少有害助劑使用量等方式降低PVC蛋托的GWP靈敏度。

3.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與分析

數(shù)據(jù)質(zhì)量是指目標(biāo)代表性與實(shí)際代表性之間的差異，差異越大，數(shù)據(jù)質(zhì)量越差?？蓮臄?shù)據(jù)來源不確定度、數(shù)據(jù)庫(kù)匹配度和數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)不確定度等方面對(duì)清單數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。對(duì)各清單評(píng)估完成后，將不確定度傳遞到指標(biāo)結(jié)果中，得到各指標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果[29]。

本研究采用CLCD評(píng)估方法對(duì)模型清單數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行評(píng)估，研究類型為行業(yè)LCA，代表特定技術(shù)/全行業(yè)/市場(chǎng)平均水平，兩種材料評(píng)價(jià)對(duì)象的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果見表10。

表10 兩種材料評(píng)價(jià)對(duì)象的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果Table 10 Evaluation result of data quality by evaluation objects made of two materials

由 表 10可 知， 在 ADP、GWP、RI、POFP、PED方面，紙漿模塑蛋托的LCA結(jié)果優(yōu)于PVC蛋托的相關(guān)結(jié)果；在AP、EP、ODP方面，PVC蛋托的LCA結(jié)果優(yōu)于紙漿模塑蛋托的相關(guān)結(jié)果。從整體上來看，GWP、WU、PED三個(gè)方面的LCA結(jié)果數(shù)值較大，而功能單位與系統(tǒng)邊界相同的兩種評(píng)價(jià)對(duì)象在這三個(gè)方面則表現(xiàn)為紙漿模塑蛋托的環(huán)境影響優(yōu)于PVC蛋托的環(huán)境影響。

在結(jié)果不確定度方面，紙漿模塑蛋托和PVC蛋托的結(jié)果不確定度均小于10%，說明兩種材料均具有較高的可信度。其中，紙漿模塑材料中AP的不確定度相對(duì)較高，這是由于廢紙?jiān)蠑?shù)據(jù)采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)而非行業(yè)普查數(shù)據(jù)；PVC蛋托中ADP的不確定度相對(duì)較高，則是由聚氯乙烯樹脂顆粒原料所連接的上游數(shù)據(jù)庫(kù)年代比較久遠(yuǎn)所造成的。可通過修改原始數(shù)據(jù)來源、追溯原料的上游生產(chǎn)過程等方式，來降低LCA結(jié)果的不確定度，進(jìn)而確保兩種材料LCA結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

通過對(duì)紙漿模塑和PVC兩種材料的蛋托進(jìn)行LCA量化對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紙漿模塑蛋托比PVC蛋托對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響更小，應(yīng)優(yōu)先選擇紙漿模塑蛋托。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，紙漿模塑蛋托在制漿過程中消耗的能量較多，在烘干過程中排放的廢固、廢氣較多；PVC蛋托擠出工藝消耗的能量較多、排放的廢固和廢氣較多，吸塑成型工藝次之。可見，在進(jìn)行蛋托生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)工藝和能源消耗對(duì)環(huán)境影響起著決定性作用。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)環(huán)境影響小的材料以及助劑進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。另外，考慮到包裝物的安全及穩(wěn)定性能，市場(chǎng)上的PVC蛋托大多進(jìn)行了加蓋設(shè)計(jì)，但會(huì)造成原材料的浪費(fèi)。可通過選擇更高克重的PVC材料、修改蛋托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式，降低雞蛋包裝產(chǎn)品環(huán)境的負(fù)面影響。