呂艷娜 姚 遠(yuǎn)

郭 鑫1 歐陽春平2

遲 騁1 喬 月1

林芃杉1 張能建3

1.大連工業(yè)大學(xué)

輕工與化學(xué)工程學(xué)院

遼寧 大連 116034

2.珠海萬通化工有限公司

廣東 珠海 519050

3.睿同科技有限公司

廣東 深圳 518108

1 研究背景

近年來，隨著人們生態(tài)意識的日益增強(qiáng)，“白色污染”治理問題越來越受到人們的關(guān)注，可降解材料的研發(fā)與推廣應(yīng)用成為新亮點。聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（poly(butylene adipate-co-butylene terephthalate)，PBAT）作為一種新型可生物降解聚酯，既具有聚丙烯酸丁酯（poly(butyl acrylate)，PBA）良好的延展性和斷裂伸長率，又兼具聚對苯二甲酸丁二醇酯（polybutylece terephthalate，PBT）的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，廣泛用作包裝材料和地膜材料[1]。然而，現(xiàn)有研究大多圍繞PBAT的制備方法和性能提升展開，對于包裝制品在整個生命周期過程的環(huán)境負(fù)荷研究不多見。

包裝的生命周期是指一個產(chǎn)品從原材料獲取、工業(yè)生產(chǎn)、運輸流通、使用直至廢棄的過程。包裝生命周期評價（life cycle assessment，LCA）是匯總和評價產(chǎn)品與服務(wù)在其整個生命周期中所有的投入和產(chǎn)出對環(huán)境造成的潛在和現(xiàn)實影響的評價方法[2]。針對環(huán)境問題及降解材料的發(fā)展，我國發(fā)布了GB/T 32163.2—2015《生態(tài)設(shè)計產(chǎn)品評價規(guī)范第二部分：可降解塑料》，旨在規(guī)定可降解塑料生命周期生態(tài)設(shè)計評價的定義、要求和生命周期評價報告編制方法、評價方法。

目前，國內(nèi)外對生物降解塑料的生命周期評價進(jìn)行了一定的研究。E.T.H.Vink等[3]對美國Cargill Dow公司生產(chǎn)的聚乳酸（polylactic acid，PLA）進(jìn)行了評價，研究發(fā)現(xiàn)乳酸生產(chǎn)階段能耗最大，其能耗幾乎達(dá)到整個聚乳酸生產(chǎn)過程總能耗的1/2。李永杰等[4]分析了生命周期評價在生物降解塑料行業(yè)中的應(yīng)用情況，并對 LCA方法在生物降解塑料中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。孟憲策[5]運用LCA方法，對石油基聚碳酸亞丙酯（polypropylene carbonate，PPC）、聚乳酸（polyactic acid，PLA）和非石油基聚碳酸酯（non-petroleum polycarbonate，NPC）三種生物降解材料進(jìn)行了全生命周期研究，結(jié)果表明，三種材料的主要環(huán)境負(fù)荷階段均為材料的生產(chǎn)階段。C.Ingrao等[6]研究了包裝新鮮食品的聚乳酸托盤生命周期，分析了海洋運輸和航空運輸對聚乳酸托盤生命周期的影響，認(rèn)為在基于PLA的產(chǎn)品設(shè)計中需要考慮與運輸相關(guān)的問題，以保證產(chǎn)品在使用過程中的環(huán)境安全性能。史玉等[7]對聚乳酸快遞包裝進(jìn)行生命周期評價，發(fā)現(xiàn)其環(huán)境影響主要來自生產(chǎn)和使用階段，快遞袋原材料獲取、加工及使用階段的環(huán)境綜合指標(biāo)分別為1.09E-9, 5.64E-10, 1.24E-10。

現(xiàn)有研究中，對PBAT基包裝袋的生命周期評價還未見報道。基于此，本研究基于LCA方法，用億科eFootprint 軟件建模，定量分析PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋生產(chǎn)過程的環(huán)境綜合指標(biāo)，并對比分析兩種材料的包裝袋在生產(chǎn)過程中各個階段的環(huán)境負(fù)荷，以及造成環(huán)境負(fù)荷的主要單元過程及其相應(yīng)的輸入和排放，以期提高PBAT基包裝袋的環(huán)境收益。

2 PBAT基包裝袋生命周期評價主要內(nèi)容

2.1 目標(biāo)與范圍

本研究的對象是以PBAT基生物降解材料制成的包裝袋，包括PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋，其中PBAT/淀粉包裝袋配方比例為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的PBAT與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的淀粉。LCA模型基準(zhǔn)流為“生產(chǎn)1 t PBAT基包裝袋”，系統(tǒng)邊界為“從搖籃到大門”，包含了原料收集、原料運輸、顆粒生產(chǎn)等過程。PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋模型的系統(tǒng)邊界分別見圖1和圖2。

圖1 PBAT包裝袋研究系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of the system for PBAT packaging bag

圖2 PBAT/淀粉包裝袋研究系統(tǒng)邊界Fig.2 Boundary of the system for PBAT/starch packaging bag

2.2 清單分析

2.2.1 LCA模型單元過程參數(shù)

本研究共建立兩個LCA模型，分別為PBAT/淀粉包裝袋LCA模型和PBAT包裝袋LCA模型。

在PBAT/淀粉包裝袋LCA模型中，調(diào)查的實景過程為PBAT顆粒生產(chǎn)過程、淀粉填充改性PBAT過程、PBAT/淀粉顆粒吹膜制袋過程。其中，PBAT顆粒生產(chǎn)過程所用工藝為共酯化熔融縮聚[8]，能源消耗為電力、天然氣、工業(yè)用水，并產(chǎn)生了化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）排放；淀粉對PBAT填充改性過程中所用工藝為共混復(fù)合，改性比例為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的PBAT和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的淀粉，能源消耗為電力、工業(yè)用水，并產(chǎn)生了低濃度顆粒 物（low concentration particulate matter，LCPM）、非甲烷總烴（non-methane hydrocarbon，NMHC）排放。

PBAT包裝袋LCA模型中，調(diào)查的實景過程為PBAT顆粒生產(chǎn)過程、PBAT顆粒吹膜制袋過程。單元過程所用工藝、能耗、排放等與PBAT/淀粉包裝袋LCA模型的顆粒生產(chǎn)、吹膜制袋過程一致。

2.2.2 數(shù)據(jù)收集與整理

PBAT基包裝袋生產(chǎn)加工過程數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)相關(guān)大型企業(yè)的生產(chǎn)實踐。將數(shù)據(jù)整理分類，分成輸入、輸出兩類。輸入方面主要涉及能源、原材料、助劑及運輸?shù)鹊耐度耄敵鰟t主要指污染物排放，其中運輸包含了距離、交通工具型號在內(nèi)的基礎(chǔ)信息。

本研究運用億科eFootprint軟件進(jìn)行建模與計算，其中背景數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)庫Ecoinvent 3.1、CLCD（Chinese Life Cycle Database）、ECER 0.8 等[9-10]。這些在線數(shù)據(jù)庫包含600多個用于原材料、化學(xué)品、電力、運輸和廢物管理的生命周期清單（life cycle inventory，LCI），已被許多用戶所采用[11-12]。所收集的數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 PBAT包裝袋生命周期清單Table 1 Life cycle inventory of PBAT packaging bag

表2 PBAT/淀粉包裝袋生命周期清單Table 2 Life cycle inventory of PBAT/starch packaging bag

2.2.3 數(shù)據(jù)完整性檢查

以上所建立的模型中沒有產(chǎn)生副產(chǎn)品、待處置廢棄物，所有數(shù)據(jù)符合實際生產(chǎn)情況。根據(jù)中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD）的取舍規(guī)則，當(dāng)生產(chǎn)過程中消耗的原料質(zhì)量與過程產(chǎn)生總質(zhì)量之比小于0.1 %時，可以忽略這些物料，且所有被忽略物料的總質(zhì)量不超過物料總量的5%。經(jīng)確認(rèn)，生產(chǎn)中使用的水墨和催化劑的質(zhì)量符合取舍原則，因此，本研究不考慮水墨和催化劑對PBAT基包裝袋生命周期評價的影響。

3 生命周期影響評價

3.1 特征化分析

特征化是根據(jù)環(huán)境影響分類以及選用的計算模型，將得到的生命周期清單數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的環(huán)境影響指標(biāo)[6]，即將所得的每一個計算結(jié)果均乘以一個特征化系數(shù)，使得數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。以非生物資源消耗潛值（abiotic depletion potential，ADP）指標(biāo)為例，xi表示對ADP指標(biāo)造成貢獻(xiàn)的過程，cf為相應(yīng)的特征化系數(shù)，其公式如下：

上述PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋兩個模型所得特征化結(jié)果如表3所示，對應(yīng)的單項指標(biāo)累計貢獻(xiàn)如圖3所示。

表3 PBAT基包裝袋的特征化結(jié)果Table 3 Characteristic index of PBAT based packaging bags

圖3 PBAT基包裝袋生命周期結(jié)果構(gòu)成Fig.3 Effect of materials and energy consumption on the indicators of environmental impact of PBAT based packaging bags

彩圖

在特征化分析中，共選擇ADP、GWP、AP、EP、RI、ODP、HT-cancer等14項指標(biāo)，從其特征化圖中可以明顯地看出每項指標(biāo)的主要貢獻(xiàn)因子。其中，每個貢獻(xiàn)因子前的數(shù)字對應(yīng)每一個模型中的單元過程。對于PBAT包裝袋LCA模型，1、2分別對應(yīng)PBAT顆粒生產(chǎn)、吹膜制袋兩個單元過程；對于PBAT/淀粉包裝袋LCA模型，1、2、3分別對應(yīng)PBAT顆粒生產(chǎn)、淀粉填充改性PBAT顆粒生產(chǎn)、PBAT/淀粉顆粒吹膜制袋三個單元過程。

由圖3可知，對于PBAT基產(chǎn)品，其生命周期結(jié)果構(gòu)成中主要貢獻(xiàn)均來自于PBAT顆粒生產(chǎn)階段的PTA、BOD、AA三種原材料。但是在使用淀粉改性PBAT后，PTA、BOD、AA三種原材料的貢獻(xiàn)占比得到有效降低。

在GWP指標(biāo)上，AA貢獻(xiàn)占比最高，這是由于AA主要由環(huán)已烷催化氧化得來，環(huán)已烷主要來源于石油，BDO、PTA本身也是石油的下游產(chǎn)物，但在生產(chǎn)AA過程中還會產(chǎn)生其他副產(chǎn)物，催化氧化的選擇性并不是很高，故在這一指標(biāo)上占據(jù)較大比例。在NH3-N這一指標(biāo)上，改性所用的淀粉占據(jù)了最大的比例，基本與三種原材料的貢獻(xiàn)占比持平，這與淀粉本身就是有機(jī)物有關(guān)。在IWU指標(biāo)上，整個過程中的水、電貢獻(xiàn)占比較大，其中，水占比49.34%，電占比48.26%。對中國南方電網(wǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PBAT基包裝袋生產(chǎn)過程中所用的南方電網(wǎng)電力包括火電、水電、核電、風(fēng)電等，其中火力發(fā)電和水力發(fā)電是最主要的發(fā)電技術(shù)。發(fā)電過程中會消耗大量水資源用于循環(huán)冷卻、蒸發(fā)、排污等，所以導(dǎo)致本研究中，電在IWU指標(biāo)值中占比較大。

3.2 歸一化分析

歸一化的目的在于進(jìn)一步辨別不同環(huán)境影響類型環(huán)境負(fù)荷的大小。對得到的特征化結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，即將每個特征化指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境負(fù)荷總量作為基準(zhǔn)，再綜合所選擇的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配，得到歸一化結(jié)果。對比分析所選擇的歸一化方案為ECER-135，評價指標(biāo)體系包含PED、CO2、IWU、COD、NH3-N、SO2、NOx共7個生命周期指標(biāo)[10]，公式如下：

式中：Ai表示第i個指標(biāo)的特征化結(jié)果（值）；Ti表示權(quán)重因子；Ni為2015年全國相應(yīng)指標(biāo)的特征化結(jié)果（值）總和。

在歸一化分析中，將PBAT包裝袋與PBAT/淀粉包裝袋進(jìn)行對比，探討淀粉改性后PBAT基包裝袋是否具有更好的環(huán)境效益。其對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 歸一化結(jié)果Fig.4 Comparison of the normalization results of PBAT and PBAT/starch packaging bags

與PBAT包裝袋的歸一化結(jié)果相比，PBAT/淀粉包裝袋的各項指標(biāo)除了IWU、NH3-N兩項指標(biāo)值略有提高之外，其他指標(biāo)值都具有較大優(yōu)勢，因為淀粉為有機(jī)物，最終會比BDO、AA、PTA三種材料貢獻(xiàn)更多的NH3-N指標(biāo)值，并且改性會增加水、電的使用，故在IWU指標(biāo)值上也會略有增加。但由于IWU、NH3-N兩項指標(biāo)的歸一化結(jié)果較其余指標(biāo)而言具有數(shù)量級的差異，所以在權(quán)重因子無明顯差異的前提下，對ECER-135綜合指標(biāo)值的貢獻(xiàn)較小。

由圖4分析可以得知，單項指標(biāo)中SO2的貢獻(xiàn)占據(jù)首位，其次是PED、NOx、COD、CO2排放。造成這一結(jié)果的原因是顆粒生產(chǎn)過程采用的共酯化熔融縮聚工藝以及原材料本身的合成過程會消耗大量能源，而能源消耗會間接造成SO2排放增加。因此在評價PBAT基包裝袋對環(huán)境的影響時，除關(guān)注其CO2排放以外，更應(yīng)該著重關(guān)注SO2、PED、NOx及COD的指標(biāo)值。

圖4中PBAT包裝袋與PBAT/淀粉包裝袋歸一化對比分析結(jié)果表明，淀粉填充PBAT改性材料制成的包裝袋的ECER-135綜合指標(biāo)為1.25E-08，比PBAT包裝袋的指標(biāo)值更低，總體而言更加環(huán)保；且加入淀粉改性還能降低PBAT基產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高復(fù)合材料中生物基材料的占比[13]。

3.3 靈敏度分析

圖5為PBAT基包裝袋靈敏度。

圖5 PBAT基包裝袋靈敏度Fig.5 Sensitivity diagram of PBAT based packaging bags

由圖5可知，PBAT基包裝袋的生命周期中各個單元過程的環(huán)境負(fù)荷中，對LCA結(jié)果和ECER-135指標(biāo)貢獻(xiàn)較大的清單數(shù)據(jù)主要來自PBAT基包裝袋原料合成環(huán)節(jié)，體現(xiàn)為PBAT顆粒生產(chǎn)這一單元過程貢獻(xiàn)了最大靈敏度。在生產(chǎn)過程中，BDO、AA的靈敏度較高，PTA、電力消耗次之，所以在改進(jìn)時，應(yīng)重點關(guān)注BDO、AA、PTA三個指標(biāo)。

3.4 改進(jìn)建議

根據(jù)以上歸一化分析結(jié)果得知，PBAT/淀粉包裝袋（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的PBAT與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的淀粉共混）的環(huán)境綜合指標(biāo)值更小，且PBAT顆粒生產(chǎn)過程中，原料BDO、AA、PTA的靈敏度較高。在改進(jìn)時，應(yīng)推薦采用純度更高的BDO、AA、PTA原材料，優(yōu)化PBAT的合成工藝，如在保證PBAT性能的前提下，降低酯化反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間；其次，在滿足包裝袋使用性能的前提下，解決淀粉在PBAT中的分散問題，從而增加PBAT/淀粉復(fù)合材料中淀粉的含量；再次，在能耗方面，應(yīng)使用清潔能源，例如采用風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電，代替?zhèn)鹘y(tǒng)火力發(fā)電，以降低能耗帶來的環(huán)境影響。

4 結(jié)論

本研究基于生命周期評價方法，對PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋的生產(chǎn)工藝對環(huán)境的影響進(jìn)行了評價。通過特征化及基于ECER-135的歸一化對比分析發(fā)現(xiàn)，PBAT/淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的PBAT加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的淀粉）包裝袋與PBAT包裝袋相比，其生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷能有效降低8%以上。PBAT基包裝袋造成的環(huán)境負(fù)荷主要來源于顆粒生產(chǎn)階段，在顆粒生產(chǎn)階段的綜合指標(biāo)中，兩類材料的SO2指標(biāo)均占據(jù)環(huán)境負(fù)荷的首位，其次是PED指標(biāo)。因此在對PBAT基包裝袋進(jìn)行環(huán)保性評價時，除關(guān)注其碳排放外，還需要關(guān)注SO2、PED、NOx及COD指標(biāo)值。

后續(xù)研究將著力于更多改性方案和改性比例的PBAT基產(chǎn)品的LCA研究，并進(jìn)行對比分析，期望得到更具環(huán)境友好性能的改性比例，并進(jìn)一步分析改進(jìn)BDO、AA、PTA三類原料合成工藝的可行性。