紡織印染工業生態毒性足跡核算與評價示范

李一　牟金瑩　駱艷　王來力

摘 要：研究基于化學品足跡理論，通過一件連衣裙生態毒性足跡的定量計算和評價，分析并識別了三道印染工序優先生態毒性足跡控制化學品以及優先生態毒性足跡控制工序，為紡織化學品的合理應用及管理提供可行性建議。根據不同量的化學品預測工藝鏈內有毒化學品，優先淘汰生態毒性足跡大的紡織化學品，尋找可替代化學品，實現可持續的化學品管理并可協助相關部門制定決策措施，進行全生命周期監測。結果表明，前處理、染色、印花三道工序的生態毒性足跡分別為1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day。染料、增稠劑、熒光增白劑、還原抑制劑的最終產物是生態毒性足跡較大的化學品。

關鍵詞：化學品足跡;紡織印染;連衣裙;生態毒性足跡

中圖分類號：TS10

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0065-06

Ecotoxicity Footprint Accounting and Assessment Demonstration of Textile Dyeing Industry

LI Yi1， MOU Jinying1， LUO Yan2， WANG Laili1

（1a.School of Fashion Design and Engineering; 1b.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology; 1c.Silk and Fashion Culture Center of Zhejiang Province， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.School of Fashion， Donghua University， Shanghai 200051， China）

Abstract：In order to provide feasible suggestions for the reasonable application and management of textile chemicals， the ecotoxicity footprint of a dress was quantitatively calculated and evaluated based on the theory of chemical footprint. Meanwhile， the priority control of chemicals and ecotoxicity in three dyeing and printing processes was analyzed and recognized. The hazardous chemicals in the process chain were predicted according to the amounts of chemicals. The textile chemicals with large ecotoxicity were eliminated preferentially. The alternative chemicals were sought to replace the textile chemicals. The sustainable chemical management was achieved， and relevant decisions and measures were made for full life circle monitoring to assist relevant departments. The results showed that ecotoxicity footprints of pretreatment， drying and printing processes were 1.43×10-1 PAF·m3·day， 1.62 PAF·m3·day and 4.11 PAF·m3·day， respectively. The final products of dye， thickener， fluorescer， reduction inhibitor were the chemicals with large ecotoxicity footprint.

Key words：chemical footprint; textile dyeing; dress; ecotoxicity footprint

化學品污染已被聯合國環境規劃署列為影響人類生存與發展的全球性重大環境問題之一[1]。《“十三五”生態環境保護規劃》（國發〔2016〕65號）明確指出，中國是化學品生產和消費大國，有毒有害污染物種類不斷增加，區域性、結構性、布局性環境風險日益凸顯[2]。

紡織行業是最主要的化學品消費行業之一，生產1kg服裝，大約需要1.5～6.9 kg的化學品[3]。其中，印染工業化學品用量位居全國工業前列，主要包括印染助劑、整理劑和染料。紡織化學品在紡織工業生產整個生命周期中都有可能以“三廢”形式排入生態環境中，對人類健康及生態環境產生一定的潛在毒性影響。隨著紡織化學品種類、生產和消費需求的增加，紡織產業對環境的影響和壓力也在不斷增長。

中國現行紡織化學品相關法律法規局限在源頭化學品的限用以及末端治理上，缺乏完整的基于生命周期的紡織化學品安全評估體系及風險評估工具[4]，如2002年發布國家強制標準GB 18401—2003《國家紡織產品基本安全技術規范》，對甲醛的含量進行了限制，列出了禁用致癌芳香胺清單。2012年，環保部修訂GB 4287—2012《紡織染整工業水污染物排放標準》，限定了COD、氨氮、總氮、總磷、可吸附有機鹵素、硫化物、苯胺類等水污染物的排放量。當前的化學品風險性管理也僅指出禁用限用化學品的危害性而未能綜合性定量定性評價化學品對生態系統造成的影響，亦不能比較不同物質不同排放量之間的毒性而提出具有針對性的管理措施?；瘜W品足跡作為足跡類指標，可用于評估人類活動相關化學品消費對地球環境可持續性的影響，從而實現由對“量”的限制到對“毒性”的管控。

事實上，紡織化學品對環境影響最重要的不在于其化學品成分，一些化學品往往本身不具有危害性或危害性不大，根源在于其降解產物或一系列的化學反應，紡織印染企業化學品使用種類多、排污量大、污染物復雜，引入化學品足跡方法可量化各類化學品全生命周期毒性影響，從而識別企業優先控制污染物、優先控制工序，實現化學品環境風險的有效防控。

根據不同的受體，化學品足跡可分成人體毒性化學品足跡（簡稱為人體毒性足跡）和生態毒性化學品足跡（簡稱為生態毒性足跡）兩種表征形式。發展至今，化學品足跡已有多類定義。2014年，BjO′rn等[5]基于化學品污染物潛在的人體毒性、生態毒性的特征因子（Characterization Factors，CF），來評價污染物對環境產生的負荷，并定義化學品足跡為稀釋一種化學品物質至其不破壞生態系統的濃度臨界點所需要的淡水量。在此定義下，2016年，Sorme等[6]以瑞典為例，基于USEtox1.01模型和歐洲轉移登記制度數據計算了排放到水體以及空氣中54種化學物質的潛在人體毒性足跡和生態毒性足跡。2017年，Nordborg等[7]在SOrme等的研究基礎上使用USEtox2.01模型計算了瑞典人體毒性足跡和生態毒性足跡的最新指標，此類定義和核算方法適用于化學品種類多而大的紡織印染行業。在中國的化學品足跡相關研究領域，方愷[8]將化學足跡納入足跡家族中，介紹了其概念與研究進展。杜翠紅等[9]概述了化學品足跡的發展，討論了化學品足跡研究中存在的問題與挑戰。靳強等[10]構建了區域人體毒性的模型與算法，論述了其可行性。錢佳鴻等[11]運用USEtox方法對1 kg牛仔織物染整過程中的化學品足跡進行了核算和評價。

相比國外，國內化學品足跡相關研究較少，兩者水平差距明顯。本研究以一條滌綸連衣裙為例，基于化學品足跡理論，結合印染工序三道工藝化學品的投入和產出數據，對連衣裙的產品生態毒性化學品足跡進行核算與評價示范，并對核算結果進行可行性分析。通過最終化學品排放物的篩選和排序，進行源頭追溯，根據各道工序的排放清單識別出污染優先控制工序和紡織化學品種類對毒性的影響，可為開展工業生產過程化學品使用的全生命周期環境管理提供理論與技術支持。

1 連衣裙印染工序生態毒性足跡的 核算

1.1 核算邊界

紡織印染工藝由前處理、染色和（或）印花、后整理等幾個重要環節組成。研究核算的時間邊界為紡織產品的印染工序鏈，空間邊界為核算的紡織產品時間邊界內所涉及化學品的投入和產出，印染工序涉及到的化學品主要可分為染料、助劑和其他化學品原料，最后化學品以“三廢”形式排入自然環境中，如圖1所示。

在本研究中，化學品足跡核算示范的功能單位設定為生產1條478 g 100%聚酯纖維的連衣裙所需要的聚酯纖維織物面料，其印染工藝的單位質量設定為1 kg。連衣裙的印染工序鏈主要包括在拉幅機中干燥和固定合成纖維織物、用噴射機給面料做印花的前處理（以下簡稱為前處理）、在噴射染色機中對原織物材料進行染色（以下簡稱為染色）、在旋轉印花機上進行印花（以下簡稱為印花）等工序。

1.2 核算方法

化學品足跡核算方法借助于多介質歸趨的生命周期影響評價（LCIA）模型，其中USEtox模型是目前生命周期評估方法中使用比較廣泛的共識模型。USEtox模型可模擬量化毒性污染物從進入環境到產生人體或生態毒性的整個過程，內嵌3000多種化學品物質數據庫，并含有新物質手工錄入接口，通過計算上千種物質的人體及生態毒性影響的特征因子而量化污染物排放的毒性影響，為化學品排放的生命周期毒性影響評價提供了一個完整、透明的計算工具。2014年，郝天等[12]采用USEtox模型計算焦化污染物排放的人體及生態毒性影響，并對結果進行排序篩選，為區域人體健康及生態環境保護提供了科學依據。

結合化學品產出清單及其對應的量，可計算生產一件產品不同化學品對人體及生態造成的影響，即人體毒性足跡與生態毒性足跡。其中，單位產品的生態毒性足跡（ChFe，單位PAF·m3·day）計算模型為：

ChFe=∑ni=1CFi·Ei（1）

式中：i為工業生產最終排入環境介質的化學品種類;CFi為排入相應環境介質化學品i的特征因子;Ei為化學品i排入環境介質的質量。

1.3 核算數據

核算邊界內印染工序鏈段的化學品投入與產出物質質量清單數據來源于瑞典未來時尚研究基金會（http：//mistrafuturefashion.com/），相關特征因子由聯合國環境規劃署、環境毒理和化學學會聯合開發的USEtox2.01模型得到，模型中地理信息參數設定為歐洲，排放隔間為城市空氣和新鮮水。

USEtox模型通過結合污染物的環境歸宿因子、暴露因子、效應因子計算得到某種特定化學物質相對應的特征因子，但由于紡織產業鏈的復雜性和紡織化學品龐大的數量，導致數據庫部分特征因子缺乏，尤其是人體毒性化學品足跡特征因子。另外，USEtox模型并不涵蓋現有所有的化學物質，無機物清單中僅有金屬的特征因子，例如氫氧化鈉等物質被廣泛應用于紡織工業，對環境也有一定的危害性，卻沒有被包括在USEtox模型中，致使研究中部分化學品的特征因子缺失。研究在USEtox2.01的基礎上，結合Roos等提出的紡織化學品特征因子數據來源選擇策略，即通過數據質量評估和優先順序在有效域盡可能為物質提供可靠的特征因子的方法補全了缺失的化學品生態毒性特征因子[13]。表1列舉了印花工序相關化學品的排放量及其特征因子。

2 結果與分析

2.1 優先生態毒性足跡控制化學品

根據已獲取的排放數據清單，計算得到紡織印染前處理、染色和印花三道工序中每種化學品的生態毒性足跡，并對結果進行排序，如圖2所示。

前處理工序丙烯酸異丁酯的生態毒性足跡占據了整個工序的75.7%，主要來源于熒光增白劑Ultravon EL，少部分來源于勻染劑Breviol PAM-N（圖2（a））。熒光增白劑在動物體內不會被吸收，仍以排泄物的方式存留在生態系統中，經過一系列反應后產生的丙烯酸異丁酯及醇乙氧基化物有一定的毒性，對環境有影響。醇乙氧基化物最終排放到環境介質中的質量為1.13×10-5 kg，是草甘膦的1/4，但最終的生態毒性足跡位居第二，超過了草甘膦。由于草甘膦分子結構中含有磷酸基、羧基、氨基等，這些基團具有較強的絡合金屬的能力，在一定程度上也能降低重金屬對生物的毒性和有效性[13]，因此特征因子數值（3.61×102PAF·m3·day/kgemitted）明顯小于醇乙氧基化物（1.64×103PAF·m3·day/kgemitted）。進入環境中的甲醛在物理、化學和生物等的共同作用下可以被逐漸稀釋氧化和降解，作為丙烯酸分散體其質量只有1.56×10-7 kg，因此生態毒性足跡并不顯著，只占了前處理工序總生態毒性足跡的0.04%。

染色工序的化學品生態毒性足跡呈3個等級分布，雷馬素的生態毒性足跡最大，四聚丙烯基苯磺酸鈉、脂肪酸類、丙烯酸異丁酯、醇乙氧基化物、氫氧化鈉的生態毒性足跡處于中等水平，N，N-二甲基乙酰胺、草甘膦、碳酸鈉、亞硫酸鈉、硫酸銨、醋酸、二甘醇一乙醚、甲醛的生態毒性足跡較?。▓D2（b））。其中，雷馬素的生態毒性足跡為8.94×10-1PAF·m3·day，貢獻率超過了55%，主要來源于工藝過程中使用的一種黑色分散染料Terasil Black WS-N，還有極小部分是從水處理設施中分離出來的。染料的環保性一直是染料行業和印染行業發展的重點，是印染行業優先管控的化學品之一，但配方的保密性給管控帶來了難點。聚酯彈性織物要求染色牢度與彈性損傷之間謀求協調，使用的分散染料要易被還原清洗，因此助劑的還原性要強，而還原抑制劑Cibatex AR的最終產物四聚丙烯基苯磺酸鈉不易生物降解，進入環境介質對生態環境影響較大，因此其生態毒性足跡（2.11×10-1PAF·m3·day）占據了染色工序的13.04%，位居第二。對比無機物，氫氧化鈉生態毒性足跡較大，達1.00×10-1PAF·m3·day，是其他無機物總和的7.3倍，在紡織工業氫氧化鈉被用于纖維的處理和染色，作為一種強堿對生態環境具有腐蝕性，是印染廢水中需要中和處理的優先考慮物質。

印花工序丙烯酸異丁酯生態毒性足跡為3.25 PAF·m3·day，位居第一且占據印花工序總生態毒性足跡的79.12%，是雷馬素的4.2倍（圖2（c））。不同于前處理及染色工序的來源，印花工序的丙烯酸異丁酯是兩種增稠劑Alcoprint DT-CS和Lyoprint AIR 1∶1的產物。由于滌綸是一種疏水性纖維，具有熱塑性，表面光滑，因此選用的增稠劑應有良好的黏著性和易洗滌性。在涂料印花中，增稠劑可多方面協調乳膠漆的增稠、穩定及流變性能，增稠劑大多屬于親水性高分子化合物，此次核算清單所用的為適用于印花的合成增稠劑Alcoprint DT-CS以及水性丙烯酸分散體脫泡劑Lyoprint AIR 1∶1。由柔軟劑Sapamine FPG產生的脂肪酸類，N，N-二甲基乙酰胺生態毒性足跡只占據了印花工序總生態毒性足跡的0.83%，影響不大。

通過上述分析可將染料以及助劑中的增稠劑、還原抑制劑列為印染行業優先管控的投入化學品。

2.2 優先生態毒性足跡控制工序

紡織印染三道工序的總生態毒性足跡，以及每道工序中每種化學品的貢獻值如圖3所示。前處理、染色、印花三道工序的生態毒性足跡分別為1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day，能明顯比較出連衣裙紡織印染核算示范模塊的工序生態毒性足跡大小為印花>染色>前處理。其中，染色工序和印花工序投入的化學品量分別為0.52 g和0.485 g，差值不大，但印花工序的總生態毒性足跡是染色工序的2.53倍。原因在于印花工序中增稠劑的使用量對生態毒性影響較大。在印花工序中，作為印花色漿的增稠劑可以保證花紋的輪廓光潔度，使印花色漿中的各個組分能均勻地分散在原糊中，對染料的傳遞起到載體的作用，保證印花色漿被附著在花筒凹紋內，是該工序中必不可少的化學品。

化學品生態毒性足跡的計算結果也表明各工序的優先控制化學品不同，如染色和印花工序中丙烯酸異丁酯和雷馬素均為優先生態毒性足跡控制化學品，但在染色工序中雷馬素的生態毒性足跡（8.94×10-1PAF·m3·day）大于丙烯酸異丁酯（1.08×10-1PAF·m3·day），而在印花工序中丙烯酸異丁酯（3.25 PAF·m3·day）遠遠大于雷馬素（7.69×10-1PAF·m3·day）。另外，丙烯酸異丁酯在三道工序中的生態毒性足跡都較大，而雷馬素在染色和印花工序中的生態毒性足跡較大。

對比三道工序產出化學品中醇乙氧基化物的生態毒性足跡，得到染色>前處理>印花。醇乙氧基化物主要來源于三道工序中使用的增白劑和清洗劑。前處理過程使用了熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Invatex CS，但清洗劑Invatex CS不分解產生醇乙氧基化物，其單一來源為熒光增白劑Ultravon EL。染色工序除了使用熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Invatex CS外，還使用了清洗劑Cibapon OS，因而醇乙氧基化物來源于熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Cibapon OS，印花工序僅使用了清洗劑Cibapon OS。Invatex CS作為一種堿土金屬離子和重金屬離子的絡合劑，主要用于合成纖維的洗滌和退漿過程，Cibapon OS則能改變沾污在織物上的分散染料的平衡狀態，使沾色的分散染料容易轉向液體，更易于清洗。根據上述分析，通過化學品足跡的核算可比較出不同紡織化學品的毒性大小。在同等作用條件下，優先選擇毒性小的化學品，可有效降低紡織印染工業生產過程對環境造成的生態毒性影響。

3 結 論

化學品足跡作為定量評價化學品對環境潛在影響的工具，可為紡織印染工業化學品的合理應用及全生命周期管理提供參考依據和技術支持。研究基于化學品足跡理論對連衣裙工業生產中印染工序的生態毒性足跡進行了核算和評價，主要結論如下：

a）100%聚酯纖維連衣裙印染工序中前處理、染色、印花三道工序的總生態毒性化學品足跡為5.87 PAF·m3·day，其中印花工序生態毒性化學品足跡最大，占比約為69.96%。增稠劑是最大的毒性源，占比約為79.12%。

b）不同種類清洗劑的最終產物不同，其生態毒性足跡也不同。通過定量比較生產印染助劑的原料、印染助劑本身，以及印染助劑使用過程中所產生的污染物的生態毒性足跡，預測工藝鏈內有毒化學品，進一步指導企業采用低毒低害甚至無毒無害的紡織化學品，既可以從源頭實現紡織化學品的有效管控，又可以從末端排放端進行毒性管控。

c）染料、增稠劑、熒光增白劑、還原抑制劑的最終產物是生態毒性足跡比較集中的化學品。通過比較同一種類不同供應商的紡織化學品生態毒性足跡大小，尋找可替代化學品，實現可持續的化學品管理，并可協助相關部門制定決策措施，進行全生命周期管控。

參考文獻：

[1] 陳景文.計算（預測）毒理學：化學品風險預測與管理工具[J].科學通報，2015（19）：1749-1750.

[2] 國務院.國務院關于印發“十三五”生態環境保護規劃的通知[EB/OL].（2016-12-05）[2018-4-20].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/05/content_5143290.htm

[3] ROOS S. Towards sustainable use of chemicals in the textile industry： how life cycle assessment can contribute[D]. Gothenburg： Chalmers University of Technology，2015.

[4] 陳建剛，王碧佳，朱泉，等.中國紡織印染加工用化學品的風險評估[J].生態毒理學報，2015，10（2）：131-141.

[5] BJ′RN A， DIAMOND M， BIRKVED M， et al. Chemical footprint method for improved communication of freshwater ecotoxicity impacts in the context of ecological limits[J]. Environmental Science & Technology， 2014，48（22）：13253-13262.

[6] SRME L， PALM V， FINNVEDEN G. Using E-PRTR data on point source emissions to air and water—First steps towards a national chemical footprint [J]. Environmental Impact Assessment Review， 2016（56）：102-112.

[7] NORDBORG M， ARVIDSSON R， FINNVEDEN G， et al. Updated indicators of Swedish national human toxicity and ecotoxicity footprints using USEtox 2.01[J]. Environmental Impact Assessment Review， 2017（62）：110-114.

[8] 方愷.足跡家族：概念、類型、理論框架與整合模式[J].生態學報，2015，35（6）：1647-1659.

[9] 杜翠紅，王中鈺，陳景文，等.化學品足跡：概念、研究進展及挑戰[J].生態毒理學報，2016，11（2）：18-26.

[10] 靳強，李琛，劉蓮，等.基于毒性足跡的污染源頭管控研究[J].環境與可持續發展，2017，42（4）：19-21.

[11] 錢佳鴻，李一，王來力.牛仔織物化學品足跡核算與評價[J].印染，2018（13）：52-55.

[12] 郝天，杜鵬飛，杜斌，等.基于USEtox的焦化行業優先污染物篩選排序研究[J].環境科學，2014，35（1）：304-312.

[13] ROOS S， HOLMQUIST H， J？NSSON C， et al. USEtox characterisation factors for textile chemicals based on a transparent data source selection strategy[J]. International Journal of Life Cycle Assessment， ， 2018，23（4）：890-903.

[14] 周垂帆，李瑩，張曉勇，等.草甘膦毒性研究進展[J].生態環境學報，2013，22（10）：1737-1743.