PBAT基包裝袋生命周期評價

呂艷娜 姚 遠

郭 鑫1 歐陽春平2

遲 騁1 喬 月1

林芃杉1 張能建3

1.大連工業大學

輕工與化學工程學院

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，隨著人們生態意識的日益增強，“白色污染”治理問題越來越受到人們的關注，可降解材料的研發與推廣應用成為新亮點。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）的熱穩定性和機械強度，廣泛用作包裝材料和地膜材料[1]。然而，現有研究大多圍繞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境負荷研究不多見。

包裝的生命周期是指一個產品從原材料獲取、工業生產、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）是匯總和評價產品與服務在其整個生命周期中所有的投入和產出對環境造成的潛在和現實影響的評價方法[2]。針對環境問題及降解材料的發展，我國發布了GB/T 32163.2—2015《生態設計產品評價規范第二部分：可降解塑料》，旨在規定可降解塑料生命周期生態設計評價的定義、要求和生命周期評價報告編制方法、評價方法。

目前，國內外對生物降解塑料的生命周期評價進行了一定的研究。E.T.H.Vink等[3]對美國Cargill Dow公司生產的聚乳酸（polylactic acid，PLA）進行了評價，研究發現乳酸生產階段能耗最大，其能耗幾乎達到整個聚乳酸生產過程總能耗的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中的應用情況，并對 LCA方法在生物降解塑料中的應用進行了展望。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行了全生命周期研究，結果表明，三種材料的主要環境負荷階段均為材料的生產階段。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，認為在基于PLA的產品設計中需要考慮與運輸相關的問題，以保證產品在使用過程中的環境安全性能。史玉等[7]對聚乳酸快遞包裝進行生命周期評價，發現其環境影響主要來自生產和使用階段，快遞袋原材料獲取、加工及使用階段的環境綜合指標分別為1.09E-9, 5.64E-10, 1.24E-10。

現有研究中，對PBAT基包裝袋的生命周期評價還未見報道?；诖?，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/淀粉包裝袋生產過程的環境綜合指標，并對比分析兩種材料的包裝袋在生產過程中各個階段的環境負荷，以及造成環境負荷的主要單元過程及其相應的輸入和排放，以期提高PBAT基包裝袋的環境收益。

2 PBAT基包裝袋生命周期評價主要內容

2.1 目標與范圍

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：質量分數為75%的PBAT與質量分數為25%的淀粉。LCA模型基準流為“生產1 t PBAT基包裝袋”，系統邊界為“從搖籃到大門”，包含了原料收集、原料運輸、顆粒生產等過程。PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋模型的系統邊界分別見圖1和圖2。

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

圖2 PBAT/淀粉包裝袋研究系統邊界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

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，調查的實景過程為PBAT顆粒生產過程、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、工業用水，并產生了化學需氧量（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合，改性比例為質量分數為75%的PBAT和質量分數為25%的淀粉，能源消耗為電力、工業用水，并產生了低濃度顆粒 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，調查的實景過程為PBAT顆粒生產過程、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、吹膜制袋過程一致。

2.2.2 數據收集與整理

PBAT基包裝袋生產加工過程數據來源于國內相關大型企業的生產實踐。將數據整理分類，分成輸入、輸出兩類。輸入方面主要涉及能源、原材料、助劑及運輸等的投入，輸出則主要指污染物排放，其中運輸包含了距離、交通工具型號在內的基礎信息。

本研究運用億科eFootprint軟件進行建模與計算，其中背景數據來自數據庫Ecoinvent 3.1、CLCD（Chinese Life Cycle Database）、ECER 0.8 等[9-10]。這些在線數據庫包含600多個用于原材料、化學品、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]。所收集的數據如表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 數據完整性檢查

以上所建立的模型中沒有產生副產品、待處置廢棄物，所有數據符合實際生產情況。根據中國生命周期基礎數據庫（CLCD）的取舍規則，當生產過程中消耗的原料質量與過程產生總質量之比小于0.1 %時，可以忽略這些物料，且所有被忽略物料的總質量不超過物料總量的5%。經確認，生產中使用的水墨和催化劑的質量符合取舍原則，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

特征化是根據環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據轉化為相應的環境影響指標[6]，即將所得的每一個計算結果均乘以一個特征化系數，使得數據都轉化為相應的指標數據。以非生物資源消耗潛值（abiotic depletion potential，ADP）指標為例，xi表示對ADP指標造成貢獻的過程，cf為相應的特征化系數，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果如表3所示，對應的單項指標累計貢獻如圖3所示。

表3 PBAT基包裝袋的特征化結果Table 3 Characteristic index of PBAT based packaging bags

圖3 PBAT基包裝袋生命周期結果構成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，從其特征化圖中可以明顯地看出每項指標的主要貢獻因子。其中，每個貢獻因子前的數字對應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PBAT顆粒生產、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PBAT顆粒生產、淀粉填充改性PBAT顆粒生產、PBAT/淀粉顆粒吹膜制袋三個單元過程。

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

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

3.2 歸一化分析

歸一化的目的在于進一步辨別不同環境影響類型環境負荷的大小。對得到的特征化結果進行歸一化處理，即將每個特征化指標對應的環境負荷總量作為基準，再綜合所選擇的指標進行權重分配，得到歸一化結果。對比分析所選擇的歸一化方案為ECER-135，評價指標體系包含PED、CO2、IWU、COD、NH3-N、SO2、NOx共7個生命周期指標[10]，公式如下：

式中：Ai表示第i個指標的特征化結果（值）；Ti表示權重因子；Ni為2015年全國相應指標的特征化結果（值）總和。

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

圖4 歸一化結果Fig.4 Comparison of the normalization results of PBAT and PBAT/starch packaging bags

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

由圖4分析可以得知，單項指標中SO2的貢獻占據首位，其次是PED、NOx、COD、CO2排放。造成這一結果的原因是顆粒生產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基包裝袋對環境的影響時，除關注其CO2排放以外，更應該著重關注SO2、PED、NOx及COD的指標值。

圖4中PBAT包裝袋與PBAT/淀粉包裝袋歸一化對比分析結果表明，淀粉填充PBAT改性材料制成的包裝袋的ECER-135綜合指標為1.25E-08，比PBAT包裝袋的指標值更低，總體而言更加環保；且加入淀粉改性還能降低PBAT基產品的生產成本，提高復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境負荷中，對LCA結果和ECER-135指標貢獻較大的清單數據主要來自PBAT基包裝袋原料合成環節，體現為PBAT顆粒生產這一單元過程貢獻了最大靈敏度。在生產過程中，BDO、AA的靈敏度較高，PTA、電力消耗次之，所以在改進時，應重點關注BDO、AA、PTA三個指標。

3.4 改進建議

根據以上歸一化分析結果得知，PBAT/淀粉包裝袋（質量分數為75%的PBAT與質量分數為25%的淀粉共混）的環境綜合指標值更小，且PBAT顆粒生產過程中，原料BDO、AA、PTA的靈敏度較高。在改進時，應推薦采用純度更高的BDO、AA、PTA原材料，優化PBAT的合成工藝，如在保證PBAT性能的前提下，降低酯化反應溫度和反應時間；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/淀粉復合材料中淀粉的含量；再次，在能耗方面，應使用清潔能源，例如采用風力發電、水力發電，代替傳統火力發電，以降低能耗帶來的環境影響。

4 結論

本研究基于生命周期評價方法，對PBAT包裝袋和PBAT/淀粉包裝袋的生產工藝對環境的影響進行了評價。通過特征化及基于ECER-135的歸一化對比分析發現，PBAT/淀粉（質量分數為75%的PBAT加質量分數為25%的淀粉）包裝袋與PBAT包裝袋相比，其生產過程中的環境負荷能有效降低8%以上。PBAT基包裝袋造成的環境負荷主要來源于顆粒生產階段，在顆粒生產階段的綜合指標中，兩類材料的SO2指標均占據環境負荷的首位，其次是PED指標。因此在對PBAT基包裝袋進行環保性評價時，除關注其碳排放外，還需要關注SO2、PED、NOx及COD指標值。

后續研究將著力于更多改性方案和改性比例的PBAT基產品的LCA研究，并進行對比分析，期望得到更具環境友好性能的改性比例，并進一步分析改進BDO、AA、PTA三類原料合成工藝的可行性。