黑色原液著色再生聚酯短纖維的全生命周期分析研究

馬俊濱，邢玉靜，余慧玲，吳松平，嚴玉蓉，2，3*

(1.廣東秋盛資源股份有限公司，廣東 普寧 515300； 2.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640； 3.化學與精細化工廣東省實驗室揭陽分中心，廣東 揭陽 522000； 4.華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510641)

自塑料發明以來，伴隨其使用帶來的是日益堆積的塑料垃圾。據研究報道，迄今為止已生產的原始塑料高達8.3×106kt，但僅有9%得到回收利用，剩余的塑料廢棄物給環境造成巨大負擔[1]。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是使用最廣泛的塑料之一，在飲料瓶、纖維、農用膜行業均有應用，2018年僅聚酯纖維全球產量即超過6.4×104kt[2]。2019年我國PET瓶年產量達到8 703 kt，紡織化纖總量達5.9×104kt，且廢舊化纖紡織品回收率不足10%，可見回收再生PET(R-PET)的原料儲量巨大。PET屬于可在一定條件下進行熱塑性加工再利用的高分子材料，采用熔融紡絲法所得R-PET短纖維可用于被褥填充材料、毛氈、車用內飾材料、裝飾地毯、土工材料等[3-4]，市場潛力巨大。據ALPLA集團的報道，每使用1 000 kg R-PET瓶片制備R-PET短纖維，可減少1 700 kg的二氧化碳(CO2)排放，節約能耗1.348×104MJ，但并未涉及實際生產中廢織物的使用比例對計算結果的影響，且環境評估指標并不全面。

全生命周期分析(LCA)是一種量化整個產品過程中的物料輸入、能源消耗、環境排放并評價其環境影響的標準方法[5]，主要包括4個步驟：目標與范圍定義，清單分析，影響評價，結果解釋。LCA方法可應用于評估產品環境影響，以對比結果解釋資源循環的意義。同時，LCA的分析結果還可指導產品實現基于碳減排目標的生產過程優化及配方設計優化。

廢棄PET材料的循環再利用是實現石化產品減碳和可持續發展的重要途徑之一，而LCA作為一種日益成熟的環境影響評估分析體系，可為該過程的環境影響進行全面、客觀評價。作者依據LCA方法研究R-PET瓶片再利用制備黑色原液著色再生滌綸短纖維(R-PET-BF)生產過程中的環境影響，分析影響環境指標的關鍵因素；探討原料中回收黑色PET紡織品泡料(R-PET 泡料)添加比例對計算結果的影響。

1 R-PET-BF的LCA分析

按照ISO 14040—2006《環境管理.產品壽命周期評價.原則和框架》與ISO 14044—2006《環境管理.產品壽命周期評價.要求和導則》 規定的4個步驟即目標與范圍定義、清單分析、影響評價、結果解釋對R-PET-BF進行LCA分析，采用建模軟件Gabi ts 6.0版本計算。

1.1 目標與范圍定義

LCA分析對象為R-PET-BF，產品規格為3.3～16.5 dtex，以2020年為基準年，功能單位為1 t，以R-PET瓶片與一定比例的R-PET泡料為原料，原料與產品R-PET-BF均由廣東秋盛資源股份有限公司生產。借助LCA選取如表1所示的6種環境影響指標分析其從資源開采到產品制備過程中的資源消耗與環境排放，系統邊界如圖1。

圖1 R-PET-BF的LCA系統邊界

表1 環境影響類別及環境影響因子

研究目的在于改進生產達到減排目標，故暫不考慮產品使用與處置過程。

1.2 清單分析

本次分析工藝過程數據為廣東秋盛資源股份有限公司生產車間調研獲得，包括PET廢瓶收集和材質分離、瓶的物理處理、熔融紡絲過程(包括后紡處理)、色母生產，而其他部分輔料、電力、煤等能源部分來源于Gabi擴展數據庫，主要使用我國國內數據，部分缺失使用歐盟、德國數據代替，瓶磚的運輸采用數據庫中常用貨車規格為符合歐VI排放標準的Euro-6卡車、凈重20～26 t、負載量17.3 t。

R-PET-BF的生產過程如圖2a所示。為方便研究可將R-PET-BF的生產劃分為3個階段：(1)廢PET瓶回收，包括廢PET瓶的收集與顏色分離，在LCA計算中，廢PET瓶折算為50%的原料環境影響；(2)物理處理，包括進行材質分離(瓶身、瓶蓋、標簽及雜質分離)，并將分離后的瓶身進行清洗、破碎、分離、再清洗以得到R-PET凈片的過程(見圖2b)，其中所添加的R-PET泡料的生產過程包括廢棄紡織品的分揀分離和泡料制備過程(見圖2c)；(3)熔融紡絲，將處理好的凈片經真空干燥后進入熔融紡絲設備并經過后紡處理得到短纖維產品。

圖2 R-PET-BF生產過程與原料物理處理過程

1.3 影響評價

根據表1所示的6種環境影響類別及環境影響因子作為評估指標，分析影響環境指標的關鍵因素。6種環境影響指標如下：GWP、AP、FAETP、TETP、POCP、EC?；谇鍐螖祿肎abi ts 6.0軟件分析得到特征化結果，如表2所示。

表2 R-PET-BF生產中各階段的特征化結果Tab.2

為便于不同指標間的比較，需要對數據進行無量綱化處理，即歸一化處理[6]。利用歸一化因子計算量化為統一值之后才可確定不同環境指標間的相對貢獻，實現不同環境影響指標間的對比。采用的歸一化因子參考文獻[7-8]中的國際基準值，所得歸一化結果如表3所示，其中GWP與AP選取時間均為100年，FAETP與TETP的時間為無限期。

表3 環境影響類別的歸一化基準值與R-PET-BF歸一化結果

1.4 結果解釋(關鍵流程識別)

為更直觀地判斷R-PET-BF生產過程中各階段對環境影響最大的環節，識別在產品整個生產過程中的主要環境影響類別，利于關鍵工藝改進與環保目標的設定，基于表2的LCA分析得到累積柱狀圖如圖3所示。由圖3可明顯看出，廢瓶及其回收是對各環境影響類別指標貢獻最大的工藝環節，且貢獻影響由大到小總體趨勢依次為廢瓶及其回收、熔融紡絲、物理處理。其中，廢瓶的環境影響來源于原材料，原材料雖只折算了50%的PET瓶的環境影響，但其在所有環境影響類別中均表現出明顯的影響貢獻，且在FAETP中表現尤為突出。原因在于PET瓶的生產過程中涉及PET、聚乙烯(PE)與聚氯乙烯(PVC)的生產，其生產過程中的廢水排放是淡水生態毒性的主要貢獻來源。

圖3 R-PET-BF生產中各階段對環境影響類別的貢獻占比

就當前關注的碳排放問題而言，可以利用GWP指標比較CO2當量排放的具體數值以確定可減碳的工藝與效果。從圖3還可看出，若不考慮原料生產的環境成本因素，相比于廢瓶的物理處理過程，熔融紡絲過程具有更高的碳排放量，占比達到20%。R-PET-BF的熔融紡絲過程中需要添加色母粒實現調色的目的，且高溫紡絲過程會不可避免地釋放可揮發性氣體，而物理處理貢獻的GWP主要體現在電或煤的使用上，這受我國火力發電的電力結構的影響。

AP主要來源于SO2、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)等酸性氣體的排放[9-10]，包括廢瓶中原料生產過程的直接排放(按50%折算)與電力生產中的間接排放。圖3表明廢瓶及其回收在TETP中的貢獻占比僅次于其在FAETP中的占比，原料生產與電力生產殘留的廢渣、廢油桶等固體廢棄物均會造成土壤污染。POCP[9-10]是大氣污染物(NOx、碳氫化合物等)在陽光直射下發生光化學反應形成，具有強氧化性與破壞性，其中原料生產與電力生產中則包括相關氣體的釋放，以及回收聚酯高溫加工中少量分解會產生碳氫化合物。EC包括可再生能源與不可再生能源，用于評價生產過程的能耗大小，圖3表明EC在各生產階段的貢獻占比與POCP類似，在纖維生產過程中，涉及到電力、煤、蒸汽與熱能等。

為識別關鍵環境影響類別，歸一化處理結果如表4所示。

表4 R-PET-BF生產中不同環境影響類別的歸一化結果占比

由表4可知，在R-PET-BF的生產中，EC是貢獻最大的環境影響類別，占比高達87.43%，與其他影響類別存在101～103的量級差異。其次為FAETP，貢獻占比為10.96%，相比之下，其他的貢獻占比則明顯更低，其貢獻由大到小依次為：EC、FAETP、TETP、GWP、POCP、AP。因此，在R-PET-BF的生產中，能耗是最需關注的問題，如何實現節能減排是促進綠色生產的關鍵。據分析廢瓶及其回收、熔融紡絲階段的能耗較大，可考慮以電力替換煤炭，若能使用清潔電力效果更佳，或以天然氣代替煤炭，因燃煤是全球氣溫上升最主要的原因，具有大幅減少能源領域排放的潛能[11]；其次則是淡水生態毒性，與之密切相關的即為廢水、污水的處理，貢獻最大的是廢瓶及其回收與分離，因其折算的50%的原料生產中包括聚合物及上游單體的合成，另外熔融紡絲中油劑的使用也會造成淡水污染，因此嚴格廢水與廢棄油劑的處理，將利于水污染的減少。

2 R-PET泡料添加比例對R-PET-BF的LCA結果的影響

R-PET泡料是企業從紡絲廠、織布廠或服裝廠回收得到的廢織物、邊角料、衣物經高溫破碎或高溫摩擦而成，顆粒尺寸分布不均，且具有韌性，難以二次破碎，因此使用中會有比例限制。R-PET瓶片料的品質(色相、純度等)相比于織物破碎得到的R-PET泡料更高，單獨使用可用于生產高品質纖維。但針對填充用途等材料對纖維強度要求不高，在滿足纖維基本物理性質要求的前提下，可在實際生產中添加最高不超過質量分數30%的R-PET 泡料以降低成本。比較在加入R-PET 泡料質量分數分別為10%，20%，30%時R-PET-BF的LCA計算結果，量化R-PET 泡料加入后對R-PET-BF生產過程環境貢獻的影響結果如表5所示。

表5 R-PET泡料添加比例對R-PET-BF的LCA特征化結果的影響

由表5可見：隨著R-PET泡料加入比例的增加，主要的環境影響類別指標均有一定程度的下降，如加入R-PET 泡料質量分數為30%時，EC作為環境影響貢獻占比最大的一個類別的影響減少了9.52%，FAETP減少了21.02%，GWP減少了2.97%，AP減少了9.85%，而在6個環境影響類別中，只有TETP與POCP的影響呈現增加趨勢，分別增加69.91%與90.47%，但TETP與POCP在整個生產過程中的環境影響貢獻比均較小。因此，綜合來看，添加R-PET泡料不僅可以節約企業成本，也利于主要環境影響貢獻的減少。

3 結論

a.以R-PET瓶片為原料制備的R-PET-BF為分析對象，利用LCA分析量化其生產各階段的環境影響結果，分析R-PET-BF的特征化結果，得到不同生產階段的環境影響大小，其貢獻影響由大到小總體趨勢依次為廢瓶及其回收、熔融紡絲、物理處理。

b.對R-PET-BF的LCA結果進行歸一化分析，得到不同環境影響類別的貢獻占比并判斷其來源，其中EC的貢獻占有絕對優勢，占比高達87.43%，其余的貢獻占比從大到小依次為FAETP、TETP、GWP、POCP、AP，占比分別為10.96%，0.82%，0.47%，0.18%，0.14%。

c.在R-PET-BF生產中，添加質量分數0～30%的R-PET 泡料作為原料，隨R-PET 泡料添加量的增加，主要環境影響類別EC、FAETP、GWP指標均有所下降，貢獻占比較小的AP也呈現減小的變化，僅TETP與POCP的影響呈現增加趨勢。以R-PET泡料代替部分R-PET瓶片可有效減少R-PET-BF生產過程中的環境影響。

d.EC是采用R-PET 制備R-PET-BF環境影響中最大的貢獻因素，因此，在紡絲過程中，熱能提供以基于可再生能源的電能或以天然氣代替傳統燃煤具有有效的碳減排和緩解污染趨勢。