PBAT、PLA和PLA/PBAT共混塑料包裝袋的碳足跡分析

＊孟亞彬 孫萬意 遲曉光 高峰*

（1.北京工業大學材料與制造學部工業大數據應用技術國家工程實驗室 北京 100124 2.北京中創綠發科技有限責任公司 北京 100080）

近年來隨著快遞業務量的快速增長，包裝產品的產量和消耗量也不斷增加。據統計[1]，2019年我國塑料產業造成了約12.9億噸碳排放，其中薄膜類產品約占20%。在“碳達峰、碳中和”背景下，我國塑料包裝行業急需向綠色、低碳、循環方向進行升級轉型。PBAT和PLA[2]可作為環保材料應用于包裝替代不可降解塑料，從而實現塑料包裝的綠色發展。

生命周期評價（LCA）方法已被國內外學者廣泛應用于分析產品包裝的環境影響。呂艷娜等[3]對PBAT、PBAT/淀粉兩種包裝袋生命周期評價比較，結果表明淀粉改性可以使PBAT基包裝袋的環境負荷有效降低8.1%。史玉等[4]對用于快遞的聚乳酸基包裝袋進行全生命周期評價，結果表明，其環境影響主要來自產品生產階段。Vincent Rossi等[5]對聚乳酸及熱塑性淀粉的6種廢棄物處置組合方案進行研究，結果表明垃圾填埋和工業堆肥產生了更大的環境影響。本研究采用生命周期評價方法對比分析PBAT、PLA和PBAT/PLA共混塑料包裝袋生產及廢棄后不同處置方式的碳排放，為我國可降解塑料包裝的低碳發展提供科學依據。

1.研究方法及數據

(1)研究范圍

①功能單位

功能單位為生產1kg包裝袋產品。根據國家標準的要求，包裝袋厚度為0.03～0.08mm，所研究包裝袋產品規格為18cm×25cm，單個質量為0.018～0.025kg，1kg包裝袋產品的數量為50個。

②系統邊界

系統邊界覆蓋原材料的獲取、包裝袋產品加工及廢棄處置階段，如圖1所示。

圖1 可生物降解包裝袋產品的生命周期系統邊界

產品生產的資源能源消耗和排放數據來源于廣東省某包裝品生產企業及其上游原料供應商的調研。原材料獲取環節依據調研企業實際生產折算出1kg塑料袋生產所需的資源消耗。生產過程中其他助劑消耗占比不足1%，忽略不計。

③廢棄階段情景設置

我國尚未形成對可降解塑料垃圾進行收集并處理的具體措施，可降解塑料薄膜類廢棄物大多隨生活垃圾共同處置。因此，基于生活垃圾處理方式[6]設立以下情景：

基準情景：填埋46%、焚燒54%；情景1：填埋46%、焚燒50%、工業堆肥4%；情景2：填埋46%、焚燒50%、機械回收4%；情景3：填埋30%、焚燒50%、工業堆肥20%。

(2)碳排放核算方法

①原材料獲取階段

原材料獲取階段碳排放是產品上游主要原材料碳排放的加和，數據來自Ecoinvent數據庫[8]。

②產品加工階段

產品加工階段碳排放主要來自生產過程電力消耗所產生的溫室氣體排放。計算方法為[8]：

式中，D為功能單位產品生產電力消耗量；Ef為電力排放因子。

③廢棄物處置階段

A.廢棄物焚燒。塑料焚燒碳排放計算如下[9]：

式中，W廢為廢棄塑料的焚燒量；Cf為塑料中總碳量占干重比率；F為燃燒效率；44/12為CO2與C的分子量比率；Dc為塑料焚燒發電量；Pc為我國單位火力發電的碳排放。

B.廢棄物填埋。碳排放核算采用國家溫室氣體指南中推薦的廢棄物填埋缺省因子計算[9]：

式中，W為填埋量；DOC為填埋后可降解碳比率；MCF為甲烷修正因子；F為填埋氣體中甲烷的比例；44/12為CO2與C的分子量比率；16/12為CH4與C的分子量比率。

C.廢塑料機械回收。碳排放量計算公式為[10]：

其中，Q表示塑料總回收量；Lp表示回收塑料材料降級調整因子；SECb為原始材料生產塑料電耗；Ef為電力排放因子；SFCb表示化石能源消耗；Bf為化石能源CO2排放因子。

D.廢棄生物降解塑料工業堆肥。碳排放計算公式如下[11]：

(3)數據及來源

通過對生產企業及其上游原料供應商的調研，整理得到了3種可降解包裝袋生產過程的主要資源、能源消耗和污染物排放數據，如表1所示。

表1 三種包裝袋產品主要資源能源消耗和污染物排放數據

2.結果與分析

(1)可降解包裝袋碳排放結果及分析

在廢棄物處置方式為基準情景下，1kg PBAT、PLA、PLA/PBAT共混塑料包裝袋的碳排放分別為9.49kg CO2eq、7.71kgCO2eq和7.51kgCO2eq。圖2顯示了3種塑料包裝袋碳排放大小及貢獻比例。3種包裝袋碳排放主要來自其原材料獲取階段，分別占其總排放的86.4%、86.3%、79.8%。

圖2 3種包裝袋產品的碳排放

對3種包裝袋溫室氣體排放貢獻進行分析，CO2是最主要的貢獻者，遠大于N2O和CH4。對于PBAT包裝袋，CO2貢獻比例最大的是原材料獲取階段，占其總排放量的81.93%；對CH4的貢獻主要來自原材料獲取及廢物處置階段；對N2O的貢獻大多來自原材料獲取階段，占比為99.70%。PBAT包裝袋原料獲取階段，碳排放貢獻最大的是己二酸，而己二酸的溫室氣體源排放結構中，N2O氣體貢獻比例最高分析表明，PBAT中N2O的排放大都來自己二酸生產，這是因為己二酸生產過程需要經硝酸氧化所致。

對于PLA包裝袋，CO2排放主要來自原材料獲取階段，占該階段碳排放的89.53%；CH4排放占比最高的階段為廢物處置，為77.67%，其次是原材料獲取階段，占比22.32%；對N2O的貢獻主要來源于原材料獲取階段，占其N2O總排放的98.39%。

PBAT/PLA共混包裝袋溫室氣體貢獻結構中，對CO2貢獻最大的是原材料獲取階段，占CO2總量的79.59%；對CH4的貢獻主要來自廢棄物處置及原輔料獲取階段，分別占其總量的61.27%和38.67%；對N2O的貢獻主要來自原輔料獲取階段，貢獻比例為98.85%，其他環節較小。PBAT/PLA共混包裝袋原料生產階段的碳排放，主要來源于聚乳酸顆粒的生產（76.91%），其次是PBAT顆粒（23.08%）。聚乳酸作為生物質原料具有較高的CO2排放量，主要來源于聚乳酸合成過程的電力消耗。

(2)處置情景碳排放分析

圖3顯示了可降解塑料袋產品4種不同處置情景下的碳排放結果。4種情景碳排放從小到大依次為：情景2、情景3、基準情景、情景1。情景3減少了填埋，增加了堆肥比例，有利于降低處置階段碳排放。情景2將工業堆肥替換為機械回收實現了廢棄塑料的低碳處置。

圖3 4種處置情景碳排放結果比較

綜合比較，機械回收處理可視為未來可降解包裝袋末端處置的首選。而工業堆肥因其規模、技術等問題在可降解塑料垃圾處理方面未體現出有效的減碳能力，但與填埋相比，其碳排放也表現出明顯的下降趨勢，未來可降解塑料做堆肥處理也符合低碳發展的要求。

3.結論

研究基于生命周期評價方法，分析了3種可降解塑料包裝袋的碳排放，主要結論如下：

（1）生產1kg PBAT、PLA、PLA/PBAT共混塑料袋的碳排放大小為：PBAT＞PLA＞PLA/PBAT共混。PLA/PBAT共混塑料袋相較于PBAT，其碳排放降低20.86%。（2）3種可降解塑料袋溫室氣體排放結構中，CO2是最主要的貢獻者，主要來源于原材料的生產階段。（3）包裝袋廢棄處置情景分析結果表明，提高回收和工業堆肥比例有利于降低廢棄處置的碳排放。