基于生命周期評價的原生和再生PET纖維環境影響對比分析

劉奇汶，畢瑩瑩，董黎明，董莉，劉景洋*

1.國家環境保護生態工業重點實驗室, 中國環境科學研究院

2.北京工商大學生態環境學院

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）俗稱“滌綸樹脂”，具有良好的抗褶皺、耐磨性、可紡織性、可染性等特點[1]，長期以來一直處于全球紡織業的主導地位。據統計，PET 市場約占整個纖維市場的60%[2]，其中既有PET 原生料，又有再生料，未來幾年這一占比還會繼續增加。盡管PET 纖維具有諸多優勢，但也不可避免會對環境造成影響和危害。這些影響主要來源于PET 纖維的生產和廢PET 的處理過程：一方面，PET 纖維的生產涉及到大量的能源（電、煤炭、天然氣等）消耗以及過程中各類有機化學品的添加，例如熔融擠出環節需要高溫，是聚酯生產鏈中主要的耗能工藝，薛芳峰等[3]研究表明PET 切片熔融紡絲過程中的螺桿溫度達到300 ℃；另一方面，在目前的廢PET 處理過程中只有小部分的原生聚酯被回收，其余大部分則被填埋或是焚燒[4]，焚燒后的熔渣通過垃圾填埋進行處理[5]。廢舊PET 泄漏到環境中，會在物理磨損、高溫和紫外線的作用下形成碎片。由于PET 的化學結構穩定[6]，不易被環境中的微生物降解，會形成微塑料進入土壤、河流等對生態環境造成危害[7]，對人體健康存在潛在風險[8]。

與原生PET 生產纖維相比，再生PET 纖維因實現資源循環利用而備受關注。再生PET 纖維是由回收的廢PET 飲料瓶經過脫標、破碎、清洗、干燥制成瓶片，瓶片再經過紡絲制成的。中國是全世界PET 瓶的主要生產國和消費國[9-10]，《2021年碳中和背景下PET 瓶可持續發展報告》[11]中指出，2020年中國PET 瓶消費量達到949 萬t，按照回收率為94%計算[12]，再生PET 比原生PET 減少碳排放量1 177.52 萬t，約為226 萬輛車一年的碳排放量。

雖然廢PET 飲料瓶再生制得的纖維與原生PET 纖維具有相似的性能[13]，且可以顯著降低CO2排放，但回收的廢PET 飲料瓶質量、純度都對再生纖維質量有很大的影響，所以需要進行精細分選、反復清洗以達到再生原料的要求，這一過程也需要消耗大量的電、水及各類藥劑。因此，在環境影響方面，再生PET 纖維是否比原生PET 纖維更加友好成為一個亟須探索的問題。

生命周期評價（LCA）是一種新型環境管理工具，被廣泛應用于環境保護及評價中。近年來，國內外的學者通過LCA 法對包括PET 在內的塑料制品可能造成的環境影響進行了大量研究：Zhang 等[14]利用LCA 法對聚酯纖維的回收對全球變暖潛勢進行了研究，結果表明，所有回收的聚酯纖維的全球變暖潛值低于原生聚酯纖維；美國塑料回收協會對再生PET 替代原生PET 一年減少的碳排放量進行了計算，結果表明，2019年全球PET 瓶消費量達2 411萬t，按照其回收率為100%計算，用再生PET 替代原生PET 一年可減少的碳排放量為3 182.52 萬t。Ba?azińska 等[15]使用LCA 法對廢PET 瓶的回收利用、能源回收、填埋進行環境影響分析，結果表明，最環保的廢PET 瓶管理方式是回收，能源回收的環境負擔較高，而填埋是廢PET 瓶管理最不利的形式。Nakatani 等[16]采用LCA 法對中日兩國國內和跨境回收情景及處置情景中的溫室氣體和化石資源消耗進行研究，結果表明，所有國內和跨境回收情景的溫室氣體排放和化石資源消耗均小于焚燒情景，而化學回收情景的溫室氣體排放和化石資源消耗均大于其他回收情景。Saleh[17]采用LCA 法證明了與其他處理方案相比，回收可以顯著降低環境影響，包括減少溫室氣體排放和化石資源消耗。

由此可見，LCA 法能對塑料制品的環境影響作出有效評價，但值得注意的是，上述研究的重點大多只集中于能源消耗和二氧化碳排放等方面，其他環境影響如非生物耗竭、生態毒性、酸化富營養化等卻很少涉及。筆者通過LCA 法計算原生PET 纖維和再生PET 纖維的全球變暖潛值、酸化效應潛值、非生物耗竭、光化學臭氧合成、陸地生態毒性潛值；識別2 類PET 纖維生產工藝流程中對環境產生影響的關鍵因素；比較原生PET 纖維和再生PET 纖維的環境影響；并提出減小PET 生產與資源化的環境影響的針對性建議。

1 生命周期環境影響評估

1.1 目標與范圍定義

目標與范圍定義是開展生命周期評價的第一步，可根據研究目標的不同確定不同的系統邊界和功能單位。研究目的應包括明確的LCA 結果說明和應用以及通過得到的LCA 結果可以作出哪些工藝改進甚至提升到政策建議層面。

1.1.1 目標和功能單位

本研究的分析對象是再生PET 長絲和原生PET 長絲，功能單位是100 kg 長絲。研究目的是假設再生纖維具有與原生纖維相同的質量，比較再生PET 長絲和原生PET 長絲對環境的影響。考慮到在長絲生產過程中會產生CO2、SO2、C2H4、VOCs、NOx等廢氣，以及廢爐渣、廢絲等固體廢物，且在整個生產過程中消耗大量的煤、電、蒸汽等非生物資源，借助LCA，選取相關的5 個環境影響指標，分別為全球變暖潛值、酸化效應潛值、非生物耗竭、光化學臭氧合成、陸地生態毒性潛值，從大氣、自然資源、毒性、土壤等維度來分析PET 長絲制備的資源消耗和環境排放。這5 種環境影響類別在Shen 等[13]的研究中，也被證實是生產PET 長絲的主要環境影響類別。每種環境影響指標的影響因子及單位見表1。

表1 環境影響類別及環境影響因子Table 1 Environmental impact categories and environmental impact factors

1.1.2 系統邊界

生產100 kg 再生PET 長絲的系統邊界包括生產PET 瓶片（分揀、洗滌、干燥、破碎）、長絲生產（干燥、熔融擠出、紡絲、上油、卷繞）。生產100 kg 原生PET 長絲的系統邊界包括原油開采、原料生產（乙二醇和精對苯二甲酸）、紡絲。研究目的在于改進生產達到減排目標，故暫不考慮原材料運輸和產品使用與廢物處置過程，系統邊界如圖1 所示。

圖1 系統邊界Fig.1 System boundary

1.2 數據收集

本研究主要是通過向相關企業調研獲得直接數據，缺少的數據采用文獻調研等方式獲取。其中，再生PET 長絲的調研企業要符合中國廢塑料綜合利用的標準條件，擁有完整的生產線，可將廢PET 瓶回收再生成PET 長絲；原生PET 長絲的調研企業要求生產穩定，近年來的投入和產出數據相對穩定。

1.3 數據處理

1.3.1 特征化處理

特征化是指將所有的輸入輸出物質按照其對環境和資源的影響程度，用與其相關的貢獻大小得到所對應的特征化因子，并根據該因子對產品進行生命周期量化分析。常用的特征化方法有CML 2001、IMPACT World+、ReCiPe、Eco-Indicator 99 等[18-21]，以上均為聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）推薦的方法。本研究使用Simapro 9.0 軟件中的CML 2001 方法對清單進行計算。需要指出的是，在研究再生PET 長絲時，主要側重于生產過程對環境的影響，廢PET 瓶作為原料輸入系統時自身就攜帶各環境影響的貢獻值，所以設定回收的廢PET 瓶的各環境影響貢獻值為零，只考慮生產過程對環境的影響。

1.3.2 歸一化處理

為了識別關鍵環境影響類別，便于不同指標之間的比較，需要對特征化數據進行無量綱處理，即歸一化處理。利用Simapro 9.0 軟件中的歸一化功能對數據進行處理，使用的歸一化因子來自參考文獻中的國際基準值[22]。所選環境影響類別的歸一化因子如表2 所示，所有類別的因子選取時間都是100年。

表2 環境影響類別的歸一化因子Table 2 Normalization factors of environmental impact categories

1.3.3 生命周期多邊形法

為更清晰直觀地展現LCA 結果，采用生命周期多邊形法[23]對產品或工藝的環境影響進行綜合對比評估。通過比較不同多邊形的組合區域的面積得出每個產品或工藝的環境影響，面積越大，產品或工藝的影響就越大。LCA 多邊形往往不是規則的多邊形，其面積需要通過形成的n個三角形的面積之和來計算。公式如下：

式中：Si為三角形i的面積；Sn為最后一個三角形的面積；S為三角形的面積和；Ri為三角形的側邊值；i為多邊形中形成的三角形數量，i=1, 2,···,n-1。

由于影響類別的排列不同會引起RiRi+1數值的不同，進而導致LCA 多邊形的面積不同。為了解決該問題并使結果更準確，需要計算不同影響類別排列的所有可能三角形的平均面積。RiRi+1組合出的三角形數量是[n(n-1)]/2。LCA 多邊形的平均面積通過下式進行計算：

2 結果與討論

2.1 原生PET 長絲的環境影響

采用CML 2001 計算方法，通過Simapro 9.0 軟件分析得到的原生PET 長絲的5 種環境影響類別的中點環境影響如圖2 所示。在整個原生PET 長絲生產過程中，精對苯二甲酸、乙二醇、合成過程、電力對5 種環境影響貢獻大，其中，精對苯二甲酸對5 種環境影響貢獻最大，乙二醇只對全球變暖潛勢、陸地生態毒性潛值、非生物耗竭貢獻較大，這是因為在乙二醇和精對苯二甲酸的生產過程中涉及到乙烯和對二甲苯的生產，這些有機化學品的生產原料大多是石腦油、輕柴油、燃料油等石油類物質，并且合成過程需要高溫，耗電量也很大。合成過程對酸化效應潛值、光化學臭氧影響較大，這是由于在反應階段產生了SO2、NOx以及其他碳氫化合物。

圖2 原生PET 長絲的中點環境影響Fig.2 Midpoint environmental impact of primary PET fiber

2.2 再生PET 長絲的環境影響

再生PET 長絲的主要工藝包含2 個部分，即凈片生產和熔融紡絲。根據Simapro 9.0 軟件的排放因子計算得到2 個生產過程的5 種環境影響的特征化結果。各生產要素的具體貢獻率如圖3 所示。

圖3 再生PET 長絲的中點環境影響Fig.3 Midpoint environmental impact of recycled PET filaments

由圖3（a）可見，在凈片生產階段，電力和蒸汽的使用對5 種環境影響類別貢獻較大。其中，電力是5 種環境影響類別的最大貢獻者，這是因為在此階段的工藝包括整瓶清洗、粉碎、瓶片摩擦洗、連續漂洗、脫水干燥等都需要消耗大量的電。從圖3（b）可以看出，熔融紡絲階段，煤和電力對5 種環境影響類別貢獻較大。其中，全球變暖潛勢、陸地生態毒性潛值、酸化效應潛值、光化學臭氧合成的最大貢獻者是電力，貢獻率均超過了50%；煤主要影響了酸化效應潛值、非生物耗竭，貢獻率均超過40%。熔融紡絲是高耗能工藝，在紡絲過程中，需要燃煤提供蒸汽以達到熔融的溫度，整個過程也涉及到電力的使用。從圖3（c）可知，熔融紡絲對每種環境影響類別的貢獻率均大于凈片生產過程，這說明熔融紡絲比凈片生產對環境的影響更大。

2.3 環境影響評估

圖4 顯示了原生PET 長絲和再生PET 長絲歸一化的中點結果。從圖4（a）可以看出，在原生PET 長絲生產過程中，酸化效應潛值、全球變暖潛勢、陸地生態毒性潛值、光化學臭氧合成、非生物耗竭的歸一化值分別為7.3×10-12、3.6×10-12、2.2×10-13、8.1×10-13、1.0×10-11，因此生產100 kg 原生PET 長絲非生物耗竭比其他4 種環境影響類別對環境的影響更大。在精對苯二甲酸和乙二醇的生產中，非生物耗竭的歸一化值是最大的，說明在這2 個產品的生產過程中非生物耗竭對環境的影響是最嚴重的，但在合成過程，酸化效應潛值歸一化值最大。

圖4 原生和再生PET 長絲的歸一化結果Fig.4 Normalization results of virgin and recycled PET filaments

由圖4（b）可知，在再生PET 長絲生產過程中酸化效應潛值、全球變暖潛勢、陸地生態毒性潛值、光化學臭氧合成、非生物耗竭的歸一化值分別為6.1×10-12、2.8×10-12、1.6×10-13、8.0×10-13、1.2×10-11，非生物耗竭同樣是最嚴重的環境影響。在熔融紡絲和凈片生產過程中，酸化效應潛值、全球變暖潛勢和非生物耗竭是主要的環境影響。

2.4 環境影響對比分析

環境影響對比分析結果顯示（表3），原生PET 長絲的全球變暖潛勢是149.29 kg （以CO2eq.計），再生PET 長絲的全球變暖潛勢為117.21 kg（以CO2eq.計），由于再生PET 與原生PET 在性能上沒有明顯的差異，所以就碳排放來說，功能單位下再生PET 長絲比原生PET 長絲的碳排放降低了32.08 kg （以CO2eq.計），下降了21.5%。在酸化效應潛值方面，再生PET 長絲同樣小于原生PET 長絲，每100 kg 產品減少了0.37 kg （以SO2eq.計）。但在非生物耗竭方面，再生PET 長絲非生物耗竭對環境的影響高于原生PET 長絲。

表3 原生PET 長絲和再生PET 長絲的特征化總值Table 3 Total characteristic values of virgin PET filament and recycled PET filament

運用LCA 多邊形法將2.3 節歸一化結果進行描述，以便更直觀地表示出原生PET 長絲和再生PET 長絲之間各類環境影響的差異化，結果如圖5 所示。

圖5 原生和再生PET 長絲環境影響的生命周期評估多邊形Fig.5 Life cycle evaluation polygons of virgin and recycled PET filaments environmental impacts

從圖5 可以看出，再生PET 長絲在全球變暖潛勢和酸化效應潛值影響方面明顯優于原生PET 長絲，在非生物耗竭影響方面，原生PET 長絲優于再生PET 長絲。由于歸一化后的數值的數量級較小在計算面積時不方便，現將每個數據增大到原來的1011倍，增大后的值對最終結果沒有影響。經計算再生PET 長絲的LCA 多邊形面積為0.475，而原生PET 長絲的LCA 多邊形面積為0.539，所以再生PET 長絲對環境更友好。

為了能使再生PET 長絲的多邊形面積明顯小于原生PET 長絲的多邊形面積，需要找出主要的影響因素并進行優化，圖6(a)顯示了再生長絲生產過程中各因素的環境影響在總影響中的占比。從圖6(a)可知，電力是最大的貢獻者，占比達61.3%，其次是煤和氫氧化鈉，占比分別為29.2% 和7.1%。通過電力、煤、氫氧化鈉的歸一化結果繪制了LCA 多邊形如圖6（b），將歸一化結果增至原來的1012倍，進一步計算這3 個主要影響因素對環境的影響。從圖6(b)可以看出，電力對非生物耗竭、酸化效應潛值和全球變暖潛勢影響較大，其形成的多邊形面積為11.92；煤主要影響非生物耗竭和全球變暖潛勢，形成的多邊形面積為2.32；氫氧化鈉主要影響陸地生態毒性潛值，多邊形面積為1.09。因此，減少再生PET 長絲的環境影響使其多邊形面積變小的關鍵在于減少上述3 個主要影響因素的環境影響。

圖6 再生PET 長絲各因素對環境影響的占比圖及多邊形圖Fig.6 Proportion chart and polygon chart of the environmental impact of various factors of recycled PET filament

2.5 關于原生和再生PET 長絲的環境影響建議

2.5.1 原生PET 長絲環境影響建議

在合成原生PET 長絲的過程中，精對苯二甲酸的生產和乙二醇的生產對環境影響的貢獻最大，因此減少精對苯二甲酸和乙二醇的環境影響是整個生產工藝的關鍵。生產精對苯二甲酸的方法是高溫氧化合成法，耗電量和耗蒸汽量非常大。因此可對氧化反應工藝進行改進，其中降低反應的溫度是改進的重點[24]，從而減少對二甲苯、醋酸溶劑、蒸汽以及電力消耗。通過催化劑用量的調整、氧化反應時間的延長來達到深度反應；也可以通過一些新的裝置和綠色生產工藝優化[25]反應漿料的處理工藝優化從而達到節能減排的目的。生產乙二醇則可以使用非石化工藝生物質法，該方法通常不需要大量消耗氧氣，也不會大量產生廢水、廢氣，屬于環境友好可持續的綠色技術[26]。

2.5.2 再生PET 長絲環境影響建議

再生PET 長絲的生產過程主要包含凈片生產和熔融紡絲，其中凈片生產包括篩選分揀、破碎、高溫洗滌、干燥等過程。凈片的生產工藝相對來說比較成熟，且每家行業工藝差別較小，可以從廢PET 飲料瓶原料考慮，在回收階段盡可能保證廢飲料瓶的純度和潔凈度，使前端處理流程簡易化，減少各過程中電力和蒸汽的用量，從而減少環境影響。熔融紡絲階段重點降低電力和煤對環境的影響。在電力方面，考慮以太陽能、風能、氫能和其他可再生能源所產生的清潔、低碳電力取代高碳化石燃料的電力，也可從工藝入手加裝變頻器[27]，利用先進技術直接做到變頻控制，進一步節省整個生產過程中能量的消耗，且將電能的消耗也降到最低，達到節約成本、節能減排的目的。在煤炭方面，可以用生物質燃料或天然氣替代煤來產生蒸汽。對于直接使用蒸汽的企業，可以增加蒸汽疏水系統[27]，保證生產過程中蒸汽不會出現泄漏的問題， 以此提高蒸汽的使用效率。此外，發展規范化、規模化的塑料加工和再生利用企業[28]，有助于提升PET再生行業技術水平，進一步降低環境影響。

3 結論

（1）以原生PET 長絲為分析對象，利用LCA 分析量化其生產各階段的環境影響結果，在所選的5 種環境影響類別中，精對苯二甲酸和乙二醇等有機化學品的生產過程在所有的環境影響類別中的貢獻較大，約占總影響的90%。

（2）以再生PET 長絲（以廢PET 飲料瓶為原料制備）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，分析再生纖維的特征化結果，得到不同生產階段的環境影響，其貢獻率由大到小依次為熔融紡絲、物理處理。

（3）對原生PET 長絲和再生PET 長絲的LCA 結果進行歸一化和多邊形法分析，得到不同環境影響類別的貢獻占比并判斷其來源，其中二者非生物耗竭的貢獻占有絕對優勢，但是影響的因素不同。再生PET 長絲在4 個環境影響類別上優于原生PET 長絲，就全球變暖潛勢和酸化效應潛值而言，每生產100 kg 的再生PET 長絲可減少CO232.08 kg，減少SO20.37 kg。再生PET 長絲的LCA 多邊形面積小于原生PET 長絲的LCA 多邊形面積，所以在質量和性能無差異化時，再生長絲對環境的影響更小。

（4）為降低原生和再生PET 長絲的環境影響，可以從反應工藝改進、原料質量控制、能源優化及效率提升等方面采取措施。