解 昊，劉海敏，丘秉煥，嚴(yán)玉蓉

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

由于生物基材料的迅速發(fā)展，人們?yōu)榱颂角筮@類(lèi)新型材料的潛力以及證明其存在的價(jià)值，生命周期評(píng)價(jià)(LCA)這一環(huán)境影響評(píng)估工具誕生出來(lái)，并成為了比較生物基聚合物、天然纖維復(fù)合物等新型材料與石油基聚合物相關(guān)產(chǎn)品的工具。經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展演變，如今LCA的相關(guān)技術(shù)和方法也趨于成熟。ISO為生命周期評(píng)價(jià)在ISO14000系列環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)中專(zhuān)門(mén)預(yù)留了10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)(ISO14040—ISO14049)，而現(xiàn)在僅使用了其中的五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)(ISO14040—ISO14044)，分別對(duì)LCA的定義和實(shí)行辦法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

聚丙烯(PP)由于具有產(chǎn)品密度小，生產(chǎn)成本低，化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)毒，易加工，較好的綜合機(jī)械性能等多種優(yōu)點(diǎn)，目前已在汽車(chē)工業(yè)、家用電器、電子、農(nóng)業(yè)、建筑包裝以及建材、家具等方面得到廣泛應(yīng)用，并且已成為五大通用塑料中發(fā)展速度最快的產(chǎn)品[1]。本文對(duì)聚丙烯原料生產(chǎn)的生命周期作了評(píng)價(jià)并與聚乳酸(PLA)的生命周期作了比較。

1 生命周期評(píng)價(jià)

1.1 生命周期評(píng)價(jià)的定義

生命周期評(píng)價(jià)是一種用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中潛在的環(huán)境影響和資源利用情況的工具，即從原材料采購(gòu)、生產(chǎn)和使用階段到廢物管理。廢物管理階段包括處置和回收利用[2]?！爱a(chǎn)品”實(shí)際上包括貨物和服務(wù)。

關(guān)于生命周期評(píng)價(jià)，一些環(huán)境研究機(jī)構(gòu)對(duì)其側(cè)重有所不同[2]，目前ISO中對(duì)LCA的定義主要參照美國(guó)環(huán)保局和美國(guó)環(huán)境毒理與化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)：

(1) 美國(guó)環(huán)保局：對(duì)自最初從地球中獲得原材料開(kāi)始，到最終所有的殘留物質(zhì)返歸地球結(jié)束整個(gè)過(guò)程中，任何一種產(chǎn)品或人類(lèi)活動(dòng)所帶來(lái)的污染物排放及環(huán)境影響進(jìn)行估測(cè)的方法。

(2) SETAC：全面審視和評(píng)價(jià)一種工藝或產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂钡恼麄€(gè)生命周期相關(guān)的環(huán)境后果。

由于LCA通常只是設(shè)計(jì)者或生產(chǎn)商在產(chǎn)品投入市場(chǎng)之前對(duì)其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行的預(yù)測(cè)，其中必定有許多假設(shè)與不確定因素，而且預(yù)測(cè)的過(guò)程往往不會(huì)考慮社會(huì)、倫理和經(jīng)濟(jì)方面的狀況。因此，將這些假設(shè)不斷進(jìn)行統(tǒng)一以及將不確定因素降到最少是LCA研究工作者們最關(guān)心的問(wèn)題。

1.2 生命周期評(píng)價(jià)基本思路及其特點(diǎn)

生命周期評(píng)價(jià)的基本思路如圖1所示[3]。設(shè)計(jì)者首先對(duì)產(chǎn)品生命周期中能量和物質(zhì)的消耗以及產(chǎn)生的環(huán)境釋放進(jìn)行量化分析，再通過(guò)分析的結(jié)果評(píng)估這些消耗和釋放對(duì)環(huán)境的影響，從而進(jìn)一步尋找減少這些影響的機(jī)會(huì)和方法。

圖1 生命周期評(píng)價(jià)基本思路

LCA是一種全面綜合的評(píng)價(jià)，它考慮了所有涉及自然環(huán)境、人類(lèi)健康和資源利用的屬性和方面，其最突出的特點(diǎn)就是把產(chǎn)品從出生到消亡整個(gè)生命周期作為研究對(duì)象，這樣做是為了避免問(wèn)題遷移。例如從生命周期的一個(gè)階段到另一個(gè)階段，從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域，從一個(gè)環(huán)境問(wèn)題到另一個(gè)環(huán)境問(wèn)題[4]。

在生命周期評(píng)價(jià)中，一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致一系列重要的結(jié)果，這些結(jié)果就可以在LCA中模擬出來(lái)[5]：

(1)產(chǎn)品系統(tǒng)是在時(shí)間和空間上的延伸，而環(huán)境排放通常忽略個(gè)別排放，而是將結(jié)果以統(tǒng)一的形式進(jìn)行匯總；

(2)清單分析的結(jié)果通常是與環(huán)境排放過(guò)程以及所導(dǎo)致的環(huán)境影響的程度無(wú)關(guān)；

(3)LCA中的功能單位通常是去評(píng)估一個(gè)非常具體的量或?qū)ο蟆Ｔ谇鍐沃邢蚩諝?、水、土壤等自然環(huán)境的排放都以占總排放量的百分?jǐn)?shù)的形式表現(xiàn)出來(lái)。因此環(huán)境影響評(píng)估的過(guò)程就必須處理大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都代表了全過(guò)程排放量的一部分。

LCA作為一門(mén)新興科學(xué)，其自身也存在許多問(wèn)題。在大多數(shù)研究實(shí)例中，LCA可以看作是建立產(chǎn)品生產(chǎn)的未來(lái)模型的橋梁，例如，用于評(píng)估一項(xiàng)未來(lái)可能實(shí)施的方案相應(yīng)LCA的影響，或者使用歸因型LCA評(píng)估未來(lái)的技術(shù)或系統(tǒng)。這種對(duì)未來(lái)影響的分析，需要考慮如何建立未來(lái)的問(wèn)題。一種簡(jiǎn)單的方法就是假設(shè)未來(lái)和現(xiàn)在一樣，那么就可在現(xiàn)有的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬[6]。有時(shí)這可能是一個(gè)好假設(shè)，但有時(shí)，它并不能夠完全描述未來(lái)的情景。

2 PP的LCA研究

2.1 聚丙烯的生產(chǎn)概述

目前，聚丙烯工業(yè)中的核心動(dòng)力依然是催化劑的技術(shù)創(chuàng)新。Ziegler-Natta催化劑還在不斷改進(jìn)，研究者在繼續(xù)保證高活性、高定向性的基礎(chǔ)上向著系列化、高性能化發(fā)展，不斷開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品。茂金屬和非茂單活性中心催化劑(SSC)在聚丙烯領(lǐng)域的應(yīng)用也得到不斷的發(fā)展，很快將實(shí)現(xiàn)技術(shù)的工業(yè)化，投入到通用產(chǎn)品的市場(chǎng)當(dāng)中。

聚丙烯生產(chǎn)工藝按反應(yīng)類(lèi)型主要分為五大類(lèi)：溶液法、淤漿法、本體法、氣相法和本體-氣相組合法，且主要以本體法和氣相法為主[7]。例如BP公司的氣相Innovene工藝，Chisso公司的氣相法工藝，Dow公司的Unipol工藝，NTH公司的Novolen氣相工藝，日本住友化學(xué)公司的Sumitomo氣相工藝，Basell公司的本體法工藝，三井公司開(kāi)發(fā)的Hypol工藝等等。氣相法工藝的快速發(fā)展已經(jīng)逐漸取代了其它工藝，主要是因?yàn)闅庀喾ㄉa(chǎn)流程簡(jiǎn)單，單線生產(chǎn)能力大，投資成本較低。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球聚丙烯生產(chǎn)工藝中，Basell公司的Spheripol環(huán)管/氣相工藝占主導(dǎo)地位，其次是Dow的Unipol氣相工藝，NTH公司的Novolen氣相工藝，BP公司的Innovene氣相工藝，三井公司的Hypol釜式本體工藝等，而最早用于生產(chǎn)聚丙烯的淤漿法生產(chǎn)工藝正逐漸被淘汰。

除了這些經(jīng)典工藝之外，近年來(lái)隨著催化劑技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)要求的不斷提高，同時(shí)也是為了滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展要求，各大主要的聚丙烯生產(chǎn)商也開(kāi)發(fā)出了一些具有獨(dú)立創(chuàng)新性的新工藝，其中具有代表性的有Basell公司開(kāi)發(fā)的Spherizone工藝以及Borealis(北歐化工)的Borstar工藝[8-9]。

2.2 目標(biāo)與范圍的定義

PP生命周期評(píng)價(jià)此處主要考慮從原料的生產(chǎn)到制成可投入使用的PP粒料這一過(guò)程。研究的PP生產(chǎn)工藝為聯(lián)碳公司的“Unipol”氣相工藝，所有數(shù)據(jù)來(lái)自APME(Association of Plastics Manufactures in Europe)[10]。

LCA研究的功能單位為生產(chǎn)1 kg的PP粒料，聚合工藝選擇為兩步法“Unipol”流化床氣相聚合，范圍確定為從原料(石油、天然氣)生產(chǎn)到聚丙烯產(chǎn)品生產(chǎn)。能量輸入部分包括生產(chǎn)消耗的電力和蒸汽產(chǎn)生的能量，輸出部分主要為氣體排放，包括硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)。系統(tǒng)邊界如圖2。

圖2 PP生產(chǎn)流程系統(tǒng)邊界

對(duì)于這套工藝流程，需要進(jìn)行幾點(diǎn)說(shuō)明：

(1) 原料。根據(jù)APME的數(shù)據(jù)[10]，原料形式主要分為原油和天然氣兩種，其中原油占54%，天然氣占46%。原料的來(lái)源也分為兩塊，一部分是由北海開(kāi)發(fā)出的原油和天然氣，這部分只占原料供應(yīng)的15%，而其它地方提供的原料占85%。

(2) 運(yùn)輸。北海中開(kāi)采出的原油和天然氣需要運(yùn)送到陸地上，這部分能源消耗在下面的清單數(shù)據(jù)中已經(jīng)包含在內(nèi)，同樣，其它地區(qū)的原料運(yùn)輸能源都計(jì)算在內(nèi)。系統(tǒng)中氣體的輸送方式主要是利用管道輸送，這種方式連續(xù)性好，同時(shí)減少能耗。

(3) 丙烯生產(chǎn)。丙烯的主要生產(chǎn)方式為蒸汽裂解。首先對(duì)原料油進(jìn)行蒸餾，輕油采用常壓蒸餾，重油則可以使用減壓或真空蒸餾。得到的產(chǎn)物再通過(guò)催化裂解，經(jīng)過(guò)一系列過(guò)濾、純化后得到可以用于聚合的丙烯。

(4) 聚合過(guò)程。聚合工藝采用“Unipol”氣相工藝，生產(chǎn)時(shí)則同時(shí)運(yùn)行至少14間工廠來(lái)生產(chǎn)聚丙烯。

2.3 清單分析

系統(tǒng)中的能源輸入清單如表1。

表1 PP生產(chǎn)系統(tǒng)的能源輸入清單 MJ/kg PP

注：表中數(shù)據(jù)均來(lái)自Australian LCA Data Inventory Project(1999)[10]。

表1中，原料生產(chǎn)時(shí)所消耗的石油和天然氣能量，是指向油氣精煉廠供料這一過(guò)程消耗的能量，即把石油供料給精煉廠之前消耗了37.9 MJ/kg PP，把天然氣供料給精煉廠之前消耗了9.82 MJ/kg PP，這其中包括了石油與天然氣的開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)鹊?。加工過(guò)程中，天然氣和石油又是作為燃料為設(shè)備提供熱能，用于發(fā)電，生產(chǎn)蒸汽等方面。整個(gè)系統(tǒng)消耗的不可再生能源總計(jì)為47.7 MJ/kg PP+32.3MJ/kg PP=80.0 MJ/kg PP，沒(méi)有使用可再生能源。

系統(tǒng)中主要?dú)怏w排放情況如表2所示。

表2 PP生產(chǎn)系統(tǒng)中主要?dú)怏w排放清單 g/kg PP

注：表中數(shù)據(jù)均來(lái)自Australian LCA Data Inventory Project(1999)[10]。

硫氧化物的排放主要來(lái)自原油的燃燒，排放量為11 g/kg PP。因?yàn)樵椭型ǔ：幸欢康牧?原油含硫量在0.5%以下為低硫原油，超過(guò)2%就是高硫原油)，而前面的系統(tǒng)說(shuō)明中提到，原料中北海開(kāi)采的低硫原油只有15%，其余85%都是高硫原油，因此該系統(tǒng)中硫氧化物的排放對(duì)環(huán)境的影響也不容小視。氮氧化物的排放同樣來(lái)自燃燒，排放量為10 g/kg PP，氮氧化物對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)大約是CO2的300倍左右。VOC是指揮發(fā)性有機(jī)化合物，排放量為13 g/kg PP，主要是在蒸餾、裂解等過(guò)程中產(chǎn)生的。VOC對(duì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在生態(tài)毒性，小分子的碳?xì)浠衔飳?duì)人體和生物體都會(huì)造成一定的影響。

2.4 PP與PLA的生命周期比較

圖3 PLA1與PLA B/WP的能耗[11-12]

圖4 PLA1與PLA B/WP的CO2當(dāng)量排放[11-12]

將上述清單分析的數(shù)據(jù)與已有的Natureworks PLA相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖3和圖4所示，功能單位都是1 kg產(chǎn)品粒料。其中PLA1是第一代聚乳酸生產(chǎn)工藝，PLA B/WP是Natureworks開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)風(fēng)能聚乳酸生產(chǎn)工藝[11]。

如圖5所示，PP與PLA最大的不同在于原料的來(lái)源。PP原料主要為原油和天然氣，這部分所消耗的不可再生能源大約占了系統(tǒng)總能源的60%，是對(duì)能源消耗影響的主要部分。這一點(diǎn)也是所有傳統(tǒng)石油基聚合物與生物基材料相比最大的劣勢(shì)。相反，在材料生產(chǎn)加工過(guò)程中，PLA1比PP消耗的化石燃料要多出將近一倍，這是因?yàn)榫郾┕I(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能源利用率高，工藝環(huán)節(jié)緊湊高效，而PLA1作為第一代聚乳酸生產(chǎn)工藝，還有很多的不足和缺憾，設(shè)備效率較低，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，能源利用率低。然而，理想工藝PLA B/WP就真正減少了化石能源的使用，并且有望實(shí)現(xiàn)不可再生能源零消耗的目標(biāo)。近年來(lái)，PLA的生產(chǎn)發(fā)展受到了極大的重視，其工藝的不斷更新也使PLA節(jié)約能源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。根據(jù)E·Vink在2006年對(duì)NatureworksTM進(jìn)行的研究，Cargill-Dow公司到2006年時(shí)，生產(chǎn)PLA所消耗的化石能源為27.2 MJ/kg PLA，生產(chǎn)排放的CO2為0.27 kg/kg PLA，比PLA1的數(shù)據(jù)分別降低了50%和85%。由此可見(jiàn)，PLA工藝的發(fā)展是十分迅速的，而且發(fā)展的潛力也是十分巨大的。

圖5 不可再生能源消耗

圖6 溫室氣體排放比較

如圖6所示，1 kg PP排放的當(dāng)量為1.939 kg，而PLA1則為1.77 kg，兩者的CO2當(dāng)量的排放實(shí)際相差不大，主要還是由于兩者技術(shù)發(fā)展水平的差異。PP生產(chǎn)過(guò)程能源利用率高，化石燃料使用較少，PLA1能源利用率低，化石燃料用量較大，因此兩者排放的CO2之間的差距縮小。PLA B/WP極大減少了化石燃料的使用，風(fēng)能發(fā)電的利用以及用生物質(zhì)原料代替石油原料，甚至代替原來(lái)的玉米原料，使生產(chǎn)成本大幅降低，CO2實(shí)現(xiàn)負(fù)排放，是真正的環(huán)境友好型材料，是未來(lái)聚合物工業(yè)的主要發(fā)展方向。

3 結(jié) 論

聚丙烯與其它傳統(tǒng)石油基聚合物相比，消耗的化石能源很少，仍然具有很好的發(fā)展前景。聚丙烯生產(chǎn)工藝成熟，生產(chǎn)效率高，成本低，易回收，全球產(chǎn)量平均每年增長(zhǎng)7%以上，是增長(zhǎng)最快的石油基聚合物。聚乳酸與聚丙烯相比，雖然消耗的能源較少，二氧化碳排放量較低，但其工藝尚不成熟，生產(chǎn)效率還不高，生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)還不明顯。未來(lái)幾年，生物基聚合物工業(yè)將快速發(fā)展，逐步取代石油基聚合物，聚乳酸將以其優(yōu)異的材料性能和加工性能，成為新型生物基材料的典范。同時(shí)，聚丙烯的生產(chǎn)也要不斷發(fā)展和創(chuàng)新，進(jìn)一步提高效能，降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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