（材料学专业论文）二氧化碳基聚合物生命周期评价.pdf

摘要 摘要 生命周期评价方法( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 作为企业、政府等评价 某一产品、工艺或活动潜在环境影响的工具，已被广泛应用于各个领域。随着世 界各国环境问题日濒突出以及公众环境意识逐渐提高，生命周期评价方法正得到 世界各国的普遍认可与应用。 论文首先介绍了多种l c a 计算模型如简化l c a 模型、生态指数法( e c o i n d i c a t o r ) 、e d i p ( t o o li n s t i t u ：t ef o rp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 模型以及e p s ( e n v i r o n m e n t a lp r i o r ys y s t e m ) 方法等。并对环境影响表征方法一当量模型 进行了阐述，通过分析，选取当量模型作为本研究的计算模型。 本论文研究对比了两种不同工艺路线( 部分石油、非石油) 的二氧化碳基聚 合物以及典型高分子材料聚乙烯( p e ) 整个生命周期内的环境负荷。结果 表明，聚乙烯的环境负荷最大，部分石油路线二氧化碳基生物降解塑料( p p c ) 的环境负荷次之，非石油路线二氧化碳基塑料( n p p c ) 的环境负荷最小，三者 潜在的环境影响的顺序为：p e p p c n p p c 。 论文中详细地分析了p p c 和n p p c 的生命周期各个阶段的环境负荷，p p c 各阶段的环境负荷大小顺序为：聚合物生产 丙烯生产 环氧丙烷生产 原油开 采 聚合物使用 废弃处理。聚合物生产阶段与丙烯生产阶段的环境负荷最大， 两个阶段的环境负荷分别占6 4 3 2 和2 6 2 1 。而n p p c 各阶段环境负荷顺序 为：聚合物生产 糠醛生产 玉米芯生产 呋喃生产 聚合物使用 废弃处理， 聚合物生产和糠醛生产阶段的环境负荷最大，分别占其总的环境负荷的6 1 0 8 和2 5 3 7 。 最后通过对不同环境影响产生的原因进行分析，提出了相应的改进建议，为 指导二氧化碳基聚合物的生产、推广以及使用提供了参考依据。 关键词生命周期评价二氧化碳生物降解塑料环境负荷 a b s t r a c t t h el i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l c a ) i s s i n gi nm a n yf i e l di n c r e a s i n g l y a sam e a n so f a s s e s s i n ge 缸v i r o n m e n t a lb u r d e 虹o fp r o d u c t , p r o c e s sa n dc o n d u c t , l c ai su s e db y c o r p o r a t i o n , g o v e r n m e n to ro t h e r s h o w e v e r , l c ai sd e f i d e n lf o re x a m p l e , t h e m e t h o da n dm o d e li sl i m i t f u r t h e r m o r e , i tw o u l ds p e n dm u c ht i m eo rc o s tt of u l f i l l l c lb u t t h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi ss e r i o u sa n dp e o p l e se n v i r o n m e n t a l c o n s c i o u s n e s si si n c r e a s i n g , l c ai sa u t h o r i z e da n du s e db ym a n yc o u n t r i e s i nt h i ss t u d y , f o u rm o d e l ss u c ha ss i m p l el c a m o d e l ，e c o - i n d i e a t o rm o d e l ，e p s m o t h o da n de d i pm o d e lw h i c hd e r i v e df r o ms e t a cl c aa r ea n a l y s e da n d c o n t r a s t e d i na d d i t i o n , t h ee q u i v a l e n c ea s s e s s m e n tm o d e lw h i c hi san o r m a l i z a t i o n a l m e t h o di si n t r o d u c e da n dc h o o s e n i nt h i ss t u d y , t h ec o n t r a d i s t i n c t i v ea n da n a l y t i e a lr e s u l t so fe n v i r o n m e n t a li m p a c t o ft h r e ep o l y m e r sq a r t f o s s i lc a r b o nd i o x i d e - b a s e db i o d e g r a d a b l ep o l y m e r 口p c ) ， n o n - f o s s i lc a r b o nd i o x i d e - b a s e db i o d e g r a d a b l ep o l y m e r ( n p p c ) a n dp o l y e t h y l e n e ( p e ) a r eg i v e n a m o n gt h et h r e ep o l y m e r s ，t h ep o t e n t i a lb 珊d e no f p ei st h es e v e r e s t , p p c i sm i d d l ea n dn p p ci st h es i n a l l e s t ， i nt h ee n do ft h i ss t u d y , i ti sp a r t i c u l a r i z e dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t so fe a c h s t a g eo fp p c a n dn p p c o no n eh a n d , i nt h el i f ec y c l eo fp p c ，t h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c to fp o l y m e r sp r o d u c t i o ni st h eh e a v i e s t o t h e r sa r ep r o p y l e r i ep r o d u c t i o n ， p r o p y l n eo x i d ep r o d u c t i o n , c r u d e o i l e x p l o i t a t i o n ，p o l y m e r sa p p l i c a t i o na n d 确e c t a m e n t ad i s p o s a lo r d i n a l l y t h ep r o p o r t i o no f p o l y m e r sp r o d u c t i o na n dp r o p y l e p r o d u c t i o ni s6 4 3 2 a n d2 6 2 1 r e s p e c t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d , i nt h el i f ec y c l eo f n p p c ，t h ee n v i r o n m e n t a lb u r d e no fp o l y m e r sp r o d u c t i o ni st h ep i 证c i p a l ，o t h e r sa r e f u r f u r a lp r o d u c t i o n , c o r np r o d u c t i o n , f u r a np r o d u c t i o n , p o l y m e r sa p p l i c a t i o na n d r e j e e t a r n e n t ad i s p o s a lo r d i n a l l y t h ep r o p o r t i o no fp o l y m e r sp r o d u c t i o na n df u r f u r a l p r o d u c t i o ni s6 1 0 8 a n d2 5 3 7 ，r e s p e c t i v e l y f u l t h e r m o r e , i ti sg i v e nt h er e a s o n st h a te n v i r o n m e n t a li m p a c t sg a u s ea n d p r o p o s a l st or e d u c ei m p a c t , i ti sa9 0 0 dr e f e r e n c ef o rc o r p o r a t i o n , g o v e r n m e n t0 1 o t h e r st oi m p r o v ec r r b o nd i 0 】【i d 幽硒c dp o l y m e r so re s t a b l i s hc o r r e l a t i v ei n d l l s t r y p o l i c ya l s o k e y w o r d l c ac a r b o nd i o ) 【i d e b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r s e n v i r o m n e n t a lb u r d e n i l l 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：殛缸如 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名；垄i ! 垒 导师签名：翌型 日期：羔越：! 幺 第1 章绪论 人类在经过工业革命后，社会生产力水平得到了较大提高，物质文明与精神 文明以前所未有的速度发展，人们的居住条件、生活水平得到了较大改善。然而， 我们所取得的这些成就是以资源的巨大浪费，生态环境的极大破坏为代价的，尤 其在一些发展中国家，这种情况尤为突出。因此，协调人与自然、人与环境之间 的关系是摆在我们面前的，亟待解决的问题。我们要改进或改变以往使用资源的 方式、方法，同时研究开发新型生态材料，使材料利用与保护环境相互协调，是 今后实现可持续发展的必由之路。材料或产品的生命周期评价( l i f ec y c l e a s s e s s m e n t ，l c a ) 是改进材料或产品生产工艺的基础性工作，也是开发研究新 型生态环境材料的前瞻性工作。因此，对材料或产品进行l c a 研究正逐渐成为世 界各国追逐的热点。 1 1 研究背景 1 1 1 塑料工业的发展 人类在古代就已经开始使用天然树脂，然而真正意义上的塑料工业则始于二 十世纪三十年代，近几十年则得到飞速发展。1 9 3 1 年开始了第一个热塑性树脂 聚氯乙稀树脂的工业生产，此后合成高分子工业发展迅速。在三大合成材料( 合 成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维) 中，以合成树脂生产最早、产量最大、应 用最广。 。 而在我国，建国前夕只有上海、广州，武汉、重庆等一些大城市有作坊式的 塑料制品加工厂，生产酚醛和赛璐珞等塑料制品，1 9 4 9 年全国总产量仅为2 0 0 余 吨。1 9 5 8 年新中国第一套聚氯乙烯树脂生产装置在锦西化工厂建成，标志着我国 塑料工业步入快速发展时期。近几年来，我国塑料制品总产量始终保持在1 5 0 0 万吨以上。塑料制品在满足国内各方面经济建设和人民日常生活需要的同时，还 大批进入国际市场。进人2 l 世纪以来1 1 ，我国的塑料工业更是取得了令世人瞩目 的成就，实现了历史性的跨越，已成为生产大国、消费大国、进口大国和出口大 国。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 塑料产业可持续发展研究 聚乙烯等通用塑料原材料最终来源于石油资源，随着世界经济的高速发展， 各国对石油资源的依赖程度越来越大，使得现在的石油资源越来越少，石油价格 不断上涨。表l 【2 】为我国近几年塑料制品业以原油为能源的消耗量，从表中可以 看出，随着塑料产量的增加，对石油的需求量也逐渐增加。 表i 近几年我国塑料制品业原油消耗量( 万吨标煤) t a b l e1t h ew a s t a g eo f c r u d eo i li np l a s t i ci n d u s t r yi nc h i n a 年份 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 消耗量 o 4 7o 5 70 5 00 7 10 7 90 7 4 1 9 8 7 年世界环境与发展委员会在我们共同的未来报告中首次正式阐述 了可持续发展( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) 3 1 的概念。可持续发展的核心是经济发展 与保护资源、保护生态环境的协调一致，是为了让子孙后代能够享有充分的资源 和良好的自然环境。 在全民提倡可持续发展的环境下，塑料工业也要走可持续发展的道路。随着 石油资源日渐减少，塑料工业的发展也会受到制约，并且由废弃塑料造成的环境 污染十分突出。因此，人们逐渐把目光转向研制开发新型塑料生物降解塑料 尤其是完全生物降解塑料上。完全生物降解塑料附1 由于在使用废弃后被自然界 的微生物降解生成c 0 2 、h 2 0 以及氨等小分子量的无机物，不会对环境造成危害 而受到世界各国的重视。利用可再生的植物资源来生产塑料，可有效的降低对石 油资源的依赖，也可有效地减少对环境的污染，扶而缓解对环境的巨大压力。 生命周期评价作为评价某种产品或活动潜在环境影响的有效方法，目前在许 多领域得到了广泛的应用。利用生命周期评价的方法来评价生物降解塑料对环境 的潜在影响，可以指导塑料工业改进生产工艺，进行清洁生产，改变原材料来源， 以期达到可持续发展的目的。 1 2 生命周期评价概述 1 2 1l c a 的概念 生命周期评价( 有时也称环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评价等) ， 虽然已有3 0 多年的研究历史，但至今还没有统一的叫法。目前，生命周期评价 方法已经成为一种对材料或产品进行环境行为分析的重要方法，在辨识环境行为 第1 章绪论 和环境标识中占有举足轻重的地位。产品的生命周期指的是产品来源于自然，最 后又回到自然的全过程。具体包括从自然获得最初的能源、资源，然后经过开采、 加工、生产、包装运输、销售、使用、再使用以及最终的废弃处理等阶段。因此 被形象地称为“从摇篮到坟墓”( f r o mg r a d l et og r a v e ) ，又由于今后所有的废弃 物都要被再资源化，也有从“摇篮到摇篮”( f r o mc r a d l et oc r a d l e ) 1 6 的说法。 在l c a 办；多定义中，以国际标准组织( i s o ) 和国际环境毒理学和化学学会 ( s e t a c ) 的定义最为权威。i s o 7 , - s l 对l c a 的定义是：汇总和评估一个产品( 或 服务) 体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法： 而s e t a c 9 】对l c a 的定义是j 通过对能源、原材料的消耗及“三废”的排放的 鉴定及量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来负担的客观方法。虽然二者 对l c a 的描述不同，但实质上是一致的，即对某一产品或过程在其整个生命周期 内对环境造成的潜在影响进行评估与量化。 1 9 9 7 年i s 0 1 4 0 4 0 标准定义的技术框架，包括目的与范围的确定( g o a la n d s c o p ed e f i n i t i o n ) 、清单分析( i n v e n t o r ya n a l y s i s ) 、影响评价( i m p a c ta s s e s s m e n t ) 和结果解释( 1 i f ec y c l ei n t e r p r e t a t i o n ) 四个阶段【1 p 1 ，如图1 1 所示。 ( 1 ) 目标与范围的确定这是生命周期评价的第一步，必须明确确定被研究 对象的范围( 包括被研究对象的系统边界、生命周期范围等) ，并使其适用于应 用意图。 ( 2 ) 清单分析清单分析【1 2 1 是目前l c a 四部分中发展最为完善的一部分，它 是指对一种产品，工艺过程或活动在其整个生命周期内的能量与原材料需要量以 及对环境的排放进行以数据为基础的客观量化过程，该分析贯穿于整个生命周期 【m 1 4 1 。一个完整的生命周期清单分析能为所有与系统相关的投入、产出提供一 个总的概括。清单分析的任务是收集数据【1 5 】，并通过一些计算给出该产品系统、 工艺过程或活动的各种输入输出，作为下一步影响评价的依据。输入的资源包括 物料和能源，输出的除了产品外，还有向大气、水体和土壤的排放。 ( 3 ) 影响评价影响评价【1 6 1 是对清单分析中所辨识出来的环境影晌作定量或 定性的描述和评价，目的是评估产品系统的生命周期清单结果，将l c a 结果转化 为资源消耗、人类健康影响和生态影响等方面的潜在环境影响，以便更容易了解 该产品系统影响程度。i s o 、s e t a c 和美国e p a ( 美国国家环保局) 都倾向于 把影响评价分为三个步骤，即分类( c l a s s i f i c a t i o n ) 、特征化( c h a r a c t e r i z a t i o n ) l c a 应用： 擎 生 产品开发与改进 命 方案决策 周 公共政策制订 期 1 r 市场营销 砖b 解 其他 释 图1 - 1l c a 评估过程与技术框架 f i g1 - l t h ep r o c e s sa n dt e c h n i q u e 曲m eo f l c a 和量化( v a l u a t i o n ) ( 1 和”。 分类【1 8 1 是将得到的清单数据归类到资源耗竭、人类健康影响和生态影响等3 大类的过程，是定性的、基于自然科学知识的过程；所谓特征化，就是采用量化 的手段，对不同影响类型的影响因子造成的影响予以定量评价及综合，并最终计 算出某种排放在评价中对某一种环境问题的危害程度；量化就是确定不同影响类 型的贡献大小，即确定权重，以期得到总的环境影响水平的过程。 ( 4 ) 生命周期结果解释生命周期解释【1 明是将得到的清单分析和影响评价的 结果所提供的有关信息进行识别、量化、检验和评价，得出某些结论，解释研究 结果的局限性，给出某些能减少环境负荷的改进意见和建议，并提供完整的l c a 研究报告。l c a 的作用就在于能通过对产品、过程或工艺的生命周期各阶段物 质和能量的输入、输出的考察和分析，提出一些资源消耗和污染排放的改进措施 ( 如改变产品结构、改进工艺、改进废弃物管理方式等) 或建议，以利于减少环 境污染负荷和资源消耗，并防止替代技术或改进方案造成新的环境和资源的不 利影响【驯。 1 2 2l c a 的发展历史 l c a 的概念【2 l 】起源于2 0 世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年可口可乐公司委托美国中西部 研究所( m i dw e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ，m r i ) 对饮料容器进行评价，从原材料采 掘到废弃物的最终处理，进行了全过程的跟踪与定量研究，揭开了生命周期评价 的序幕。当时把这一分析方法称为资源与环境状况分析( p e s o u r c ea n d 第1 章绪论 e n v i r o n m e n t a lp r o f i l ea n a l y s i s ，简称r e p a ) 。 从1 9 7 0 年至1 9 7 4 年，现代r e p a i c a 方法开始成型，生命周期评价结构框 架也有了一定的进展1 1 】。2 0 世纪7 0 年代初期的石油危机在某种程度上促进了u a 的发展，许多国家开始意识到化石能源燃料将会用尽，必须进行资源保护，同时 也注意到化石能源生产也是污染物的主要排放源。因此，这一时期的r e p a 主要 采用了能源分析方法。随着2 0 世纪7 0 年代末到8 睥代中期全球性固体废弃物问题 的出现，能源分析方法又逐渐成为一种资源分析方法。这一时期的r e p a 着重于 固体废弃物的产生和原材料的消耗。 进a 2 0 世纪8 0 年代后捌，由于人们环境保护意识的提高，产品的环境性能成 为市场竞争的重要因素。生命周期评价作为扩展和强化环境管理、评价产品性能、 开发绿色产品的有效工具，得到了学术界、企业界和政府的一致认同。其应用领 域也逐渐扩大，从包装材料和日用品扩展到电冰箱、洗衣机等家用电器以及建材、 铝材、塑料等原材料。因此，在这段时期，l c a 的应用和方法论研究得到了较大 发展刚。 进入9 0 年代，l c a 得到了显著发展。其中，国际环境毒理学和化学学会 ( s e l a c ) 和国际标准组织( i s o ) 起着举足轻重的作用。1 9 9 3 年和1 9 9 4 年，国 际毒理学学会和国际标准组织分剐颁布了“l c a 指导原则”和“l c a 的一般原则 和实践”两个指导性文件后t 2 4 - 2 6 ，许多国家开始大力开展对l c a 评价模型及其 应用研究。到现在，世界各国对材料、产品、工艺过程等诸多实例进行了l c a 研究。西方国家还建立了许多环境数据库和l c a 评估软件1 1 以孙，l c a j 开究得到了 较大发展。 1 2 3l c a 的现状与发展趋势 生命周期评价作为一种经典的，适应可持续发展战略要求的环境管理模式， 其应用日益广泛，逐渐成为当前政府、企业环境决策不可或缺的重要工具。在指 导清洁生产审核t 2 7 “2 s 、产品生态设计 2 9 1 、废物管理f 3 0 1 等方面发挥着举足轻重的 作用。 国外u 擒研究已有四十多年的历史，因此l c a 体系不断得到完善，目前已经 建成了大型的l c a 数据库。_ , c a 已被政府、企业和民众接受并得到了广泛的应用， 除了对一些诸如家电、通讯器材、包装材料、汽车等产品或过程进行评估外，在 l c a 评价结果的可信度、材料的环境影响数据库、l c a 与可持续发展、_ , c a 与清 北京工业大学工学硕士学位论文 洁生产等领域的研究也不断深入。并且，还在如何指导新型材料p 1 】的开发等方面 也开展了探讨。 国内对生命周期评价的研究起步虽然较早，然而无论在深度还是广度上，都 与国外发达国家的研究存在很大的差距。我国的l c a 研究始于二十世纪九十年 代，但过去的十几年间，l c a 方法论研究、数据库开发、计算模型以及l c a 实例 分析等方面都得到了很好的发展【3 6 】。 1 2 4l c a 的应用与局限性 1 2 4 1l c a 的应用生命周期评价作为环境管理工具，不仅能够指导企业部门的 产品开发设计，也能有效支持政府管理部门制定环境政策，同时又能正确引导消 费者。因此，国际社会各个层次都十分关注生命周期评价方法的发展和应用。 ( 1 ) 生命周期评价应用于工矿企业部门目前，越来越多的企业意识到产品 的环境性能是影响企业间竞争的重要因素，如何提高产品和服务的环境性能逐渐 引起企业的关注。通过对产品进行生命周期评价，从而确定产品的最佳生产工艺 和过程，只有这样才能提高企业的产品市场竞争率和占有率2 “。 ( 2 ) 生命周期评价应用于政府管理部门环境问题日益严重，为了保护环境 和实现社会和经济的可持续发展，需要实施环境管理政策。政府部门可借助于 l c a 来制定环境立法、标准等公共政策。其中包括：制定环境政策，建立环境 产品标准；实施生态标志计划；优化政府的能源、运输和废物管理方案； 提供产品与原材料的环境信息；制定国家环境管理体系；绿色采购；污染 预防等几个方面。 ( 3 ) 正确引导消费者l c a 也可以指导消费者进行正确的消费，通过对某一 产品或活动进行生命周期评价，从而可以明确其环境特性和行为，并对购买行为 做出正确的判断。 1 2 4 2l c a 的局限性l c a 的发展虽有很长时间并已逐渐被国际社会接受和得 到广泛应用，但是在方法论和数据收集等方面还存在某些不足。 ( 1 ) 主观性强对某一产品、过程或活动进行生命周期评价，为了计算方便 或某一环节的数据不可得，此时就会进行一些假设( 包括系统边界的确定，数据 收集等) ，这往往容易造成决策的失误。 ( 2 ) 可比性差虽然s e t a c 和i s o 组织制定了l c a 的标准，但影响评价和结 果解释部分发展还不是很完善。因此可能造成结果可比性差，结果不可信等情况。 第1 章绪论 ( 3 ) 数据质量、完整性l c a 工作需要大量的数据做支持，但是我们得到的 数据往往是一些公开发表的文献数据，或是数据较早，但对于某一具体工艺或流 程的精确数据则出于商业原因而不可得，这就使得数据不准确或造成结果错误。 ( 4 ) 时间周期长、费用高对产品、过程或活动进行全生命周期评价，工作 量较大。并且不同地区的产品或工艺对环境有不同影响，l c a 均须对此进行评 价。因此这就带来一个时间和费用的问题。 1 3 论文选题依据 1 3 1 塑料对环境的影响 塑料制品一经出现，就因材质稳定、安全卫生、轻巧便利、成本低廉、良好 的保温性和防潮性等优点，受到广泛的应用。 然而，在塑料产量以及消费量逐渐增长的同时，同样加重了对环境的影响， 无论是在生产过程中，还是在消费以及废弃塑料的处理过程中都会造成一定的影 响。尤其是在使用后的废弃处理阶段，由于使用的大部分是不可降解塑料，长时 间不能被分解消化掉，对土壤、空气和海洋等生态环境造成了严重的白色污染 3 7 1 。 虽然人们尝试用焚烧、掩埋等办法来处理废弃塑料，但是都不能从根本上解决问 “ 题。 1 3 2 石油资源日益短缺 我们通常使用的塑料最终来源于石油资源，石油属于不可再生资源，随着石 油资源日渐枯竭，使得石油价格逐渐上涨，造成了塑料的成本提高。在环境污染 与资源短缺双重压力下，人们把目光逐渐转移到以植物资源来生产塑料完全 生物降解塑料上来。 1 3 3 国内外塑料环境影响评价现状 二十世纪六七十年代美国就开始针对包装品进行了分析和评价，当时称为资 源与环境状况分析。1 9 6 9 年，美国中西部资源研究( m r i ) 受可口可乐公司委 托，对玻璃，聚苯乙烯、塑料等材料的容器从资源和能量消费、环境负荷等方面 进行了评价。二十世纪八十年代后期，以英国b a u s t e a d 教授为中心对日常使用 的通用高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂进行了生命周期 评价。他们还对用作购物袋材料的高密度聚乙烯和纸制品进行了对比。1 9 9 8 年， h e y d e m 分折对比了通用材料与生物合成材料对环境的负荷情况( 但只是考虑 北京工业大学工学硕士学位论文 了对温室效应的影响) 。瑞士内务部环境局还对淀粉基塑料的环境协调性进行了 评价。2 0 0 3 年，e r w i nt h v m k 3 8 培人对c a r g md o w 公司生产的聚乳酸进行了 评价，2 0 0 5 年，密歇根州立大学的s e u g d o 和b n l c 3 明对以玉米为资源的生物降 解塑料进行了生命周期评价。 在国内，1 9 9 9 年，兰州大学的寇昕莉【4 0 1 对s a n 和a b s 等高分子材料的生 命周期进行了研究。2 0 0 2 年，吕耀平、黄福群引1 等人对比了塑料用品与木质用 品对环境的影响。同年，石风【4 2 1 分析对比了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、纸类等 用作包装材料的环境影响。2 0 0 4 年，林逢春、杨引4 3 1 对用作一次性餐盒的发泡 聚乙烯和光生物降解聚合物的环境负荷进行了计算与对比。 二氧化碳聚合物作为完全生物降解塑料，其原材料部分来源于石油资源或全 部来源于植物资源，目前已被应用到医药、包装等领域。但是目前世界各国仅仅 研究了二氧化碳聚合物的合成机制以及开发高效催化剂【删，其在生命周期内对环 境造成多大的影响还未见报道。 1 4 论文的研究内容与结构框架 1 4 1 论文的研究目的与内容 本研究是国家“十五”8 6 3 项目的一部分，主要是针对目前逐渐升温的全生 物降解塑料( 二氧化碳基聚合物) 进行生命周期评价。 定量的描述部分石油路线、非石油路线二氧化碳基聚合物的生命周期内的环 境影响，找出在其生命周期内对环境负荷最大的环节，并提出相关改进的建议。 1 4 2 论文的结构框架 本论文主要由绪论、正文和结论三部分组成，绪论部分介绍了l c a 的结构 框架和发展情况以及l c a 在塑料工业中的应用现状；正文部分则对两种不同工 艺路线( 石油、非石油) 的二氧化碳基聚合物的生命周期进行了评价，并与聚乙 烯的环境负荷进行了对比。结论部分对前面的工作进行了总结，并对以后的工作 做出展望。 第2 章方法辨析与选取 第2 章方法辨析与选取 2 1l c a 主要理论与方法 目前国际上采用的评价方法，基本上可以分为两大类：“环境问题法”和“目 标距离”法。前者着眼于环境影响因子和影响机理，对各种环境干扰因素采用当 量因子转换而进行数据标准化和对比分析，后者则着眼于影响后果，用某种环境 效应的当前水平与目标水平( 标准或容量) 之间的距离来表征某种环境效应的严 重性，下面对几种典型的评价方法进行介绍。 2 1 1 简化l c a 模型 为了降低进行l c a 研究所需要的时间和数据，节省研究所需要的费用。人 们有时通过对传统的l c a 进行简化4 5 1 ，或选出系统中认为比较重要的部分进行 评价，或采用定性的方法对各个阶段对环境影响的相对重要性进行比较。评价过 程中组成的环境负荷矩阵如表2 1 所示： 表2 - 1 产品环境负荷矩阵 t a b l e2 - 1t h ee n v i r o n m e n t a ll o a dm a t r i xo f p r o d u c t i o n 环境负荷 寿命阶段资源消耗能源消耗周体废物液体废物气体废物 原料制备 产品生产 包装运输 使用 循环、废弃 根据所研究系统生命周期中每一阶段对资源、能源和废物的消耗和排放情况 进行赋值，取离散的o 4 之间的整数值。0 表示对环境的影响最高，4 表示对 环境的影响程度最小，当假设各个环境负荷同样重要时，总的环境负荷值可以表 示为： e=m，(2-t) ， 式中e 产品的环境负荷； m r 一产品第i 阶段第j 类环境负荷。 也可根据实际情况，对各环境负荷赋以不同的权重。通过总的环境负荷值的 北京工业大学工学硕士学位论文 比较，可以得出两种或几种产品，工艺或活动的环境性能的优劣；同时，也可辨 识出同一产品生命周期内环境负荷较大的阶段，并提出改进建议。 2 1 2e p s ( e n v i r o n m e n t a lp f i o f i 哆s y s t e m ) 方法 e p s 方法是用所排放污染物的潜在环境影响表示对环境的损害，结果归一 化。e p s 是建立在s e t a c ( 国际环境毒理学和化学学会) l c a 排放编目分析基 础之上，应用环境经济学对单个产品和特定工艺过程进行评价，要求计算环境负 荷，或者在风险量化处理中使用市场价格或消费者愿意承担的价格，e p s 在汽车 材料领域得到了广泛应用。e p s 减少了分析者和决策者的权重选择，但是没有考 虑环境对废弃物的降解能力。 2 1 3 生态指数法 生态指数法】( e c o i n d i c a t o r ) 是以综合产品政策为标志，由荷兰住宅、空 间规划与环境部委托，瑞士科学基金会环境优先项目协同资助下发展起来的一个 全新的生命周期评价方法，在理论和方法上取得了很大的突破。它建立了资源消 耗、土地使用、气候变化、酸化、生态毒性等各个方面的环境影响评价模型。生 态指数法的目的是建立一种将生产过程的总体环境负荷单一评价指标。 e e o i n d i c a t o r9 9 基本技术框架如图2 1 所示，实施步骤包括以下三步： 生 资源消耗 建 - 4 资源消耗l _ + 萱 命立 周 损 加 评 期 土地占用 害 _ 一生态系统损害l _ + 权 价 - 编模 处 指 且型 理 标 环境排放 - 1 人体健康损害卜_ 自自自 图2 - 1 生态9 9 的计算流程 f i g 2 1t h ec a l c u l a t i n gp i d c e 8 so f e e o - i n d i c a t o r9 9 ( 1 ) 与生命周期中所有的程序相关的排放物、资源使用以及土地占用的清单 分析； ( 2 ) 建立各损害类别的损害模型，计算对人体健康、生态和资源的影响值； 第2 章方法辨析与选取 ( 3 ) 将三个类别的影响值进行加权处理，得到单一评价指标。 e c o i n d i c a t o r9 9 通过结局分析( f a t ea n a l y s i s ) 、资源分析( r e s o u r c ea n a l y s i s ) 、 影响分析( e f f e c ta n a l y s i s ) 和损害分析( d a m a g ea n a l y s i s ) ，将清单分析中的环 境排放、资源消耗与土地占用情况与潜在的环境影响联系起来。其中的损害分析 又包括了对人体健康、资源消耗以及生态环境的损害三个方面。e c o i n d i c a t o r9 9 归一化基准采用的是欧洲排放总量，加权则是通过问卷的形式由专家小组决定。 而最后的结果解释部分采用了三指标体系： ( 1 ) 个人主义形式该方法选择已证明能引起影响的关系计入评价，当该方 法有选择机会时，将使用近期预测； ( 2 ) 等级主义形式该方法选择由科学和行政社团支持、并已得到承认的事 实，该方法在科学社团中的应用更加普遍； ( 3 ) 平等主义形式该方法连续的使用预防的原则，如果某些物质处于怀疑 状态，则把它们包括进来，并进行长期预测。 2 1 4e d i p 模型 杨建新e d i p ( t o o li n s t i t u t ef o rp r o d u c td e v d o p m e n t ) 模型4 7 4 8 1 通过选择中 国环境影响类型，并确定相应的模型参数，讨论了确定中国产品生命周期影响评 价所需的标准化基准和权重的确定方法，包括产品系统环境影响潜值计算、数据 标准化、加权评估以及计算环境影响负荷和资源耗竭系数四个步骤的生命周期评 价方法。具体为： ( 1 ) 计算环境影响潜值产品环境影响潜值是指整个产品系统中所有环境排 放产生的影响总和或资源消耗的总和，即： e p 0 ) = ee p g ) i = iq i xe f ( j ) ii(2-2 式中e p 0 卜产品系统对第j 种潜在环境影响的贡献； e p ( j ) 广第i 种排放物质对第j 种潜在环境影响的贡献； q 广一第i 种物质环境排放量； e f 0 ) 广一第i 种排放物对第j 种潜在环境影响的当量因子 ( 2 ) 数据标准化数据标准化的目的是对各种环境影响类型的相对大小提供 一个可比的标准。标准化过程主要是建立标准化基准。对于全球性的环境影响应 采用全球尺度的基准，区域性和局地性环境影响则采用中国的相应基准，此方法 采用1 9 9 0 年人均环境影响潜值作为环境影响基准，即： 北京工业大学工学硕士学位论文 e r ( j ) = e p ( j ) 9 0 p o p g o ( 2 - 3 ) 式中e r ( j ) 9 0 为1 9 9 0 年中国人均环境影响潜值； e 踟) 9 0 一为1 9 9 0 年中国总的环境影响潜值； p o p 9 旷一为1 9 9 0 年中国人口总量。 根据该基准，标准化后的产品系统的环境影响潜值表述为： n e p 0 ) ；e p ( j ) ( t xer0)90)(2-4) 式中t _ 一为产品服务周期 标准化后的环境影响潜值的单位为：标准人当量，即p e 。n 9 0 。c n 代表采用中 国人口，9 0 代表以1 9 9 0 年为基准年。 ( 3 ) 加权评估权重的确定采用“目标距离法”，即某种环境影响的严重性用 该影响的当前水平与目标水平( 标准或容量) 之间的距离来表征，此方法采用 2 0 0 0 年中国政府消减目标来确定中国环境影响的权重，表述为： w p ( j ) = w f 0 ) e p ( j ) e r 0 ) 9 0 ( 2 5 ) e r ( j ) - r 2 0 0 0 = e p ( j ) o o o p o p 9 0 ( 2 6 ) w f 0 ) = e r 0 ) 9 0 e r ( j ) t 2 0 0 0 ( 2 - 7 ) 式中e r 0 ) 帅一1 9 9 0 年标准化基准值： e r ( j ) 删2 0 0 0 年标准化基准值，由2 0 0 0 年的环境影响潜值除以1 9 9 9 年 的人口得到。 ( 4 ) 环境负荷经过加权后的各种环境影响值具有了可比性，而且也反映了 其相对重要性，因此可以将其综合为一个单一的指标，称为环境影响负荷( e i l ) ， 它反映了所研究产品系统在其整个生命周期内对环境影响的大小，用公式表示 为： 眦；哪 跣器 = 卜8 简化l c a 模型、e p s 方法、生态指数法以及杨建新e d i p 模型都是在s e t a c l c a 方法基础之上发展起来的。从以上分析可以看出，s e t a cl c a 研究范围广 泛，考虑了生产、运输、使用以及废弃等每个环节的环境影响，不仅研究了物质 流向，还考虑了物质对环境的影响( 温室效应等) 或后果( 人体健康损害等) 。 它将排放所造成的环境影响进行分类，将排放物质对分类环境影响的不同贡献转 化为相似潜在影响并加和。由于考虑了众多的分类环境影响，这就避免了由于污 第2 章方法辨析与选取 染转移而忽略某些污染。因此，本研究也从物质对环境产生影响的本质出发，借 鉴s e t a cl c a 方法的思想，对二氧化碳聚合物进行l c a 研究。 2 2 环境影响的表征 本研究采用当量模型法对环境影响进行表征，当量模型法是以当量系数( 如 1 连甲烷相当于l l k g 二氧化碳产生的全球交暖潜力) 来汇总产品整个生命周期 清单分析所提供的数据。前提是汇总的当量系数能度量潜在的环境影响。在质量 相同的情况下，利用不同环境影响因子对同一种影响类型的贡献量差异，以其作 为参照，将其他的环境影响因子与之做比较，得到各类环境影响因子的相对贡献， 即当量系数。最后根据各影响因子问的当量系数，汇总出以参照物为单位的环境 影响大小。 2 2 1 分类 分类是将l c i 中的输入和输出数据，与环境影响类型相联系，并划分到不同 影响类型中的过程。表2 - 2 列出了生命周期评价中经常涉及到的环境影响类型， 作用范围及相关负荷项目。 表2 - 2 环境影响类型，范围与相关负荷项目 t a b l e2 - 2t h eg e n r e ，y i e l d sa n do r d e r i n go f t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t 2 2 2 特征化 以当量模型来计算各个环境影响因子的相对环境影响大小，就是要以当量系 数来汇总各个环境影响因子的相对环境影响，根据表2 - 2 ，下面给出了9 种环境 影响类型的计算模型： ( 1 ) 不可再生资源消耗采用以下公式进行计算： i r a d r = a d p i xmi(2-9) 式中： d p _ 不可再生资源消耗的特征化参照结果； 1 3 a d p 广一第i 种资源的消耗潜力，即资源消耗的特征化因子； m 广一资源i 的消耗量。 ( 2 ) 可再生资源消耗采用以下公式进行计算： i r b d r = eb d p ixm l 式中珂b d 广可再生资源特征化参照结果； b d p f _ 一第i 种资源的特征化因子； m 广一资源i 的消耗量。 ( 3 ) 温室效应对于那些能导致温室效应的气体， 示，一般采用以下公式进行计算： i r g w r = e g w p i x m i 式中氐w 广温室效应特征化参照结果； g w p 广一环境排放i 相对于c 0 2 的特征化因子； m i 一环境排放i 的排放量。 ( 2 1 0 ) 以对全球变暖的潜势来表 ( 2 1 1 ) ( 4 ) 臭氧层破坏那些能