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深入探讨:为何回收薄膜不一定符合可持续性要求?

来源:国际塑料商情 发布时间:2020-06-26 17:27:35 0次浏览
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塑料废弃物不断增加、对海洋的污染日益严重,如何以可持续方式处理塑料制品成为社会和政治关注的 焦点。可回收塑料和生物塑料都可以成为更大可持续性战略的一部分,但它们也有副作用。为避免不合理的决策,对这些方法的效果进行综合评估是非常重要的。
 
尽管公众对塑料提出了各种批评(图1),但事实上塑料对可持续发展做出了重要贡献,如通过实现车辆的轻量化和减轻包装,节省运输车辆用燃油。但问题是,目前还不存在提高塑料产品可持续性的明确建议。
图1 塑料生产和使用面临的挑战和社会需求(来源:IKV)
 
较高的回收率并不一定意味着资源效率的提高,生物塑料因使用农药、耗水量高以及耕作条件较差而受到批评。因此,需要找出哪些措施对哪些具体应用比较有意义,并对显著提高可持续性有帮助,这点非常重要。
 
如何全面评估可持续性?
 
可持续性通常有三大支柱,即生态、经济和社会可持续性。21世纪的生态问题包括全球变暖、资源利用、生物多样性遭到破坏、人类健康受到威胁。经济问题包括金融市场的不稳定、国债、劳动力市场发展的不利影响。社会问题包括贫困、人口统计学异常、暴力冲突和机会不均。各个领域影响的权重虽然存在争议,但生态可持续性问题往往被放在最优先考虑的位置。
 
 
如果薄膜被用于包装行业,那么它至少应该由可再生材料制成,这导致了一种普遍的观点,即认为流通中的材料自然会更可持续。但在将所有 相关能源和料流纳入普遍有效的计算方法基础上进行详细的生命周期分析后,结果显示,情况并非那么简单(© dusk – stock.adobe.com)
 
生命周期分析(LCA)可用于评估产品在整个生命周期内的生态可持续性。随着DINENISO14040于2006年6月19日的推出,欧洲标准化委员会(CEN)制定了LCA的原则和框架条件,其阶段的划分及相互关联在DINENISO14044(图2)中得到了更详细的描述。
 
许多塑料产品的LCA研究已公开出版。尽管这些研究的结果有助于为提高可持续性提供建议,但对相关声明的解读必须在各自特定的背景下进行。
 
此外,因为缺乏标准,这些声明并不总能发挥效力,所以,功能单元、分配法、生命周期清单以及影响评估的方法会对LCA的结果构成严重的影响。
 
在这一背景下,来自德国特罗斯多夫的莱芬豪舍集团与德国亚琛的塑料加工研究所(IKV)合作,开发了一种适用于LCA的一般适用的计算方法,其中纳入了塑料薄膜和非织布生命周期内所有相关能源和料流。
 
计算概念应为在可持续塑料产品开发中的产品设计人员提供支持。分析涵盖了这些产品的整个生命周期,因此,研究范围包括原料的生产、塑料颗粒的加工、进一步挤出加工、热回收或机械回收,所有路径均被考虑在内。
 
通用计算方法的结构
 
在下文中,研究人员列出了编制LCA计算方法的框架条件:
 
作为薄膜或非织布的功能单元,计算概念中使用了1㎡的产品,这在以前的研究中也是常见的。对于两种产品的比较,在每种情况下都必须注意功能的实现。只有当两种薄膜或非织布都具有满足功能所需的性能时,才能进行比较。这意味着可比较的产品必须具有相同的阻隔性能或机械性能。
 
如果在LCA中使用可回收物,则回收过程对于环境的影响也必须考虑在内。问题是,可回收产品的分销商或回收物的用户是否必须为回收过程对环境的影响而买单,以及如何为回收友好型设计签发信用。有不同的方法来分配整个生命周期内环境的影响。
 
假设在当前市场需要同时鼓励向市场投放以及接受再生材料,本研究假设分配比例为50:50,既鼓励使用再生材料,也鼓励生产可回收产品。图3所示为职责的分配。用户A和C按同等比例支付原生材料生产和产品处置费用,并承担50%的回收费用。用户B只需支付上游或下游回收过程成本的50%,因为他将再生材料重新投入了循环。只要回收过程与新料的生产和使用相比具有优势,那么用户B在LCA中的价值就最低。
 
在确定了功能单元和分配方法后,接下来就是创建LCA。收集生命周期清单分析中的数据时,必须考虑挤出薄膜和非织布整个生命周期所有相关能量和料流。图4为生命周期和工艺步骤的示意图。工艺步骤包括回收物的使用、石化和生物基塑料的生产、挤出、处理和运输。
 
 
图2 根据DIN EN ISO14040/14044[7]编制的生命周期评估的不同阶段(来源:IKV)
 
 
用于创建LCA的数据取自原材料供应商莱芬豪舍和SimaPro软件(供应商:荷兰阿默斯福特的PréConsultantsBV),用于创建包含许多数据库的LCA。各个工艺步骤的资产负债表被合并成一份整体资产负债表,以便在最后一个步骤中对可持续性进行评估。因为结果不准确,特别是当使用生物塑料时,所以得到的CO2足迹(碳足迹)并不完全。如,没有考虑农业中的酸化(酸雨)、富营养化或水、土地的需求。富营养化是指通过农业施肥、废水处理和燃烧过程,将含有磷或氮的营养物质输入生态系统。酸化的影响包括鱼类死亡、森林遭受破坏、养分淋滤造成的植被破坏和重金属再活化造成的地下水污染。
 
 
图3 以50:50的比例分配可回收物的使用和可回收产品制造的责任(来源:IKV)
 
为了更好地评估影响,采用ReCiPe(图5)是一个比较合适的办法,籍此从LCA的结果中确定了18个结果类别,并将其分为“人体毒性、生态毒性和资源”三类。碳足迹归在“全球变暖”影响类别。
 
 
图4 来自莱芬豪舍的数据显示,使用SimaPro创建LCA的生命周期、经仔细考虑的过程以及运输 步骤(来源:IKV)
 
“人体毒性”描述了向环境中释放化学物质的影响以及对人类健康的相关损害。所使用的量表是由癌症等疾病导致的预期寿命降低以及由此导致的寿命损失,用DALY指数(残疾调整后的寿命损失年)表示。
 
 
图5 基于ReCiPe 2016的影响评估方法(来源:IKV)
 
“生态毒性”是指有害物质对陆生和水生生物的影响。污染物的吸收或生活条件的改变会导致个别有机体、整个种群或生态系统的变化。指标“物种/FU”是指生态系统中物种的局部损失及其相关后果。
 
经济可行性评估以“资源消耗”为基础,以美元(USD)为单位描述产品的成本。
 
基于各种案例研究的评估
 
利用所提出的计算概念,可以对不同的应用实例进行后续评价。
 
研究人员比较了适用于相同应用、性能相似的不同薄膜,数据以实际生产参数为基础。为了更好地评估结果,图表还列出了使用“欧标5柴油机”行驶1公里的汽车带来的人体毒性、生态毒性和资源消耗。
 
案例:水果和蔬菜袋
 
第一个实例评估了石化塑料和生物塑料制成的果蔬袋的环境影响,并对这些果蔬袋的处理方案进行了比较(图6)。可采用热回收(场景S1、S3、S5)和消费后(S2)机械回收,这里不考虑后工业回收,因为私人家庭才会对果蔬包装进行处理,还考虑了生物塑料PLA家庭堆肥(S4)的假想场景。
 
HDPE水果袋(方案S1和S2)的人体毒性值最低,机械回收(S2)略优于热回收(S1)。在生态毒性方面,S1甚至为负值,因为热回收导致能量替代。由于聚烯烃的热值(高达44兆焦耳/千克)甚至高于燃油的热值(42兆焦耳/千克),因此可以补充大量的能量,从而过度补偿生产的生态毒性。场景S2中的资源消耗低于场景S1,因为机械回收节省了资源。
 
场景S3~S5针对的是生物塑料(PLA),其资源效率高于石化塑料,但人体毒性和生态毒性更高,这是富营养化以及种植玉米所需的农业用水和土地导致的。S3和S4比较了热回收法和堆肥法的处理效果。
 
 
图6 超市用化石和生物塑料果蔬袋资产负债表(来源:IKV)
 
由此可见,堆肥具有资源消耗的优势,但热回收在人体毒性和生态毒性方面表现得更好,这也是因为热回收方式中能量替代的必然结果。场景S5考虑的是从巴西甘蔗而不是德国甜菜生产聚乳酸。与石化塑料相比,10000公里的额外运输增加了人体毒性和生态毒性,但节省了资源。
 
案例:包装用膜
 
另一个案例比较了“由新料制成的包装膜(vPE)和由再生材料制成的包装膜(rPE)”。该薄膜用于床垫包装等工业场合。各个场景如图7所示。
 
 
图7 新料和回收料用于劣质包装膜的资产负债表(来源:IKV)
 
参考薄膜(S1)的厚度为100m。由于使用再生材料时机械性能通常会降低,因此rPE膜的厚度增加至150m(S3),但也考虑使用厚度为100m(S2)的rPE膜以获得更好的可比性。由于聚乙烯薄膜只有一个单层,所以可回收。
 
图7显示,采用回收材料(S2)对资源保护和人类毒性有积极影响,尽管与S1相比,生态毒性更高。一方面,较高的生态毒性可以用循环过程中水和能量的消耗来解释(S2)。另一方面,热回收(S1)带来更高的能量得分,从而降低了S1的生态毒性。
 
场景S3表明,随着薄膜厚度的增加,使用再生材料在人体毒性类别中的优势很快就会被耗用殆尽。场景S4还研究了中国对新料的机械回收情况,包括用船进行12000公里的长途运输,其机械回收效果明显低于德国(S1)。
 
T塑料与纸的比较也很有趣。与以新料形式使用的塑料相比,根据SimaPro数据库的数据,纸的使用可以保护化石资源,但显著增加了人体毒性和生态毒性。
 
结论
 
产品的可持续性通常由LCA根据CO2足迹进行评估。但这不足以进行一次完整的生态评价,因此,研究人员创建并使用了一个具有三维影响评价的计算概念。这一成熟的计算概念表明,使用再生材料是提高产品可持续性的一个好办法,但前提是所用材料必须相同。
 
与石化塑料相比,即使考虑到长途运输,生物塑料也有助于保护资源,但它们增加了人类和生态毒性。
 
PLA的堆肥没有多大意义,因为塑料中所含的能量无法回收。此外,事实证明,在降低人体和生态毒性方面,纸张并不是好的塑料替代品。
 
针对上述3个类别编制的收益平衡表为综合分析奠定了基础,但并不能对采取的行动提出直接建议,而是需要对类别的优先排序制定准则。此外,为便于更详细地考虑机械回收过程中所涉及的工作等,必须改进数据库。
 

 

 

本文翻译自Kunststoffe International 杂志

 

 

 

 

 

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