聚丙烯產(chǎn)品對環(huán)境的影響及替代方案評估

王蕤

摘要：新冠病毒肆虐，為減少餐具的交叉感染，聚丙烯材料制作的一次性餐盒需求量大大增加。本文以聚丙烯產(chǎn)品為研究對象，利用生命周期評價原理，分析其對環(huán)境影響，并選擇替代方案，以減少聚丙烯產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響。應(yīng)用環(huán)境設(shè)計（Design for Environment）工具作為方案評估工具，幫助選擇出一種最優(yōu)的替代方案。

Abstract： The 2019-nCoV is raging. In order to reduce cross-infection of tableware， the demand for disposable lunch boxes made of polypropylene materials has greatly increased. This article takes polypropylene products as the research object， uses the life cycle evaluation principle， analyzes its impact on the environment， and chooses alternatives to reduce the impact of polypropylene products on the environment. The Design for Environment tool is used as a program evaluation tool to help select an optimal alternative.

關(guān)鍵詞：聚丙烯產(chǎn)品;環(huán)境影響分析;替代方案

Key words： polypropylene products;environmental impact analysis;alternatives

中圖分類號：TB472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0164-02

0? 引言

聚丙烯（PP）經(jīng)常用于制作一次性餐盒，如常見的外賣食品盒、便當(dāng)盒和盛裝街頭小吃的塑料盒等。在新冠狀病毒爆發(fā)期間，為了減少交叉感染、保證衛(wèi)生，學(xué)校食堂、餐廳等使用聚丙烯材料的一次性餐具越來越普遍。聚丙烯材料需求量的不斷增加導(dǎo)致其對環(huán)境的影響越來越大。本文首先通過產(chǎn)品生命周期評價理論對聚丙烯一次性餐盒進行環(huán)境影響分析，從生命周期的各個階段分析并羅列該產(chǎn)品對環(huán)境的潛在影響因素，并找出存在潛在影響因素最多的階段，作為主要改善的階段。之后將針對這一階段提出關(guān)于聚丙烯材料替代方案，并且使用環(huán)境設(shè)計工具對方案進行可行性評估，最后擇優(yōu)選出最佳方案。本文也分析了最優(yōu)方案存在的局限性，并給出了針對其局限性的建議。

1? 聚丙烯產(chǎn)品環(huán)境影響分析

1.1 產(chǎn)品生命周期評價理論

生命周期評價理論是一種分析材料對環(huán)境影響的工具。材料的生命周期分為五個階段：原材料采集、加工生產(chǎn)、運輸分配、使用、回收。生命周期評價理論將從這五個方面分別分析該材料對環(huán)境的影響，并定性決定該材料生命周期的哪個階段對環(huán)境影響最大。由該理論分析出的結(jié)果，有利于更好且更高效地改善該材料對環(huán)境的影響。

1.2 聚丙烯產(chǎn)品環(huán)境影響分析

應(yīng)用產(chǎn)品生命周期評價理論，聚丙烯產(chǎn)品生命周期圖如圖1所示。該圖分析了聚丙烯產(chǎn)品生命周期中5個階段潛在的環(huán)境影響。

如圖1，X軸顯示了生命周期中的5個過程，分別是原材料采集、加工生產(chǎn)、運輸分配、使用和回收。Y軸表示影響因素的數(shù)量，可以反應(yīng)不同階段對環(huán)境的影響程度。每一格都列出了具體的環(huán)境影響。原料方面，聚丙烯采用裂解石油收集[1]。獲取石油時，土地遭到破壞，進而對此地生態(tài)環(huán)境造成負面影響，導(dǎo)致生物多樣性減少和土地退化[2]。并且石油屬于不可再生能源，大量開采會導(dǎo)致寶貴的石油資源枯竭。生產(chǎn)加工方面，聚丙烯的生產(chǎn)采用氣相本體法[3]。這是一種環(huán)保的方法，過程中幾乎不產(chǎn)生有害氣體與廢物，但它的運作需要很高的能量。運輸分配方面，由于聚丙烯在低溫下的不耐久性和脆性[4]，為保護聚丙烯在運輸過程中不受環(huán)境影響而產(chǎn)生老化、失效等問題，聚丙烯的運輸包裝會有更嚴(yán)苛的要求，造成運輸成本的提高與包裝材料的浪費。至于使用階段，聚丙烯不可避免地受到外界環(huán)境溫度、光照等影響，產(chǎn)生老化、失效問題會縮短聚丙烯材料的使用壽命，增加需求量，加大環(huán)境壓力。至于回收，聚丙烯是不可降解的材料[5]，陸地或水中的聚丙烯殘留物以及焚燒聚丙烯材料產(chǎn)生的有害物質(zhì)，將導(dǎo)致廢物的產(chǎn)生、填埋土地的損害、地下水的污染和有害氣體的焚燒排放[5]。從圖1可以看出，回收這一列最高，意味著這一階段對環(huán)境的影響程度最高，共計有4項環(huán)境影響。因此，找到一種替代方案以解決聚丙烯在回收方面產(chǎn)生的環(huán)境問題非常必要。

2? 聚丙烯替代方案及評估

2.1 面向環(huán)境設(shè)計（Design for Environment）工具

面向環(huán)境設(shè)計（Design for Environment）工具用于評估針對材料對環(huán)境影響改進策略的可行性，簡稱DfE工具。具體流程為：產(chǎn)品策劃、概念開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、細節(jié)設(shè)計、工藝開發(fā)。本文只專注于概念開發(fā)階段，首先需要通過生命周期評價理論得出的結(jié)論，確定主要環(huán)境影響階段。接著針對該階段提出一種或多種替代方案，并通過面向環(huán)境設(shè)計指南評估方案可行性，最后確定一種最優(yōu)方案作為該產(chǎn)品的替代方案。

2.2 聚丙烯替代方案

根據(jù)產(chǎn)品生命周期圖，開發(fā)了面向環(huán)境設(shè)計（DfE）工具的應(yīng)用。該應(yīng)用的過程以流程圖的形式呈現(xiàn)，如圖2所示。

如上所述，聚丙烯最需要被改善的階段是回收。聚丙烯的不可降解性是材料回收難度大的主要原因。然而改變回收、利用、分配和生產(chǎn)的方式對于改善這種狀況收效甚微，因此有必要尋找其他可降解的材料來取代原來的材料。第一種材料是淀粉基塑料（如圖3所示），用以代替聚丙烯作為一次性餐盒。淀粉基塑料是改性淀粉和可生物降解聚酯的結(jié)合物[6]，如聚羥基脂肪酸酯（PHA）和聚甲基丙烯酸甲酯（PPC）等。第二種材料是E-co共聚物（如圖4所示），它是一種含羰基的聚乙烯[7]。這兩種材料的區(qū)別在于淀粉基塑料可進行生物降解[6]，而E-co共聚物可進行光降解[7]。

淀粉基塑料和E-co共聚物滿足四個基本面向環(huán)境設(shè)計的規(guī)則。首先，淀粉基塑料和E-co共聚物都是熱塑性材料，這意味著這些材料經(jīng)過加熱和冷卻后可回收用于制造其他產(chǎn)品，因此在這一過程中，材料可以繼續(xù)循環(huán)使用，而不會造成原材料的損失。其次，這兩種物質(zhì)最終可以降解為二氧化碳和水[6]，二氧化碳和水可以完全回到地球的自然循環(huán)中，再次，由于二氧化碳和水無毒無害，故降解過程不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。最后，用于生物降解和光降解的能源分別是生物能[6]源和光能[7]，是清潔的可再生能源。總之，淀粉基塑料和E-co共聚物都是可持續(xù)替代材料的合理選擇。

本文面向環(huán)境設(shè)計的參考標(biāo)準(zhǔn)選擇從降解率的高低和生產(chǎn)難度兩個方面來考慮最終方案。根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)1（如圖2所示），淀粉基聚合物的降解將花費大約2到6個月的時間[6]，而E-co共聚物的降解將花費大約1個月[8]。這種現(xiàn)象表明E-co共聚物的降解速度比淀粉基塑料快。在參考標(biāo)準(zhǔn)2中，應(yīng)該考慮塑料合成條件是否易于滿足。在生物降解過程中，只有極性的聚合物才能附著在酶上并具有良好的親和力[9]。而在光降解方面，對聚合物的結(jié)構(gòu)和性能沒有一定要求。降解時間甚至可以通過光敏單體的加入量來控制。綜上所述，E-co共聚物是替代PP材料作為一次性飯盒的更好選擇。

E-co共聚物通常用于食品包裝袋，比容器所需的軟得多。這可能是由于聚合物的結(jié)構(gòu)支鏈過多而變得不夠堅韌。另外，可降解材料的價格仍然很高[10]，因為這種材料目前非常新穎，制造工藝的不成熟，所以應(yīng)用范圍較窄。綜合以上兩點不足，建議發(fā)展并完善這種材料的生產(chǎn)工藝，使這種材料更具交聯(lián)性，進而提高硬度。生產(chǎn)工藝的熟練程度也需要進一步提高，以備將來大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，降低成本。

3? 結(jié)論

本文依據(jù)產(chǎn)品生命周期理論分析了聚丙烯產(chǎn)品對環(huán)境的主要影響，并提出了新的設(shè)計建議，以減少原材料對環(huán)境的影響，最后使用環(huán)境設(shè)計工具判斷新設(shè)計的可行性，并對替代方案做出最終選擇。聚丙烯是一種回收率低的材料，它可以被一種叫做E-co共聚物的光降解材料取代。E-co共聚物滿足四個簡單的DfE規(guī)則。它還具有快速降解和易于生產(chǎn)的優(yōu)點。但生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)熟練程度需要改進和提高，使這種材料具有更高的硬度與更低廉的成本。

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