黑色原液著色再生聚酯短纖維的全生命周期分析研究

馬俊濱，邢玉靜，余慧玲，吳松平，嚴(yán)玉蓉，2，3*

(1.廣東秋盛資源股份有限公司，廣東 普寧 515300； 2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640； 3.化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實(shí)驗(yàn)室揭陽(yáng)分中心，廣東 揭陽(yáng) 522000； 4.華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510641)

自塑料發(fā)明以來(lái)，伴隨其使用帶來(lái)的是日益堆積的塑料垃圾。據(jù)研究報(bào)道，迄今為止已生產(chǎn)的原始塑料高達(dá)8.3×106kt，但僅有9%得到回收利用，剩余的塑料廢棄物給環(huán)境造成巨大負(fù)擔(dān)[1]。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)是使用最廣泛的塑料之一，在飲料瓶、纖維、農(nóng)用膜行業(yè)均有應(yīng)用，2018年僅聚酯纖維全球產(chǎn)量即超過(guò)6.4×104kt[2]。2019年我國(guó)PET瓶年產(chǎn)量達(dá)到8 703 kt，紡織化纖總量達(dá)5.9×104kt，且廢舊化纖紡織品回收率不足10%，可見(jiàn)回收再生PET(R-PET)的原料儲(chǔ)量巨大。PET屬于可在一定條件下進(jìn)行熱塑性加工再利用的高分子材料，采用熔融紡絲法所得R-PET短纖維可用于被褥填充材料、毛氈、車用內(nèi)飾材料、裝飾地毯、土工材料等[3-4]，市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)ALPLA集團(tuán)的報(bào)道，每使用1 000 kg R-PET瓶片制備R-PET短纖維，可減少1 700 kg的二氧化碳(CO2)排放，節(jié)約能耗1.348×104MJ，但并未涉及實(shí)際生產(chǎn)中廢織物的使用比例對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，且環(huán)境評(píng)估指標(biāo)并不全面。

全生命周期分析(LCA)是一種量化整個(gè)產(chǎn)品過(guò)程中的物料輸入、能源消耗、環(huán)境排放并評(píng)價(jià)其環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)方法[5]，主要包括4個(gè)步驟：目標(biāo)與范圍定義，清單分析，影響評(píng)價(jià)，結(jié)果解釋。LCA方法可應(yīng)用于評(píng)估產(chǎn)品環(huán)境影響，以對(duì)比結(jié)果解釋資源循環(huán)的意義。同時(shí)，LCA的分析結(jié)果還可指導(dǎo)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)基于碳減排目標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化及配方設(shè)計(jì)優(yōu)化。

廢棄PET材料的循環(huán)再利用是實(shí)現(xiàn)石化產(chǎn)品減碳和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，而LCA作為一種日益成熟的環(huán)境影響評(píng)估分析體系，可為該過(guò)程的環(huán)境影響進(jìn)行全面、客觀評(píng)價(jià)。作者依據(jù)LCA方法研究R-PET瓶片再利用制備黑色原液著色再生滌綸短纖維(R-PET-BF)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響，分析影響環(huán)境指標(biāo)的關(guān)鍵因素；探討原料中回收黑色PET紡織品泡料(R-PET 泡料)添加比例對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1 R-PET-BF的LCA分析

按照ISO 14040—2006《環(huán)境管理.產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià).原則和框架》與ISO 14044—2006《環(huán)境管理.產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià).要求和導(dǎo)則》 規(guī)定的4個(gè)步驟即目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)、結(jié)果解釋對(duì)R-PET-BF進(jìn)行LCA分析，采用建模軟件Gabi ts 6.0版本計(jì)算。

1.1 目標(biāo)與范圍定義

LCA分析對(duì)象為R-PET-BF，產(chǎn)品規(guī)格為3.3～16.5 dtex，以2020年為基準(zhǔn)年，功能單位為1 t，以R-PET瓶片與一定比例的R-PET泡料為原料，原料與產(chǎn)品R-PET-BF均由廣東秋盛資源股份有限公司生產(chǎn)。借助LCA選取如表1所示的6種環(huán)境影響指標(biāo)分析其從資源開(kāi)采到產(chǎn)品制備過(guò)程中的資源消耗與環(huán)境排放，系統(tǒng)邊界如圖1。

圖1 R-PET-BF的LCA系統(tǒng)邊界

表1 環(huán)境影響類別及環(huán)境影響因子

研究目的在于改進(jìn)生產(chǎn)達(dá)到減排目標(biāo)，故暫不考慮產(chǎn)品使用與處置過(guò)程。

1.2 清單分析

本次分析工藝過(guò)程數(shù)據(jù)為廣東秋盛資源股份有限公司生產(chǎn)車間調(diào)研獲得，包括PET廢瓶收集和材質(zhì)分離、瓶的物理處理、熔融紡絲過(guò)程(包括后紡處理)、色母生產(chǎn)，而其他部分輔料、電力、煤等能源部分來(lái)源于Gabi擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，主要使用我國(guó)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)，部分缺失使用歐盟、德國(guó)數(shù)據(jù)代替，瓶磚的運(yùn)輸采用數(shù)據(jù)庫(kù)中常用貨車規(guī)格為符合歐VI排放標(biāo)準(zhǔn)的Euro-6卡車、凈重20～26 t、負(fù)載量17.3 t。

R-PET-BF的生產(chǎn)過(guò)程如圖2a所示。為方便研究可將R-PET-BF的生產(chǎn)劃分為3個(gè)階段：(1)廢PET瓶回收，包括廢PET瓶的收集與顏色分離，在LCA計(jì)算中，廢PET瓶折算為50%的原料環(huán)境影響；(2)物理處理，包括進(jìn)行材質(zhì)分離(瓶身、瓶蓋、標(biāo)簽及雜質(zhì)分離)，并將分離后的瓶身進(jìn)行清洗、破碎、分離、再清洗以得到R-PET凈片的過(guò)程(見(jiàn)圖2b)，其中所添加的R-PET泡料的生產(chǎn)過(guò)程包括廢棄紡織品的分揀分離和泡料制備過(guò)程(見(jiàn)圖2c)；(3)熔融紡絲，將處理好的凈片經(jīng)真空干燥后進(jìn)入熔融紡絲設(shè)備并經(jīng)過(guò)后紡處理得到短纖維產(chǎn)品。

圖2 R-PET-BF生產(chǎn)過(guò)程與原料物理處理過(guò)程

1.3 影響評(píng)價(jià)

根據(jù)表1所示的6種環(huán)境影響類別及環(huán)境影響因子作為評(píng)估指標(biāo)，分析影響環(huán)境指標(biāo)的關(guān)鍵因素。6種環(huán)境影響指標(biāo)如下：GWP、AP、FAETP、TETP、POCP、EC?；谇鍐螖?shù)據(jù)，利用Gabi ts 6.0軟件分析得到特征化結(jié)果，如表2所示。

表2 R-PET-BF生產(chǎn)中各階段的特征化結(jié)果Tab.2

為便于不同指標(biāo)間的比較，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即歸一化處理[6]。利用歸一化因子計(jì)算量化為統(tǒng)一值之后才可確定不同環(huán)境指標(biāo)間的相對(duì)貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境影響指標(biāo)間的對(duì)比。采用的歸一化因子參考文獻(xiàn)[7-8]中的國(guó)際基準(zhǔn)值，所得歸一化結(jié)果如表3所示，其中GWP與AP選取時(shí)間均為100年，F(xiàn)AETP與TETP的時(shí)間為無(wú)限期。

表3 環(huán)境影響類別的歸一化基準(zhǔn)值與R-PET-BF歸一化結(jié)果

1.4 結(jié)果解釋(關(guān)鍵流程識(shí)別)

為更直觀地判斷R-PET-BF生產(chǎn)過(guò)程中各階段對(duì)環(huán)境影響最大的環(huán)節(jié)，識(shí)別在產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要環(huán)境影響類別，利于關(guān)鍵工藝改進(jìn)與環(huán)保目標(biāo)的設(shè)定，基于表2的LCA分析得到累積柱狀圖如圖3所示。由圖3可明顯看出，廢瓶及其回收是對(duì)各環(huán)境影響類別指標(biāo)貢獻(xiàn)最大的工藝環(huán)節(jié)，且貢獻(xiàn)影響由大到小總體趨勢(shì)依次為廢瓶及其回收、熔融紡絲、物理處理。其中，廢瓶的環(huán)境影響來(lái)源于原材料，原材料雖只折算了50%的PET瓶的環(huán)境影響，但其在所有環(huán)境影響類別中均表現(xiàn)出明顯的影響貢獻(xiàn)，且在FAETP中表現(xiàn)尤為突出。原因在于PET瓶的生產(chǎn)過(guò)程中涉及PET、聚乙烯(PE)與聚氯乙烯(PVC)的生產(chǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程中的廢水排放是淡水生態(tài)毒性的主要貢獻(xiàn)來(lái)源。

圖3 R-PET-BF生產(chǎn)中各階段對(duì)環(huán)境影響類別的貢獻(xiàn)占比

就當(dāng)前關(guān)注的碳排放問(wèn)題而言，可以利用GWP指標(biāo)比較CO2當(dāng)量排放的具體數(shù)值以確定可減碳的工藝與效果。從圖3還可看出，若不考慮原料生產(chǎn)的環(huán)境成本因素，相比于廢瓶的物理處理過(guò)程，熔融紡絲過(guò)程具有更高的碳排放量，占比達(dá)到20%。R-PET-BF的熔融紡絲過(guò)程中需要添加色母粒實(shí)現(xiàn)調(diào)色的目的，且高溫紡絲過(guò)程會(huì)不可避免地釋放可揮發(fā)性氣體，而物理處理貢獻(xiàn)的GWP主要體現(xiàn)在電或煤的使用上，這受我國(guó)火力發(fā)電的電力結(jié)構(gòu)的影響。

AP主要來(lái)源于SO2、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)等酸性氣體的排放[9-10]，包括廢瓶中原料生產(chǎn)過(guò)程的直接排放(按50%折算)與電力生產(chǎn)中的間接排放。圖3表明廢瓶及其回收在TETP中的貢獻(xiàn)占比僅次于其在FAETP中的占比，原料生產(chǎn)與電力生產(chǎn)殘留的廢渣、廢油桶等固體廢棄物均會(huì)造成土壤污染。POCP[9-10]是大氣污染物(NOx、碳?xì)浠衔锏?在陽(yáng)光直射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成，具有強(qiáng)氧化性與破壞性，其中原料生產(chǎn)與電力生產(chǎn)中則包括相關(guān)氣體的釋放，以及回收聚酯高溫加工中少量分解會(huì)產(chǎn)生碳?xì)浠衔?。EC包括可再生能源與不可再生能源，用于評(píng)價(jià)生產(chǎn)過(guò)程的能耗大小，圖3表明EC在各生產(chǎn)階段的貢獻(xiàn)占比與POCP類似，在纖維生產(chǎn)過(guò)程中，涉及到電力、煤、蒸汽與熱能等。

為識(shí)別關(guān)鍵環(huán)境影響類別，歸一化處理結(jié)果如表4所示。

表4 R-PET-BF生產(chǎn)中不同環(huán)境影響類別的歸一化結(jié)果占比

由表4可知，在R-PET-BF的生產(chǎn)中，EC是貢獻(xiàn)最大的環(huán)境影響類別，占比高達(dá)87.43%，與其他影響類別存在101～103的量級(jí)差異。其次為FAETP，貢獻(xiàn)占比為10.96%，相比之下，其他的貢獻(xiàn)占比則明顯更低，其貢獻(xiàn)由大到小依次為：EC、FAETP、TETP、GWP、POCP、AP。因此，在R-PET-BF的生產(chǎn)中，能耗是最需關(guān)注的問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是促進(jìn)綠色生產(chǎn)的關(guān)鍵。據(jù)分析廢瓶及其回收、熔融紡絲階段的能耗較大，可考慮以電力替換煤炭，若能使用清潔電力效果更佳，或以天然氣代替煤炭，因燃煤是全球氣溫上升最主要的原因，具有大幅減少能源領(lǐng)域排放的潛能[11]；其次則是淡水生態(tài)毒性，與之密切相關(guān)的即為廢水、污水的處理，貢獻(xiàn)最大的是廢瓶及其回收與分離，因其折算的50%的原料生產(chǎn)中包括聚合物及上游單體的合成，另外熔融紡絲中油劑的使用也會(huì)造成淡水污染，因此嚴(yán)格廢水與廢棄油劑的處理，將利于水污染的減少。

2 R-PET泡料添加比例對(duì)R-PET-BF的LCA結(jié)果的影響

R-PET泡料是企業(yè)從紡絲廠、織布廠或服裝廠回收得到的廢織物、邊角料、衣物經(jīng)高溫破碎或高溫摩擦而成，顆粒尺寸分布不均，且具有韌性，難以二次破碎，因此使用中會(huì)有比例限制。R-PET瓶片料的品質(zhì)(色相、純度等)相比于織物破碎得到的R-PET泡料更高，單獨(dú)使用可用于生產(chǎn)高品質(zhì)纖維。但針對(duì)填充用途等材料對(duì)纖維強(qiáng)度要求不高，在滿足纖維基本物理性質(zhì)要求的前提下，可在實(shí)際生產(chǎn)中添加最高不超過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的R-PET 泡料以降低成本。比較在加入R-PET 泡料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，20%，30%時(shí)R-PET-BF的LCA計(jì)算結(jié)果，量化R-PET 泡料加入后對(duì)R-PET-BF生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境貢獻(xiàn)的影響結(jié)果如表5所示。

表5 R-PET泡料添加比例對(duì)R-PET-BF的LCA特征化結(jié)果的影響

由表5可見(jiàn)：隨著R-PET泡料加入比例的增加，主要的環(huán)境影響類別指標(biāo)均有一定程度的下降，如加入R-PET 泡料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，EC作為環(huán)境影響貢獻(xiàn)占比最大的一個(gè)類別的影響減少了9.52%，F(xiàn)AETP減少了21.02%，GWP減少了2.97%，AP減少了9.85%，而在6個(gè)環(huán)境影響類別中，只有TETP與POCP的影響呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，分別增加69.91%與90.47%，但TETP與POCP在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響貢獻(xiàn)比均較小。因此，綜合來(lái)看，添加R-PET泡料不僅可以節(jié)約企業(yè)成本，也利于主要環(huán)境影響貢獻(xiàn)的減少。

3 結(jié)論

a.以R-PET瓶片為原料制備的R-PET-BF為分析對(duì)象，利用LCA分析量化其生產(chǎn)各階段的環(huán)境影響結(jié)果，分析R-PET-BF的特征化結(jié)果，得到不同生產(chǎn)階段的環(huán)境影響大小，其貢獻(xiàn)影響由大到小總體趨勢(shì)依次為廢瓶及其回收、熔融紡絲、物理處理。

b.對(duì)R-PET-BF的LCA結(jié)果進(jìn)行歸一化分析，得到不同環(huán)境影響類別的貢獻(xiàn)占比并判斷其來(lái)源，其中EC的貢獻(xiàn)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占比高達(dá)87.43%，其余的貢獻(xiàn)占比從大到小依次為FAETP、TETP、GWP、POCP、AP，占比分別為10.96%，0.82%，0.47%，0.18%，0.14%。

c.在R-PET-BF生產(chǎn)中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～30%的R-PET 泡料作為原料，隨R-PET 泡料添加量的增加，主要環(huán)境影響類別EC、FAETP、GWP指標(biāo)均有所下降，貢獻(xiàn)占比較小的AP也呈現(xiàn)減小的變化，僅TETP與POCP的影響呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。以R-PET泡料代替部分R-PET瓶片可有效減少R-PET-BF生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響。

d.EC是采用R-PET 制備R-PET-BF環(huán)境影響中最大的貢獻(xiàn)因素，因此，在紡絲過(guò)程中，熱能提供以基于可再生能源的電能或以天然氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤具有有效的碳減排和緩解污染趨勢(shì)。