源于淀粉和纖維素替代材料的4類綠色環(huán)保餐具評價

李德祥，李玉坤，葉 蕾，金征宇，支朝暉，繆 銘，*

（1 江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室 江蘇無錫 214122 2 江蘇龍駿環(huán)保實業(yè)發(fā)展有限公司 江蘇常州 213003）

高分子塑料是重要的基礎材料，在社會生產和居民生活中應用廣泛。當前全世界高分子塑料年產量達到2 億t，主要通過石化路線獲得。由于石油基單體屬于非生物基質，自然界中缺乏能夠分解這些高分子材料所需的微生物和酶，因此高分子材料在自然界中分解緩慢且會破壞土壤，造成嚴重的“白色污染”[1]。同時，由于石油資源的不可再生性及各國“限塑令”的發(fā)布，造成塑料產業(yè)成本不斷上升。為破解經濟發(fā)展造成的資源環(huán)境瓶頸的制約，以生物基材料、生物降解材料替代石油基產品已成為生物產業(yè)新一輪的國際競爭熱點[2]。美國、歐盟、日本等發(fā)達國家紛紛制定了相應的路線圖和行動計劃，以天然農林生物質為原料轉化制造的綠色環(huán)保材料產品競爭力不斷提升，應用市場不斷擴大。我國政府先后發(fā)布了“雙碳”及塑料污染治理法規(guī)，在餐飲外賣領域推廣使用符合性能和食品安全要求的生物基產品、可降解塑料袋等替代產品。淀粉、纖維素作為來源豐富、價格低廉、可再生且可完全降解的天然高分子材料，是最具潛力的天然生物可降解材料[3-4]。本文采用生命周期評價（LCA）對生物基餐具（復合淀粉基材料、覆膜纖維基材料）與可降解塑料餐具（全淀粉材料、全纖維材料）4 種材料進行環(huán)境風險評價（如圖1所示），并比較4 類產品的碳排放當量和能源消耗參數(shù)，以得到最佳的塑料制品替代方案，使產業(yè)鏈的行為更符合綠色發(fā)展的原則，最大程度地減少對環(huán)境的不良影響。

圖1 4 種一次性餐盒的組成和降解特性Fig.1 Composition and degradation characteristics of four types of disposable lunch box

1 材料與方法

1.1 方法及評價標準

本研究使用并遵循國際標準化組織 （ISO）制定的ISO14040 指南。該生命周期框架的評估考慮了生命周期的所有階段，評價內容包括生命周期清單、生命周期影響評估、生命周期解釋[5]。

1.2 功能單元和系統(tǒng)邊界

1.2.1 功能單元 為確保研究的科學性，本研究選用1 000 個容積為750 mL 的食品餐盒為功能單元。

1.2.2 系統(tǒng)邊界 4 種材料外賣餐盒系統(tǒng)邊界如圖2所示。“搖籃到墳墓”的過程包含“搖籃到門”、“門到門”、“門到墳墓”3 個階段。搖籃到門的部分研究包括原材料的采集，纖維（紙漿）和塑料母粒的合成，產品加工合成直至出廠。纖維基原料（紙漿）的生產加工從樹木、蘆葦?shù)雀呃w維植物的種植和收獲開始，包括混合和制漿、紙張的生產、紙卷準備、儲存4 個階段。天然玉米淀粉干燥后先經過塑化得到TPS，再與PP 共混后得到復合淀粉基材料?！伴T到門”，該過程發(fā)生在外賣餐盒生產工廠內，涵蓋餐盒生產的全工藝流程，從原料預處理到餐盒二次加工成型。纖維基餐盒加工從混合紙漿開始，混合紙漿經過凈化和精煉除去雜質，隨后經壓制和干燥輥壓干燥。半成品經加熱、印刷、切邊整形、施膠、滅菌等步驟制成產品[6]。塑料餐盒，母粒熔融后壓延形成片材，片材經適當模具二次沖壓成型后得到產品?！伴T到墳墓”包括外賣餐盒的使用和廢棄兩個過程。使用過程包括餐盒的運輸、包裝、銷售以及外賣配送。廢棄處置方式通常選擇焚燒、填埋和回收，滿足堆肥條件的塑料餐盒進行堆肥處理。然而，盛放食品的餐具如餐盒、餐勺等使用后存在大量油污，難以回收。填埋會占用大量土地資源，焚燒被認為是垃圾資源化、減量化、無害化處理的有效途徑，我國垃圾焚燒近幾年正呈上漲態(tài)勢。高效的垃圾焚燒技術能在有效提升垃圾中能量利用率的同時，減少溫室氣體排放。

圖2 4 種一次性餐盒生命周期系統(tǒng)邊界Fig.2 The life cycle system boundary of four types of disposable lunch box

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

1.3.1 搖籃到門 淀粉餐盒包含原材料采集、加工和樹脂擠出過程。共混材料聚丙烯的加工過程包含原油開采、油氣精煉、玉米栽培等過程造成的能耗和排放，均源于數(shù)據(jù)庫和文獻的背景數(shù)據(jù)。淀粉的提取和加工從玉米的種植開始，包括玉米收獲、運輸、磨粉、干燥所需的能耗和排放數(shù)據(jù)。生命周期清單的數(shù)據(jù)來源于文獻，其中熱塑性淀粉材料數(shù)據(jù)[7]共混材料PP 數(shù)據(jù)[8-9]纖維餐盒則包含樹木、草、秸稈種植采集等數(shù)據(jù)，紙漿原料采集及制備數(shù)據(jù)[10-11]。

1.3.2 門到門 淀粉餐盒的制造包括樹脂加工和二次成形，涵蓋塑料片材的擠出和餐盒熱成形排放和能耗數(shù)據(jù)。本研究采用比熱、溫差和熔化熱值計算，參考公式：熱能耗=L×W×T×ρ×（Cp×ΔT×ΔHf）[12]，式中，L、W、T 為聚合物片長、寬、厚；r 為熱塑性淀粉的密度，Cp為聚合物的比熱，ΔT 為聚合物片材與熱成型設定溫度之間的溫差；ΔHf為熱塑性淀粉樹脂的熔化熱。假設形成的片材厚度相等，所有容器都使用相同的模具。成型的塑料片材足夠生產數(shù)量為1 個功能單位的1 000 個一次性餐盒。因淀粉餐盒擠壓、傳遞、干燥過程的設備型號的差異影響能耗及污染氣體的排放，故對采集的數(shù)據(jù)進行理想化處理。樹脂二次成型的數(shù)據(jù)來源于文獻[7]～[8]和[10]，紙餐盒生產過程包括紙漿真空脫水干燥、熱壓成型的能耗和排放數(shù)據(jù)，其中還包括覆膜纖維餐盒的淋膜和鍍層過程的能耗。以上數(shù)據(jù)源于文獻[11]和[13]及實景數(shù)據(jù)。

1.3.3 門到墳墓 本文考慮了以下運輸方式和距離：對于原材料和包裝，使用Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。若無背景數(shù)據(jù)，假設使用32 t 的卡車運送150 km。對于廢物處理過程所涉及的運輸，假設使用1 輛32 t 卡車運送50 km。

復合淀粉基餐盒和覆膜纖維餐盒廢棄后不滿足堆肥條件，進行焚燒發(fā)電。將聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC） 國家溫室氣體清單為本文垃圾焚燒的溫室氣體排放估算方法的參考。焚燒的溫室氣體排放包括礦物碳焚燒造成的直接碳排放和企業(yè)在垃圾裝運過程中電、熱引起的碳排放兩部分。由助燃劑和焚燒廠自身運作消耗的電、熱造成的碳排放不作計算。廢棄一次性餐盒焚燒溫室氣體排放量計算見公式（1）～（3）[14]。如下文公式（1）所示，焚燒凈排放量EI 由兩部分構成，一是垃圾焚燒直接造成的排放Ei，另一部分是發(fā)電減排量Ee，三者單位均為t。其中，Ei和Ee分別根據(jù)公式（2）和公式（3）估算。垃圾焚燒再生電能計算方法見公式（4）[14]，式中，熱效率ξ 為20%，廠用電率ζ 為20%。全淀粉餐盒和全纖維餐盒廢棄物滿足堆肥條件，堆肥過程造成的能源消耗和碳排放數(shù)據(jù)來自文獻[15]～[17]。

1.3.4 生命周期環(huán)境影響評價 生命周期環(huán)境影響評價（LCIA）是針對資源提取、原料生產、運輸、產品加工成型、產品使用和廢棄物處理等過程的資源屬性和環(huán)境屬性統(tǒng)計。其中，環(huán)境屬性統(tǒng)計指標包括全球氣候變化 （GWP）、初級能源消耗（PED）、臭氧層消耗（ODP）、富營養(yǎng)化-淡水（EP）、酸化（AP）、可吸入無機物（RI）在內的6 種環(huán)境影響類型。文中生命周期環(huán)境影響評價數(shù)據(jù)源于文獻，其中淀粉材料源于文獻[7]和[18]，纖維材料（紙漿）源于文獻[19]～[20]，6 種環(huán)境影響類型如表1所示。

表1 生命周期評價環(huán)境影響類型Table 1 Life cycle assessment of environmental impact types

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 生命周期清單

兩類餐盒生命周期清單如表2和表3所示。得出結論：淀粉餐盒：與生產1 000 個復合淀粉餐盒相比，使用全淀粉能節(jié)省70.59 kg 不可再生資源。能源方面，節(jié)省22.65 MJ 電能。污染物排放方面，全淀粉塑料能減少0.41 g 揮發(fā)性有機物和0.02 g 氮氧化物。纖維餐盒：與生產1 000 個覆膜纖維餐盒相比，全纖維餐盒能節(jié)省2.1 kg 不可再生資源、30.64 MJ 電能，減少0.02 g 揮發(fā)性有機物、0.03 g 二氧化硫、0.26 g 氮氧化物排放。

表2 淀粉餐盒生命周期清單Table 2 Life cycle list of starch lunch box

表3 纖維素餐盒生命周期清單Table 3 Life cycle list of fiber lunch box

2.2 環(huán)境影響評價

生命周期影響評價結果顯示，淀粉餐盒的氣體排放值 （GWP）、酸化 （AP）、富營養(yǎng)化-淡水（EP）、可吸入無機物（RI）等主要指標普遍低于纖維餐盒，其中全淀粉餐盒環(huán)境影響指標最低，與復合淀粉基、全纖維、覆膜纖維基餐盒相比，GWP 分別降低23.73，36.61，52.19 kg；AP 分別降低0.12，0.08，0.13 kg；EP 分別降低0.04，0.15，0.2 kg；RI 分別降低0.05，0.08，0.11 kg。全淀粉餐盒環(huán)境影響風險相對較小，在環(huán)境影響上優(yōu)于全纖維材料，這一點在陸地酸化、水磷酸化和大氣污染上較顯著。4 種餐盒的環(huán)境影響評價如表4所示。

表4 4 種一次性餐盒生命周期環(huán)境影響評價Table 4 Environmental impact assessment for the life cycle of four disposable lunch boxes

2.3 碳足跡和能耗

4 種餐盒的碳排放和能耗如圖3所示。根據(jù)4種一次性餐盒的碳排放和能源消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計：淀粉餐盒的碳排放主要集中于“搖籃到門階段”，纖維餐盒則在“門到門階段”。全生命周期下，覆膜纖維餐盒累計排放CO2195.24 kg，全纖維餐盒131.03 kg，復合淀粉基餐盒98.84 kg，全淀粉塑料餐盒39.91 kg。2 種纖維餐盒的碳排放顯著高于2種淀粉餐盒?！伴T到門”階段，生產1 000 個復合淀粉基餐盒造成11 kg 碳排放，覆膜纖維餐盒的加工釋放85.44 kg CO2，是等量纖維餐盒的8 倍?！伴T到墳墓”階段，全淀粉和全纖維餐盒滿足堆肥條件，碳排放大大減少，與焚燒處理的不可降解餐盒相比，碳排放分別減少72.1%，85.7%。能源消耗方面，全淀粉餐盒全生命周期累計能耗最低，僅為332.04 MJ。另外，使用全淀粉塑料替代全纖維餐盒可節(jié)能416.23 MJ。覆膜紙餐盒和復合淀粉基餐盒用于焚燒分別產生電能37.91 MJ 和10.44 MJ。

圖3 4 種一次性餐盒碳排放和能耗比較Fig.3 Comparison of carbon emission and energy consumption of four types of disposable lunch boxes

3 結論

本文對熱塑性淀粉、紙漿這兩大類常見塑料餐具替代材料進行全生命周期評價，對1 000 個覆膜纖維材料、全纖維材料、復合淀粉基材料、全淀粉材料4 種餐盒進行生命周期評價。結果顯示，全淀粉塑料餐盒的環(huán)境影響指標、碳排放和能耗最低，與全纖維餐盒相比碳排放降低69.5%，節(jié)約416.23 MJ 電能。相比于覆膜纖維材料，使用復合淀粉基材料能降低79.6%的碳排放，節(jié)約38.9 MJ電能。紙漿的加工過程會產生大量廢水、廢氣，這由于其制漿、漂白等工藝過程所致，該過程還會產生大量有機氯和固體顆粒狀懸浮物，廢水處理過程會造成更大的環(huán)境負擔。這說明紙?zhí)娲⒎鞘墙鉀Q外賣垃圾問題的最佳對策。淀粉原料可再生，加工過程簡單，加工過程較纖維（紙漿）耗能低，碳排放小。淀粉基材料作為一類綠色環(huán)保替代產品，為塑料污染治理提供了新思路，不僅在一次性外賣餐飲包裝領域有很好的發(fā)展前景，而且滿足了電商、茶飲、快遞等新興行業(yè)對環(huán)境友好型替代產品的需求，將有助于國家雙碳目標和美麗中國建設。