一次性紙杯生產(chǎn)過程的環(huán)境影響評價

張卓然，林勤保，肖梓揚

一次性紙杯生產(chǎn)過程的環(huán)境影響評價

張卓然，林勤保，肖梓揚

（暨南大學(xué) 包裝工程研究所，廣東 珠海 519070）

以聚乙烯（PE）淋膜紙杯、聚乳酸（PLA）淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯3種一次性紙杯為研究對象，評估和比較不同紙杯對人體健康和環(huán)境的影響，為紙杯企業(yè)與行業(yè)提供參考。采用生命周期評價（LCA）方法，使用eFootprint軟件進(jìn)行一次性紙杯生產(chǎn)階段的生命周期評價，包括目標(biāo)與范圍確定、清單分析、生命周期影響評價及解釋、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估4個部分。在紙杯用紙的定量均為210 g/m2和淋膜（涂層）層數(shù)均為一層的情況下，PE淋膜紙杯、PLA淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯生產(chǎn)的分別排放1 839、2 077、1 826 kg CO2eq.的溫室氣體，8.88、10.75、8.63 kg SO2eq.影響酸化的氣體和物質(zhì)，2.93、3.23和2.93 kg (PO4)3?eq.影響富營養(yǎng)化的物質(zhì)。綜合來看，丙烯酸聚合物涂層紙杯生產(chǎn)過程對環(huán)境更為友好。

生命周期評價；環(huán)境影響；一次性紙杯

一次性紙杯作為生活中的日常必需品，在生活中的應(yīng)用很廣泛，目前，全球每年要使用3 000億個一次性紙杯[1]。一次性紙杯主要分為3個部分，分別是杯底、杯身和表面涂覆的有機(jī)聚合物，主要原材料為紙張和不同種類的聚合物，一次性紙杯主要有淋膜紙杯和上蠟杯2種類型[2-3]。目前我國尚未形成一次性紙杯的回收體系，如何有效準(zhǔn)確地評價一次性紙杯對資源環(huán)境和人體健康的影響，是可持續(xù)發(fā)展包裝領(lǐng)域的一個重大問題。聚乳酸淋膜紙杯又稱為生物降解淋膜紙杯，可以依靠垃圾分類堆肥進(jìn)行降解。涂層紙杯主要使用的是丙烯酸聚合物作為紙杯涂層，防水效果較好，且丙烯酸聚合物涂層紙杯也可以進(jìn)行打漿回收，在環(huán)保上也比傳統(tǒng)紙杯更有優(yōu)勢。

由于人們對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展越來越重視，作為一種評估環(huán)境影響的方法，生命周期評價（LCA）在世界和中國范圍內(nèi)越來越受到關(guān)注。這種評價方法常用于企業(yè)、行業(yè)、產(chǎn)品和服務(wù)的環(huán)境分析[4-5]，對企業(yè)改進(jìn)其生產(chǎn)工藝和政府制定相應(yīng)的環(huán)保政策都有著積極的意義[6]。

目前國內(nèi)外對紙杯生命周期評價的研究主要有聚乙烯涂層的冰淇淋杯的生命周期評價[7]，一次性紙杯碳排放的生命周期評價[8]，一次性塑料杯和一次性涂層紙杯的環(huán)境影響比較[9]和可重復(fù)使用杯與一次性杯的生命周期影響比較[10]。對聚乙烯（PE）淋膜紙杯、聚乳酸（PLA）淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯的環(huán)境影響比較，以及對同種紙杯不同生產(chǎn)工藝之間的環(huán)境影響比較還暫無文獻(xiàn)研究。

1 紙杯生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)

GB/T 24040—2008規(guī)定了生命周期評價要包括目標(biāo)與范圍確定、清單分析、生命周期影響評價和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果4個部分[11]。

整個建模、結(jié)果計算、數(shù)據(jù)質(zhì)量不確定度計算和累計貢獻(xiàn)率計算都在億科公司研發(fā)的生命周期評價軟件eFootprint上進(jìn)行，其采用了更多國內(nèi)實際調(diào)查的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，有效地提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并且eFootprint軟件基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行在線操作，無須下載終端，提高了工作的效率，降低了時間成本，其次除了eFootprint的公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之外，用戶還可以邀請供應(yīng)商整合供應(yīng)鏈環(huán)境數(shù)據(jù)，從而建立自有產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。eFootprint的主要工作流程是通過用戶在線填寫生產(chǎn)過程中消耗原材料或者能源等數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件的分析建模，最終輸出產(chǎn)品的碳足跡、環(huán)境足跡等報告。

eFootprint軟件計算所用到的原料和能源（如PE、PLA、油墨、電能、水等）的環(huán)境排放數(shù)據(jù)均來源于CLCD[12]和Ecoinvent數(shù)據(jù)庫。其中CLCD數(shù)據(jù)庫又稱中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，是由四川大學(xué)和億科環(huán)境公司共同開發(fā)建立的中國本土化的生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，涵蓋了中國的大宗能源和原材料的生命周期數(shù)據(jù)，并且內(nèi)置了基于中國地區(qū)的歸一化指標(biāo)與權(quán)重因子，能為國內(nèi)的LCA計算提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。Ecoinvent數(shù)據(jù)庫是由瑞士Ecoinvent中心開發(fā)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫，它涵蓋了世界多國常見原材料和能源的LCA數(shù)據(jù)清單，是目前使用最廣泛的LCA數(shù)據(jù)庫之一。

參照eFootprint的在線評估結(jié)果，文章將主要根據(jù)氣候變化潛值（GWP）、酸化潛值（AP）、富營養(yǎng)化潛值（EP）、可吸入無機(jī)物（RI）和光化學(xué)臭氧合成潛值（POCP）這5個環(huán)境影響指標(biāo)結(jié)果，從不同的維度評價比較3種紙杯的生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響程度。

2 評價目標(biāo)與清單分析

2.1 評價目標(biāo)

2.1.1 研究對象

選取了PLA淋膜紙杯、PE淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯3種紙杯（容量均為473 mL），其具體規(guī)格參數(shù)見表1。

2.1.2 系統(tǒng)邊界

淋膜紙杯和涂層紙杯的生產(chǎn)過程類似，都要經(jīng)過淋膜（涂層）、印刷、模切和黏合成型4個過程，再加上內(nèi)包裝和外包裝這2個環(huán)節(jié)。生命周期評價的系統(tǒng)邊界為從原料采集到完成生產(chǎn)階段，不評價使用階段和回收處理階段的輸入輸出影響，基于紙杯的生產(chǎn)工藝流程確定的具體系統(tǒng)邊界，即從紙漿造紙和采購PLA/PE粒子（或丙烯酸聚合物）開始，到紙杯裝入外包裝紙箱結(jié)束。生產(chǎn)過程中排出的有機(jī)廢氣均有組織排放，廢水排放到污水處理廠處理，一般工業(yè)固廢中的廢紙由相關(guān)公司回收利用，廢包裝桶由供方回收利用，污泥則委托相關(guān)單位集中處理。紙杯生產(chǎn)在同一廠房進(jìn)行，運輸、儲存產(chǎn)生的成本和環(huán)境影響可忽略。詳細(xì)的系統(tǒng)邊界流程見圖1。

表1 3種紙杯的生產(chǎn)規(guī)格

Tab.1 Production specifications of three kinds of paper cups

2.2 清單分析及功能單位

生命周期清單分析指在所確定的范圍內(nèi)對產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期過程中的輸入（能源消耗）、輸出（污染物排放）進(jìn)行數(shù)據(jù)量化和分析[13]。其中資源消耗、環(huán)境影響、結(jié)果對比數(shù)據(jù)與分析等都將以生產(chǎn)10萬個紙杯作為單位，原因是紙杯的使用個為單位，固定紙杯生產(chǎn)總質(zhì)量無法均等地體現(xiàn)出紙杯的使用價值[9]，且定為10萬個可減少數(shù)據(jù)過小產(chǎn)生的誤差。根據(jù)10萬個紙杯的生產(chǎn)實際情況，3種紙杯生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基本信息見表2。在生產(chǎn)系統(tǒng)邊界內(nèi)，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的物耗和能耗的數(shù)據(jù)清單見表3[14]，其中，PE淋膜紙杯、PLA淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯生產(chǎn)過程中的物耗和能耗數(shù)據(jù)均來自于國內(nèi)某公司。

圖1 紙杯生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界

表2 紙杯生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基本信息

Tab.2 Basic production information of paper cups

表3 紙杯加工過程輸入數(shù)據(jù)清單（以10萬個紙杯為基準(zhǔn)）

Tab.3 Input data in processing of paper cups (based on 100,000 paper cups)

3 生命周期影響評價及解釋

研究一個生產(chǎn)過程的生命周期對環(huán)境造成的潛在影響，生命周期影響評估結(jié)果是一個重要的參考[15]?；谏芷谟绊懺u價的結(jié)果及解釋，不但可以供消費者購買產(chǎn)品時進(jìn)行參考，也可以為生產(chǎn)廠家提供工藝改進(jìn)建議，使其優(yōu)化生產(chǎn)線達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。

在生命周期評價模型的建立中，影響評價主要分為2個部分。首先是對PE淋膜紙杯、PLA淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯3種不同紙杯產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行比較；其次是對紙杯生產(chǎn)過程環(huán)境影響的累計貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。

3.1 不同產(chǎn)品對比

根據(jù)LCA模型的計算，5種環(huán)境影響指標(biāo)見表4，3種紙杯的環(huán)境影響指標(biāo)數(shù)值見圖2，PE淋膜紙杯、PLA淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯生產(chǎn)過程環(huán)境影響的累計貢獻(xiàn)率見圖3。

1）從圖2a可以看出在單淋膜（涂層）的工藝下氣候變化潛值（GWP）的影響從大到小分別為PLA淋膜紙杯、PE淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯。影響GWP的主要參數(shù)是產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量。由于PLA淋膜紙杯比PE淋膜紙杯使用的粒子質(zhì)量要大，所以其生產(chǎn)過程比PE淋膜紙杯的生產(chǎn)過程產(chǎn)生了更多的二氧化碳。通過結(jié)果的累計貢獻(xiàn)分析可知，以PE淋膜紙杯為例，在工藝上的印刷用電，以及原料上的紙杯原紙、塑料粒子影響了整體的GWP。因此如果想要降低紙杯生產(chǎn)對氣候變化的影響，降低紙杯原紙和塑料粒子的使用量是很有必要的。

2）從圖2b可以看出，在酸化潛值（AP）指標(biāo)中，PLA淋膜紙杯（10.75 kg SO2eq.）遠(yuǎn)高于其他2種紙杯。AP衡量的是酸性污染物對環(huán)境產(chǎn)生的酸化影響，造成PLA淋膜紙杯與另外幾款紙杯差別如此大的原因在于PLA淋膜紙杯使用的PLA粒子在生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生乳酸，乳酸具有一定的酸性，會對酸化指標(biāo)產(chǎn)生一定的貢獻(xiàn)。

3）從圖2c可以看出，3種紙杯的富營養(yǎng)化潛值都較為接近〔約為3 kg (PO4)3?eq.〕。根據(jù)結(jié)果的累計貢獻(xiàn)分析可知，對富營養(yǎng)化影響較大的過程為淋膜過程，其累計貢獻(xiàn)率達(dá)到了80%以上，主要影響物質(zhì)為紙杯原紙，因此這3種使用原紙定量相同的紙杯在富營養(yǎng)化指標(biāo)上的差距并沒有很大。

4）3種紙杯對可吸入無機(jī)物（RI）指標(biāo)的影響從大到小為PLA淋膜紙杯、PE淋膜紙杯、丙烯酸聚合物涂層紙杯。從累計貢獻(xiàn)分析來看，影響RI最主要的因素為淋膜過程中塑料粒子的使用，另外印刷過程貢獻(xiàn)率也較大?？梢钥闯?，使用聚乳酸進(jìn)行生產(chǎn)排放的可吸入無機(jī)物是3種紙杯中最多的，因此想要降低可吸入無機(jī)物的排放量，要盡量減少有機(jī)塑料粒子的使用。

5）在光化學(xué)臭氧合成潛值（POCP）指標(biāo)上，3款紙杯中差別并不是很大（約為4.0 kg Ethene eq.），這是因為主要影響光化學(xué)臭氧合成潛值的原材料為紙杯原紙，而3種紙杯使用紙杯原紙的定量是相同的，所以反映到指標(biāo)上差別很小。

3.2 紙杯生產(chǎn)過程環(huán)境影響累計貢獻(xiàn)率分析

從圖3中可以看出，在氣候變化潛值、酸化潛值、富營養(yǎng)化潛值、可吸入無機(jī)物和光化學(xué)臭氧合成潛值方面，淋膜（涂層）過程是造成環(huán)境影響的主要因素，這主要是因為淋膜（涂層）過程中使用的紙杯原紙和塑料粒子會對環(huán)境造成較大的污染。印刷過程對5項環(huán)境指標(biāo)的貢獻(xiàn)率也較大，這主要是因為印刷過程中使用了油墨且印刷耗電量較大。模切、成型和包裝過程對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率很小，3個過程累計只占10%左右，主要是因為耗電量較小且沒有使用對環(huán)境影響較大的材料。

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果

數(shù)據(jù)不確定度評估是eFootprint中CLCD（中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫）中獨有的功能，可以基于研究對象所在行業(yè)的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對特征化環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行不確定度分析，通過對比年份、地域、行業(yè)數(shù)據(jù)或企業(yè)數(shù)據(jù)等因素來評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

表4 5種環(huán)境影響指標(biāo)介紹

Tab.4 Introduction for five environmental impact indicators

圖2 10萬個一次性紙杯生產(chǎn)過程的環(huán)境影響

基于CLCD質(zhì)量評估方法，使用eFootprint軟件對模型中清單數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行了評估，數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果見表5。

從表5可以看出，結(jié)果的不確定度均在5%左右，不確定度較小，說明模型模擬的結(jié)果較為可靠。

4 工藝改進(jìn)建議

大部分的環(huán)境影響主要源自紙杯生產(chǎn)過程中所消耗的電能，除未計耗電的內(nèi)包裝與外包裝環(huán)節(jié)，剩余4個生產(chǎn)流程，即淋膜（涂層）、印刷、模切、成型皆需要消耗電能。如何減少電能的消耗和使用清潔能源也是一個重要的改進(jìn)方向。首先需在保證紙杯產(chǎn)量與市場需求的同時，優(yōu)化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)，使用更為科學(xué)節(jié)能的機(jī)器，最大化利用電能，減少電能損耗；其次，應(yīng)逐漸減少排放大量溫室氣體和有害物質(zhì)的火力發(fā)電在電網(wǎng)中的占比，選用清潔能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、核能等，火力發(fā)電所排放的氣體與物質(zhì)更應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，必須經(jīng)過處理再排放。

不同的生產(chǎn)工藝也會對環(huán)境指標(biāo)產(chǎn)生影響，尤其是塑料粒子定量的降低，對減小5種環(huán)境指標(biāo)都有著積極的影響。在實際的生產(chǎn)過程中要不斷地改進(jìn)生產(chǎn)的工藝，盡量減少原材料，尤其是塑料粒子的使用。

紙杯原紙的使用對環(huán)境的影響也是較大的，在各項指標(biāo)中都貢獻(xiàn)較大。在實際的生產(chǎn)過程中主要有2個改進(jìn)方向：首先在保證消費者使用體驗的基礎(chǔ)上，盡量使用定量較小的紙杯原紙；其次要進(jìn)一步完善對紙杯原紙的分離回收工藝，對使用完成后的紙杯進(jìn)行回收，并用到其他非食品領(lǐng)域。

圖3 紙杯生產(chǎn)過程環(huán)境影響的累計貢獻(xiàn)率

表5 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果

Tab.5 Assessment results of data quality

5 結(jié)語

基于生命周期評價方法，分別對PE淋膜紙杯、PLA淋膜紙杯和丙烯酸聚合物涂層紙杯的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了環(huán)境影響分析，為目前市面上常見的3種紙杯對環(huán)境的影響和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了參考，具有實際應(yīng)用價值。

研究結(jié)果表明，丙烯酸聚合物涂層紙杯在生產(chǎn)過程中具有較好的環(huán)保優(yōu)勢，PLA淋膜紙杯作為熱門的可降解的環(huán)保材料紙杯，并沒有在生產(chǎn)階段展現(xiàn)出比傳統(tǒng)的PE淋膜紙杯較為明顯的優(yōu)勢。如果進(jìn)一步增加對紙杯的回收處理過程的評估，即考慮全生命周期過程，丙烯酸聚合物涂層紙杯因其可重復(fù)打漿利用，環(huán)保優(yōu)勢非常明顯。

如果可以進(jìn)一步搜集到3種聚合物材料生產(chǎn)過程和紙杯回收過程的相應(yīng)數(shù)據(jù)，那么生命周期評價結(jié)果對行業(yè)的借鑒作用會更大。生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要來源于個別合作企業(yè)，假設(shè)能夠搜集到多個廠家的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的評估，那生命周期評價結(jié)果將會更加具有說服力。

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Assessment of Environmental Impact during Production of Disposable Paper Cup

ZHANG Zhuo-ran, LIN Qin-bao, XIAO Zi-yang

(Packaging Engineering Institute, Jinan University, Guangdong Zhuhai 519070, China)

The work aims to assess and compare the effects of different paper cups on human health and environment with three kinds of paper cups, including PLA filmed, PE filmed and acrylic polymer coated ones, as object of study, so as to provide references for paper cup enterprises and industry. The live cycle assessment of paper cups, including objective/scope determination, check list analysis, life cycle impact assessment/interpretation, and data quality assessment, was conducted with LCA method and software eFootprint. When the grammage of the paper cup was up to 210 g/m2and only one layer was filmed or coated, the paper cups filmed or coated with PE, PLA and acrylic polymer emitted 1 839, 2 077 and 1 826 kg CO2eq. of greenhouse gases, 8.88, 10.75 and 8.63 kg SO2eq. of gases and substances affecting acidification, and 2.93, 3.23 and 2.93 kg (PO4)3?eq. of substances affecting eutrophication, respectively. In general, the production process of acrylic polymer coated paper cups is more environmentally friendly.

life cycle assessment (LCA); environmental impact; disposable paper cup

TB484；TS767

A

1001-3563(2022)13-0275-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.035

2021?11?04

國家重點研發(fā)計劃（2018YFC1603204）；珠海進(jìn)出口公共技術(shù)服務(wù)平臺產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計劃（IETP202001007）

張卓然（2000—），男，暨南大學(xué)本科生，主攻食品包裝安全。

林勤保（1968—），男，博士，研究員，主要研究方向為食品包裝安全。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋