生命周期視角下的水性涂料環(huán)境污染評價研究

生命周期視角下的水性涂料環(huán)境污染評價研究

傳統(tǒng)的溶劑涂料在生產(chǎn)和使用過程中釋放的有機蒸發(fā)物質（voc）對人類健康有顯著影響。隨著環(huán)保意識的增強,控制VOC排放的力度越來越大,使涂料的研制和發(fā)展方向越來越向著尋求VOC不斷降低的方向發(fā)展。因此,水性涂料代表了低污染涂料未來發(fā)展的主要方向。生命周期評價(Lifecycleassessment,簡稱LCA)已日益成為企業(yè)進行清潔生產(chǎn)的依據(jù),以及對產(chǎn)品的環(huán)境質量進行管理和產(chǎn)品的環(huán)境友好型進行設計的重要工具。目前,生命周期評價的研究已經(jīng)在多類產(chǎn)品中進行。但是,對于水性涂料產(chǎn)品進行生命周期評價目前還很少。本文選取水性涂料作為研究對象,利用LCA方法對其進行在原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造和運輸過程引起的環(huán)境影響進行定量評價,為進一步改進水性涂料產(chǎn)品的環(huán)境行為提供依據(jù)。1研究結果與分析ISO14040系列標準中制定的LCA評價方法的技術框架:(1)確定LCA的目標、全生命周期范圍和系統(tǒng)邊界等。(2)進行清單分析。確定每一流程輸入(原材料、能源等)和輸出(向空氣、水、土壤中的排放和固體廢物)的數(shù)量,形成全生命周期清單表。(3)進行環(huán)境影響評價。對清單數(shù)據(jù)進行定量評價。(4)結果解釋。將清單分析和影響評價的結果結合在一起,使清單分析結果與確定的目標和范圍相一致,從而得出相應的結論和建議。使用四川大學開發(fā)的生命周期分析軟件eBalance處理該產(chǎn)品各流程階段中物耗、能耗和向環(huán)境排放污染物的數(shù)據(jù)。該方法將環(huán)境影響歸結為10類,分別為非生物資源損耗潛值、水資源消耗、全球變暖效應、酸化效應、化學需氧量(COD)、富營養(yǎng)化效應、可吸入無機物、固體廢物、累計能源消耗、初級能源消耗,通過軟件計算得到各項環(huán)境影響數(shù)值。所建立的生命周期基礎模型中包括的數(shù)據(jù)來源有兩種:企業(yè)調研獲得的數(shù)據(jù)和生命周期分析軟件中包含的基礎數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)。其中企業(yè)調研獲得的數(shù)據(jù)有:醋酸乙烯酯乳液、鈦白粉、成膜助劑、乙烯、醋酸乙烯酯、異丁醛的用量和運輸數(shù)據(jù);生命周期分析軟件中包含的基礎數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)有:天然氣、氮氣、電力、公路運輸、鈦精礦、原煤、原油、硫酸。2表面活性劑的生命周期分析2.1研究目標分析所研究的水性涂料生命周期過程的能流與物流,從而評價水性涂料主要環(huán)境影響因素以尋求工藝改善機會。2.2材料來源和資源消耗計算生命周期評價研究中最重要的步驟是系統(tǒng)邊界的確定。為了保證研究結果的有效性,研究中必須包括產(chǎn)品生命周期過程中的主要工藝過程,對其能源、資源消耗以及環(huán)境排放進行系統(tǒng)分析。對所確定的系統(tǒng)邊界內的主要工藝過程相關的原材料獲取,生產(chǎn)過程進行追溯分析。主要分析資源的消耗,如煤、石油、天然氣,各種金屬或非金屬資源;以及對大氣、水體的排放和固體廢棄物。本研究范圍主要包括三個階段:原材料制造、產(chǎn)品制造和產(chǎn)品運輸。由于產(chǎn)品使用和廢棄階段的環(huán)境影響相對較小而為包括在研究范圍之內。因此,本研究選取的水性涂料生命周期階段邊界始于原料運送至水性涂料廠,止于水性涂料運送到一級經(jīng)銷商。具體涵蓋的水性涂料產(chǎn)品的生命周期包括以下幾個部分,見圖1:(1)水性涂料產(chǎn)品的生產(chǎn)(2)能源生產(chǎn)(3)化學品的生產(chǎn)(4)水性涂料運輸?shù)揭患壗?jīng)銷商注:不包括基礎設施及生產(chǎn)廠房的建設所造成的環(huán)境影響。2.3清單分析本研究選取水性涂料功能單位為1000kg水性涂料。根據(jù)調研獲取的水性涂料生產(chǎn)加工過程的物耗、能耗數(shù)據(jù)(以水性涂料功能單位計)。2.3.1能源和資源消耗能源與資源消耗清單見表1。2.3.2環(huán)境排放水性涂料環(huán)境排放清單見表2。2.4影響評估利用生命周期分析軟件ebalance,對水性涂料進行生命周期評價。2.4.1環(huán)境影響潛值的標準化(1)生命周期環(huán)境影響潛值分析。在建立模型和收集數(shù)據(jù)的基礎上,利用eBalance的環(huán)境影響計算功能得到水性涂料生命周期過程中污染物排放的影響潛值,如表3所示。(2)環(huán)境影響潛值的標準化。將產(chǎn)品的環(huán)境影響潛值進行標準化主要有兩個目的:一是為了各種影響潛值提供一個可比較的標準;二是為進一步進行評估提供依據(jù)。在本文中采用每年全社會資源消耗總量和環(huán)境潛在影響作為標準化的基準。標準化的計算公式為:式中:R(j)——第j年的標準基準;P(j)——各種環(huán)境影響潛值或資源消耗。針對不同的影響類型的標準基準R(j)不同,在實踐應用上必須選擇同一時期的數(shù)據(jù),基準的計算既關系到數(shù)據(jù)的標準化過程,也影響到后面的評估過程。本文采用環(huán)境影響的標準基準,計算結果如表4所示。由表4可見,水性涂料生命周期對環(huán)境的影響主要是:初級能源消耗、累計能源消耗、化學需氧量、非生物資源損耗潛值。2.4.2工藝和物理工藝由表5可見,累計能源消耗、初級能源消耗主要產(chǎn)生在原油、天然氣和硫酸生產(chǎn)。酸化效應、富營養(yǎng)化效應、可吸入無機物影響主要產(chǎn)生在原油、鈦白粉和硫酸生產(chǎn)。非生物資源損耗主要產(chǎn)生在原油和硫酸生產(chǎn)?；瘜W需氧量主要產(chǎn)生在硫酸生產(chǎn)。全球變暖效應主要產(chǎn)生在原油和鈦白粉生產(chǎn)。固體廢物主要產(chǎn)生在鈦白粉、鈦精礦和原油生產(chǎn)。水資源消耗主要產(chǎn)生在鈦白粉和醋酸乙烯酯生產(chǎn)。由此可見,在水性涂料的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中原油生產(chǎn)、鈦白粉生產(chǎn)、硫酸生產(chǎn)和醋酸乙烯酯生產(chǎn)是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要環(huán)節(jié)。2.4.3全膜法水處理生產(chǎn)主要指標從表6可見,在生產(chǎn)水性涂料產(chǎn)品過程中,非生物資源消耗、酸化效應、累計能源消耗、全球變暖效應、初級能源消耗、可吸入無機物指標是乳液生產(chǎn)最多,其次是鈦白粉生產(chǎn),最后是成膜助劑生產(chǎn)?；瘜W需氧量、富營養(yǎng)化效應、固體廢物、水資源消耗指標是鈦白粉生產(chǎn)最多,其次是乳液生產(chǎn),最后是成膜助劑生產(chǎn)。因此,在水性涂料產(chǎn)品的生態(tài)設計中應同時考慮乳液和粉料的配比。3水性涂料全生命周期過程的環(huán)境影響(1)生命周期評價作為一種定量分析工具對產(chǎn)品開發(fā)和工藝診斷具有巨大潛力。本研究所開發(fā)的水性涂料模型將有助于產(chǎn)品或工藝設計者識別與產(chǎn)品相關的環(huán)境行為,也將支持相關產(chǎn)品開展生命周期評價研究。(2)研究結果表明,不可再生資源消耗是最重要的環(huán)境影響,其次是水資源消耗和固體廢物。在水性涂料的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中,原油生產(chǎn)、鈦白粉生產(chǎn)、硫酸生產(chǎn)和醋酸乙烯酯生產(chǎn)是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要環(huán)節(jié)。在水性涂料的各主要原材料中,鈦白粉生產(chǎn)和乳液生產(chǎn)是產(chǎn)生環(huán)境影響的主要原材料。因此,在水性涂料產(chǎn)品的生態(tài)設計中應同時考慮乳液和粉料的配比。(3)在對水性涂料生命周期評價過程中,存在一定的不足:a水性涂料全生命周期過程不完整,雖然水性涂料的使用和