生命周期视角下的水性涂料环境污染评价研究

生命周期视角下的水性涂料环境污染评价研究

传统的溶剂涂料在生产和使用过程中释放的有机蒸发物质（voc）对人类健康有显著影响。随着环保意识的增强,控制VOC排放的力度越来越大,使涂料的研制和发展方向越来越向着寻求VOC不断降低的方向发展。因此,水性涂料代表了低污染涂料未来发展的主要方向。生命周期评价(Lifecycleassessment,简称LCA)已日益成为企业进行清洁生产的依据,以及对产品的环境质量进行管理和产品的环境友好型进行设计的重要工具。目前,生命周期评价的研究已经在多类产品中进行。但是,对于水性涂料产品进行生命周期评价目前还很少。本文选取水性涂料作为研究对象,利用LCA方法对其进行在原材料生产、产品加工制造和运输过程引起的环境影响进行定量评价,为进一步改进水性涂料产品的环境行为提供依据。1研究结果与分析ISO14040系列标准中制定的LCA评价方法的技术框架:(1)确定LCA的目标、全生命周期范围和系统边界等。(2)进行清单分析。确定每一流程输入(原材料、能源等)和输出(向空气、水、土壤中的排放和固体废物)的数量,形成全生命周期清单表。(3)进行环境影响评价。对清单数据进行定量评价。(4)结果解释。将清单分析和影响评价的结果结合在一起,使清单分析结果与确定的目标和范围相一致,从而得出相应的结论和建议。使用四川大学开发的生命周期分析软件eBalance处理该产品各流程阶段中物耗、能耗和向环境排放污染物的数据。该方法将环境影响归结为10类,分别为非生物资源损耗潜值、水资源消耗、全球变暖效应、酸化效应、化学需氧量(COD)、富营养化效应、可吸入无机物、固体废物、累计能源消耗、初级能源消耗,通过软件计算得到各项环境影响数值。所建立的生命周期基础模型中包括的数据来源有两种:企业调研获得的数据和生命周期分析软件中包含的基础数据库提供的数据。其中企业调研获得的数据有:醋酸乙烯酯乳液、钛白粉、成膜助剂、乙烯、醋酸乙烯酯、异丁醛的用量和运输数据;生命周期分析软件中包含的基础数据库提供的数据有:天然气、氮气、电力、公路运输、钛精矿、原煤、原油、硫酸。2表面活性剂的生命周期分析2.1研究目标分析所研究的水性涂料生命周期过程的能流与物流,从而评价水性涂料主要环境影响因素以寻求工艺改善机会。2.2材料来源和资源消耗计算生命周期评价研究中最重要的步骤是系统边界的确定。为了保证研究结果的有效性,研究中必须包括产品生命周期过程中的主要工艺过程,对其能源、资源消耗以及环境排放进行系统分析。对所确定的系统边界内的主要工艺过程相关的原材料获取,生产过程进行追溯分析。主要分析资源的消耗,如煤、石油、天然气,各种金属或非金属资源;以及对大气、水体的排放和固体废弃物。本研究范围主要包括三个阶段:原材料制造、产品制造和产品运输。由于产品使用和废弃阶段的环境影响相对较小而为包括在研究范围之内。因此,本研究选取的水性涂料生命周期阶段边界始于原料运送至水性涂料厂,止于水性涂料运送到一级经销商。具体涵盖的水性涂料产品的生命周期包括以下几个部分,见图1:(1)水性涂料产品的生产(2)能源生产(3)化学品的生产(4)水性涂料运输到一级经销商注:不包括基础设施及生产厂房的建设所造成的环境影响。2.3清单分析本研究选取水性涂料功能单位为1000kg水性涂料。根据调研获取的水性涂料生产加工过程的物耗、能耗数据(以水性涂料功能单位计)。2.3.1能源和资源消耗能源与资源消耗清单见表1。2.3.2环境排放水性涂料环境排放清单见表2。2.4影响评估利用生命周期分析软件ebalance,对水性涂料进行生命周期评价。2.4.1环境影响潜值的标准化(1)生命周期环境影响潜值分析。在建立模型和收集数据的基础上,利用eBalance的环境影响计算功能得到水性涂料生命周期过程中污染物排放的影响潜值,如表3所示。(2)环境影响潜值的标准化。将产品的环境影响潜值进行标准化主要有两个目的:一是为了各种影响潜值提供一个可比较的标准;二是为进一步进行评估提供依据。在本文中采用每年全社会资源消耗总量和环境潜在影响作为标准化的基准。标准化的计算公式为:式中:R(j)——第j年的标准基准;P(j)——各种环境影响潜值或资源消耗。针对不同的影响类型的标准基准R(j)不同,在实践应用上必须选择同一时期的数据,基准的计算既关系到数据的标准化过程,也影响到后面的评估过程。本文采用环境影响的标准基准,计算结果如表4所示。由表4可见,水性涂料生命周期对环境的影响主要是:初级能源消耗、累计能源消耗、化学需氧量、非生物资源损耗潜值。2.4.2工艺和物理工艺由表5可见,累计能源消耗、初级能源消耗主要产生在原油、天然气和硫酸生产。酸化效应、富营养化效应、可吸入无机物影响主要产生在原油、钛白粉和硫酸生产。非生物资源损耗主要产生在原油和硫酸生产。化学需氧量主要产生在硫酸生产。全球变暖效应主要产生在原油和钛白粉生产。固体废物主要产生在钛白粉、钛精矿和原油生产。水资源消耗主要产生在钛白粉和醋酸乙烯酯生产。由此可见,在水性涂料的各个生产环节中原油生产、钛白粉生产、硫酸生产和醋酸乙烯酯生产是产生环境影响的主要环节。2.4.3全膜法水处理生产主要指标从表6可见,在生产水性涂料产品过程中,非生物资源消耗、酸化效应、累计能源消耗、全球变暖效应、初级能源消耗、可吸入无机物指标是乳液生产最多,其次是钛白粉生产,最后是成膜助剂生产。化学需氧量、富营养化效应、固体废物、水资源消耗指标是钛白粉生产最多,其次是乳液生产,最后是成膜助剂生产。因此,在水性涂料产品的生态设计中应同时考虑乳液和粉料的配比。3水性涂料全生命周期过程的环境影响(1)生命周期评价作为一种定量分析工具对产品开发和工艺诊断具有巨大潜力。本研究所开发的水性涂料模型将有助于产品或工艺设计者识别与产品相关的环境行为,也将支持相关产品开展生命周期评价研究。(2)研究结果表明,不可再生资源消耗是最重要的环境影响,其次是水资源消耗和固体废物。在水性涂料的各个生产环节中,原油生产、钛白粉生产、硫酸生产和醋酸乙烯酯生产是产生环境影响的主要环节。在水性涂料的各主要原材料中,钛白粉生产和乳液生产是产生环境影响的主要原材料。因此,在水性涂料产品的生态设计中应同时考虑乳液和粉料的配比。(3)在对水性涂料生命周期评价过程中,存在一定的不足:a水性涂料全生命周期过程不完整,虽然水性涂料的使用和