典型化工产品生态设计研究-以水性涂料产品为例

典型化工产品生态设计研究
———以水性涂料产品为例

马岩 曹磊 周才华 李明博 岳文淙 刘尊文[中环联合( 北京) 认证中心有限公司,北京100029]

水性涂料在成品的VOC 含量方面已经降到非常低的水平,甚至有些产品已经开始声明为零VOC 产品。因此,通过基于生命周期评价的产品生态设计,对水性涂料全生命周期所产生的环境影响进行分析,从而寻找进一步减少水性涂料环境影响的方法,对于发展环境型涂料具有重要的意义。生态设计( eco - design) 是20 世纪90 年代初荷兰公共机关和联合国环境规划署( UNEP) 提出的一个环境管理领域的新概念,是指将环境因素纳入设计之中,在产品生命周期的每一环节都考虑其可能带来的环境影响,通过设计改进使产品的环境影响降为最低,即通过产品设计的改进来减少产品的环境影响,最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统。生态设计方法虽然兴起较晚,但在各国已得到广泛的重视,从不同角度开展了研究工作[1 ~ 10]。但是,对于化工产品进行生态设计研究目前还很少。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,并在此基础上对水性涂料产品进行生态设计研究,为进一步改善水性涂料的环境行为提供依据。

1 生命周期评价研究方法
1. 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,从而评价水性涂料不同方案的环境影响以寻求工艺改善机会。
1. 2 研究范围
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未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。)
1. 3 功能单位
本研究选取水性涂料功能单位为1 000 kg 水性涂料。
1. 4 评价方法
使用成都亿科环境科技公司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9 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。软件中建立的水性涂料生命周期评价模型如图2 所示。

环境影响潜值的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:
 (1)
式中: R ( j) 为第j 年的标准基准; P ( j) 为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[11]。
1. 5 数据来源
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 水性涂料环境行为改善途径研究
2. 1 钛白粉选择
钛白粉选择是指乳液种类不变,对氯化法和硫酸法两种方法制造的钛白粉方案进行比较,各成分组成如表1 所示,其生命周期分析结果如图3 所示。


由图3 可见,用氯化法制造钛白粉的方案与硫酸法制造钛白粉的方案相比产生的各项环境影响均减少,因此,环保型水性涂料应尽量使用氯化法制造钛白粉。
2. 2 乳液减量方案和钛白粉减量方案
乳液减量方案是指乳液减量,粉料不变,减量部分水补足方案,其各成分组成如表2 所示。钛白粉减量方案是指乳液种类不变,量不变。钛白粉减量,减少量用碳酸钙补充方案,其各成分组成如表3 所示。两种方案的生命周期分析结果如图4 所示。

将钛白粉减量方案与乳液减量方案的生命周期分析结果进行比较( 图4) 。可见,减少钛白粉用量削减的环境影响比减少乳液用量削减的环境影响速率要快。由以上分析可知,从减少环境影响的角度考虑,水性涂料生态设计时应首先采用氯化法制造的钛白粉的前提下,尽量减少钛白粉用量。

3 水性涂料生态设计方案
生态设计除了考虑产品环境影响之外,还要考虑产品性能,上述8 种方案的产品性能用VOC 含量、遮盖力、耐擦洗性能、柔韧性、耐碱性、耐沾污性和附着力7 个指标表征,如表4 所示。每个指标均分为好( 5) 、较好( 4) 、一般( 3) 、较差( 2) 、差( 1) 五个档次,具体设置数值如表5 所示,假设各指标的权重均为1,由此可得到水性涂料性能综合评价值。

则8 个方案的得分如表6 所示。

构建水性涂料生态设计指数评价生态设计方案效果,如下所示:

( 2)
式中: DEI 为生态设计指数; EI 为环境影响值; FI 为产品功能评价值。
由此,可得到水性涂料不同方案的生态设计指数值和环境影响综合评价值比较,如图5 所示。

由图5 可知,采用氯化法制造的钛白粉与硫酸法制造的钛白粉相比,环境影响和生态设计指数都明显降低。乳液减量方案虽然通过减少乳液用量可以减少水性涂料的环境影响,但其生态设计指数却随着乳液用量的减少快速增加。这说明通过减少乳液用量来实现水性涂料的生态设计的方案是不可行的。钛白粉减量方案随着钛白粉用量的减少,水性涂料的环境影响明显下降,同时其生态设计指数也有所下降,是生态设计中重点考虑的方案。通过上述分析也验证了最初的设计假设,即采用氯化法制造的钛白粉,并尽量减少钛白粉用量。目前的方案组合中可行的方案如表7 所示。环境影响综合评价值和生态设计指数结果如图6所示。

由图6 可知,本生态设计方案与方案1 ~ 方案8 相比环境影响的综合评价值和生态设计指数均明显降低,说明从环境保护和可行性的角度本设计方案均是合理的。

4 结论
( 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) 通过构建生态设计指数,综合评价不同配方方案的环境影响和性能表明,水性涂料生态设计应优先选用氯化法制造的钛白粉的前提下尽量减少钛白粉的方案,其环境影响评价值和生态设计指数均明显降低。
( 3) 在对水性涂料生命周期评价过程中,存在一定的不足: ①水性涂料全生命周期过程不完整,虽然水性涂料的使用和废弃阶段的环境影响相对较小而未包括在分析范围内,但也是由于这些过程缺少数据,研究中为考虑这些过程的环境影响,造成了评价结果的不完整。②由于缺乏国内醋酸乙烯酯、异丁醛等化学品的环境影响数据,故只能直接引用国外数据库进行分析,由于没有基于我国国情进行相应修正,造成了评价结果的不精确。

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