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过氧化氢氧化脱毛工艺的生命周期评价
2019-01-16

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前言

制革工业产生了大量的废弃物,对生态系统造成了一些负面影响。考虑到人们对环境话题的日益关注,有必要将废水的污染负荷减到最小,并减少废弃物的产生。

在制革的几个阶段中,准备工段对总的环境影响负主要责任,因为它产生了83%BOD573%COD60%的固体悬浮物,68%的盐分以及76%的皮革加工过程中所产生的总污染负荷。这是因为,在准备工段中,传统的脱毛工序要使用硫化钠和石灰。此外,脱毛后的去肉操作也产生了一种废弃物(主要由胶原组成),尽管它是一种有价值的蛋白质资源,但由于硫化物的存在使得它的回收利用和出售受到阻碍。因此,开发比传统工艺环境影响更低的脱毛新工艺,应该是优先考虑的事。在这方面,作者最近进行了研究(S. Bronco等人,2005)。所得的脱毛新工艺是以过氧化氢的使用为基础的,它使得避免使用硫化物成为可能。为了评价成革的质量(由氧化脱毛工艺制得),作者在实验室和工业规模上进行了一些试验。结果表明,在物理机械性能和技术特征方面,它与通过传统工艺制备的成革相当。此外,由于该工艺与制革厂现在安装的机器设备是相容的,它的实施是可实现的、经济的。

假设氧化脱毛工艺在技术和经济上是可行性的,本文的目的在于评价它与传统工艺相比,其环境影响的实际减少情况。为此,进行了生命周期评价(LCA)。

LCA是一种可以为产品和/或工艺的环境影响评价提供定量依据的方法。它最重要的应用包括:(i)分析生命阶段对整个环境负荷的贡献,(ii)比较为完成同一种功能而设计的产品和/或工艺。LCA最早的应用出现在二十世纪九十年代初期,一直到现在,LCA研究日益受到关注,尤其是用于产品的比较,例如:纸/陶瓷/塑料杯子,聚乙烯/纸板包装盒,塑料/镜瓶子,纸/布尿布、纸/塑料/耐用购物袋(Matthews等人,2002)。其它典型的应用还涉及到农业食品工业和能量生产领域。极好的应用可在Andersson等人(1993),Koroneos等人(2003),Ardente等人(2005)和Finnveded等人(2005)的文献中找到。相反地,在化学加工过程中很少发现它直接的应用(Munoz等人,2006),尤其是制革行业(Rius等人,2002)。

本文将氧化脱毛工艺和传统脱毛工艺进行了比较,特别集中在造成大部分环境负荷:(iNa2S的产生,(iiH2S的产生,(iiiH2S废物处理,(iv)脱毛的生命周期阶段。利用一种工业上最常用的生命周期分析软件,SimaPro 6,完成了生命周期评价(LCA)。最后,使用EDIP 97评价方法来评定环境影响。由于环境影响的评价方法主要是为制造业开发的,本文对EDIP 97进行了轻微修改,以适合制革工业的需要。

 

2 LCA的描述

LCA是一种评价产品和/或工艺在其生命周期内对环境影响的定量和客观的方法(Werzel等人,2000)。其基本思想是,项目对环境造成的影响不是仅仅取决于加工工艺,而是从设计开始,到最终处理结束。(Zabaniotou, Kassidi2002)。为此,对于产品的每个生命阶段,所有的输入(如能量、材料等)和输出(产品、废弃物、排放物等)都必须进行鉴别和量化。只有这样,才有可能客观地评价它对环境的影响。根据国际标准ISO 1400所给出的定义,LCA由四个连续的步骤为组成。它们分别是:

目的与范围的确定(ISO 14040) 目的是对使用LCA的原因进行简要地描述,而范围则是对主要的选择、假设和分析的限度进行清楚的定义。要处理的问题主要有以下几个:功能单元,是在比较期间内,用于评价所选择的两个产品的参考量。为了公平比较,功能单元应该是每个产品都履行的功能。系统边界,指定分析时所包括的单元过程(即生命阶段)。有三种可供选择的方法:(i)第一级(即仅仅考虑产品及材料的运输),第二级(即包括所有的生产过程,但不考虑设备和副产品),第三级(即也考虑设备)。分配规则,当生产过程不仅仅是输出,或者履行的不仅仅是一个功能时使用。在这些情况下,必须详细说明工艺的环境负荷在它的几个输出中是怎样分配的。

生命周期清单分析(ISO 14041) 在生命周期清单分析(LCI)过程中,要制造一个模型来描绘用于生产、运输、使用和处理产品的技术体系。这导致了一个流程图,它包含整个生命周期中所有的单元过程。而且,对于每一个单元过程,所有的流入物和流出物必须定量(以体积或质量计),并列人不同的环境种类、相关的资源利用、人体健康和生态领域。

生命周期影响评价(ISO 14042)为了确定哪个流程更重要,以及它们贡献的大小,必须对LCI的数据进行解释。为此,要使用一个环境机理模型,用来建立环境负载与已知的暴露于人和生态的途径之间的关系。利用几个环境机理,可以将LCI结果转化成许多所关心的环境问题(即影响种类),例如,酸化、臭氧破坏、气候改变、富营养化等。那样,通过表达与参考量相关的影响的等价系数,就可以评价一个参数对某个影响种类的贡献。例如,CO2是“气候改变”类的参考量,CH4等价系数是42(即1Nm3CH4的贡献是排放1Nm3 CO242倍)。很明显,等价系数的测定是最困难的,也是有争议的步骤,但是,经常是可以通过使用专门开发的标准程序(CML2EDIPECO-指数器)来克服的。最后,结果被标准化,用来描述它们与背景影响有关的大小,通常是用每人的平均影响来表示。

解释与改善(ISO 14043)最后一步主要包括所得结果的确认,以及开发可行的解决办法,以减少总的影响。

 

3方法

考虑到本文的目的是比较两种工艺的环境影响,而且两种工艺只有输出和输入的变化,我们在相对项中采用了第三级方法来完成LCA。图1清楚地表示出了要分析的主要阶段。

 就皮革生产工艺而言,主要的差异在于脱毛阶段所需的输入物。相反,能量流、所需的机械设备和副产物都没有发生变化。另外一个大的差异是,传统工艺需要一个体系来消除脱毛过程中所产生的H2S,而当采用氧化脱毛工艺后,使用过氧化氢代替硫化钠,这一步则完全可以省略了。请注意,这儿所考虑的系统边界包括脱毛工序所使用的化工材料的生产。实际上,根据LCA的基本原理,发生在一个项目生命周期的所有环境影响都必须考虑。如果不这样做,比较就不是在平等的基础上进行的,因为脱毛工序上游的环境负荷被忽略了。

本文的情况尤其如此。实际上,如果系统边界不扩展到包括化工材料的生产,氧化工艺由于其废水中没有硫化物,其环境影响将会明显地比传统工艺低。

在脱毛阶段,输入物和排放物被直接收集,并列在表1中。请注意,每个污染物的量是以每公斤盐湿皮(代表本文所采用的功能单元)来计算的。

1脱毛工序的输入-输出


项目

氧化脱毛

传统脱毛

输入

Na2S

0[Kg]

0.043[Kg]

Ca(OH)2

0[Kg]

0.04[Kg]

NaOH (50%)

0.096[Kg]

0[Kg]

H2O2

0.09[Kg]

0[Kg]

输出

COD

85.9[Kg]

106[Kg]

固体悬浮物

58.73[Kg]

59.9[Kg]

氮(如NH4+

0.8[Kg]

0.6[Kg]

硫化物(如S2-

0[Kg]

4.6[Kg]

 

其它数据来自BuwalEcoinvent数据库,它们都包括在SimaPro 6软件的书库中。为了评价两个工艺的环境影响,考虑到它们对生态系统和人体健康的影响,本文考虑了以下影响种类:(i)全球变暖,(ii)臭氧破坏,(iii)酸化,(iv)富营养化,(v)光化学烟雾,(vi)水生态慢性毒性,(vii)水生态急性毒性,(viii)土壤生态慢性毒性,(ix)对人有毒的空气,(x)对人有毒的水,(xi)对人有毒的土壤,(xii)大批废弃物,(xiii)危险废弃物,(xiv)放射性废弃物,(xv)炉渣和灰,(xvi)不可再生资源。

接着,为了确定所涉及的每个环境问题的贡献,本文选择了EDIP 97影响评价方法。这种选择的动机是由于EDIP 97是比较适合于化学工艺的影响评价方法。尤其是,EDIP 97为参数所提供的等价系数与脱毛工艺LCI所包括的化工材料匹配得极好。遗憾的是,在EDIP 97标准方法中,其唯一不方便之处是它没有考虑COD参数对富营养化影响种类的影响。但是,这里所考虑的COD是用来表征化学工艺废水的主要参数之一。为了满足这些需求,我们计算了一个特别的等价系数来表示COD与参考参数(即硝酸盐)相关的环境负荷。该等价系数是0.23,并将其插补在EDIP 97CML’96影响评价方法中和所有表征富营养化影响种类的参数中。

 

4结果与讨论

影响评价的结果如图2所示。对于每一个影响种类,相对项的柱状图表示哪一个工艺具有最大的影响。以光化学烟雾种类为例,氧化工艺的影响比传统工艺低,是它的0.9倍。

如图2所示,在几个影响种类中,氧化脱毛的环境影响比传统工艺大。这是由于过氧化氢的生产占总环境影响的50%以上。

正如先前所谈到的那样,为了对结果进行公平评价,必须将数据标准化,以表示它们与已知的参考值相比的实际大小(即每人相当的影响)。标准化后的数据列在表2中。

如表2清楚所示,就脱毛工序而言,最重要的影响种类是“水生态慢性毒性”和“水生态急性毒性”。同样,很明显的是,采用氧化工艺可以大大减少这两种环境影响种类的影响。

2每个影响类别的标准化结果

影响类别

氧化脱毛

传统脱毛

全球变暖

1,96E-05

1,43E-05

臭氧破坏

1,08E-07

3,65E-07

酸化

9,73E-06

8,80E-06

富营养化

9,32E-03

6,90E-03

光化学烟雾

7,12E-06

7,69E-06

水生态慢性毒性

3,73E-04

7,00E+01

水生态急性毒性

3,68E-04

3,36E+02

土壤生态慢性毒性

6,11E-05

4,34E-06

对人有毒的空气

2,46E-06

1,29E-06

对人有毒的水

3,11E-05

3,49E-04

对人有毒的土壤

4,77E-05

2,44E-05

大批废弃物

7,91E-06

3,44E-06

危险废弃物

1,68E-07

1,43E-09

放射性废弃物

1,27E-04

4,78E-06

炉渣/

4,38E-06

7,01E-10

不可再生资源

1,00E-08

1,00E-08

5结论

作者先前开发出了一种氧化脱毛新工艺。假设它在技术和经济上是可行的,本文的目的是评价它与传统工艺相比,其环境负荷的减少情况。为此。本文进行了生命周期评价(LCA)。结果表明,对于脱毛工序,“水生态慢性毒性”和“水生态急性毒性”是受影响最大的影响种类。结果还表明,通过采用氧化脱毛工艺,可以大大减少这两种影响造成的损害。