隨著產(chǎn)量的增加，聚合物已經(jīng)成為主要的廢棄物源之一，對環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。目前很多國家陸續(xù)制定了產(chǎn)品的環(huán)境指令和法規(guī)，要求生產(chǎn)者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)廢棄產(chǎn)品的3R（再利用，回收及減少廢棄：reuse, recycle and reduce）處理，其中聚合物占據(jù)了相當(dāng)大的比重。日本在2001年實(shí)施了家用電器回收法（HARL），歐盟在2005年4月實(shí)施了WEEE指令，并將在2006年7月實(shí)施RoHS指令。中國的類似指令也正在制定中，預(yù)計(jì)很快即將實(shí)施。
所有這些指令法規(guī)都要求生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品較高的循環(huán)再利用比率，并降低產(chǎn)品最終的廢棄量。圖1顯示了歐洲目前常用電器產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)的不同材料的回收重利用比率。從中可以很明顯地看出，聚合物材料的回收，已經(jīng)成為制約產(chǎn)品整體環(huán)境指令匹配度的瓶頸。這就要求在聚合物的開發(fā)和生產(chǎn)過程中，除了考慮材料本身的性能和成本外，還要充分考慮到材料的可回收性及環(huán)境影響。本文把材料的可回收性和環(huán)境影響統(tǒng)稱為綠色度，但很多時(shí)候材料的可回收性和環(huán)境影響并不完全一致，這在金屬材料中尤其明顯。金屬材料具有很好的可回收性，但在加工和回收過程中卻會產(chǎn)生很大的環(huán)境污染影響。
圖1 歐洲電器產(chǎn)品中不同材料的回收現(xiàn)狀 |
基于3R的聚合物生命周期
3R表示為增加重利用（Reuse）和回收（Recycle）的比例，減少（Reduce）最終廢棄。對于產(chǎn)品來說，重利用表示產(chǎn)品部件直接投入新產(chǎn)品的生產(chǎn)或舊產(chǎn)品的維護(hù)；回收表示材料的循環(huán)再利用；而廢棄表示不能進(jìn)入下一階段生產(chǎn)的部分材料。而從聚合物材料的角度說，這個(gè)概念則需要重新設(shè)定：重利用是指材料可以不需要增加其它組分直接投入下一階段生產(chǎn)；回收是指材料增加了其它組分進(jìn)行改性后投入下一階段生產(chǎn)；而廢棄是指回收聚合物的性能已經(jīng)不能滿足再生產(chǎn)的需要。在此一階段，如何減少最終的固體廢棄物是減少（Reduce）的關(guān)鍵。聚合物的生命周期過程如圖2（a）所示，圖2（b）顯示了聚合物在生命周期過程中的性能變化。其中時(shí)間點(diǎn)Tm表示聚合物進(jìn)入回收（Recycle）階段的時(shí)間，時(shí)間點(diǎn)Tn表示聚合物進(jìn)入廢棄階段的時(shí)間。
圖2 聚合物的生命周期過程 |
聚合物綠色度評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)
聚合物的綠色度評價(jià)包括以下幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。這些指標(biāo)并不是相互孤立的，而是互相聯(lián)系、互相影響的。基于這些指標(biāo)的分析，可以為聚合物材料綠色度的定量評價(jià)建立一個(gè)框架體系。
材料本身包含附加危險(xiǎn)物含量
為了增強(qiáng)聚合物的應(yīng)用性能及開發(fā)新材料，通常需要對聚合物進(jìn)行添加材料改性。但是RoHS及同類法律的實(shí)施，對聚合物的添加材料提出了限制。要求生產(chǎn)者在研制、生產(chǎn)聚合物材料時(shí)，必須限制在材料中使用鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等有害物質(zhì)。即使由于原材料原因或生產(chǎn)過程中導(dǎo)致了有害物質(zhì)殘留，也要嚴(yán)格將含量控制在規(guī)定的百分比內(nèi)。從增加材料的可循環(huán)使用性能角度考慮，不僅要考慮到當(dāng)前材料的危險(xiǎn)物含量，還要考慮到回收再使用時(shí)材料的危險(xiǎn)物含量，以保證材料能夠達(dá)到法令要求而投入再生產(chǎn)。
表1 PET、PVC及HCM回收材料與新材料的性能對比 表2 PET、PE回收的殘留附加物 |
回收再利用的聚合物材料性能必然產(chǎn)生變化，把這種變化控制在較小范圍，是延長材料循環(huán)使用周期的有效手段。這不僅和材料本身有關(guān)，也和加工方法、使用環(huán)境及回收方法有重要關(guān)系。表1是三種聚合物回收材料與新材料的性能對比。從評價(jià)體系來說，一種材料回收后的性能和新材料相比變化越小，這種材料的循環(huán)利用可能性越大，從而綠色度越好。
材料的殘留附加物含量
在聚合物生產(chǎn)使用中，除考慮有害物質(zhì)控制以外，還要考慮到其它附加物質(zhì)殘留。由于這些殘留物質(zhì)無法在回收處理中和聚合物本體分離，將進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)過程，所以殘留附加物的含量同樣是產(chǎn)品綠色度評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。
圖3 聚合物材料的兼容性 圖4 LCA程序及相關(guān)數(shù)據(jù)庫 |
降低聚合物的殘留附加物是提高材料綠色度的重要途徑，其中包括合理控制改性添加劑的種類與數(shù)量，加強(qiáng)對回收材料的清洗和去污，以及控制聚合物的降解進(jìn)程。
材料的兼容性
聚合物的兼容性不僅指聚合物本體和添加物，而且指回收過程中與其它可能混合的混合物的兼容性。由于在產(chǎn)品回收過程中并不能夠很嚴(yán)格地區(qū)分不同種類的聚合物，所以很多時(shí)候會有幾種聚合物同時(shí)進(jìn)入回收處理程序。圖3列舉了不同種類聚合物相互之間的兼容性。其中數(shù)值1和2表示兼容性較好，數(shù)值3和4表示兼容性較差。和其它材料兼容性好的聚合物相對回收較為容易，綠色度也就相對較高。
LCA分析
不同聚合物材料在生產(chǎn)處理過程中會產(chǎn)生不同的環(huán)境影響，這種影響可以通過LCA（產(chǎn)品生命周期評定）進(jìn)行定量計(jì)算。圖4為我們開發(fā)的LCA分析數(shù)據(jù)庫。分別以1KgPP和HDPE為例，對制造過程所消耗的原油，排出的CO2和廢水進(jìn)行LCA分析，結(jié)果如表3所示。
表3 HDPE和PP的LCA分析結(jié)果 |
生產(chǎn)回收工藝
LCA分析只是顯示了材料在生成中產(chǎn)生的環(huán)境影響，在評價(jià)聚合物的綠色度的時(shí)候，則要將LCA分析結(jié)果和前面的幾個(gè)判斷指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行綜合評價(jià)。全面考慮產(chǎn)品生產(chǎn)、回收及廢棄情況，才是對材料全面的綠色評價(jià)。
在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，采用一步法和兩步法所導(dǎo)致的環(huán)境影響顯然不同。在這方面，加工性能好、可以一步法成型的材料在產(chǎn)品生產(chǎn)方面，綠色度就要好于加工性能不好的材料。
在回收階段，機(jī)械法回收的環(huán)境影響要大大小于化學(xué)法。
在廢棄階段，不僅單純焚燒和再能源化所產(chǎn)生的環(huán)境評價(jià)結(jié)果截然不同，就是焚燒處理中單獨(dú)焚燒或共焚燒的不同選擇，也會導(dǎo)致不同的環(huán)境影響。
結(jié)論
聚合物材料的生命周期是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。要準(zhǔn)確分析評價(jià)聚合物的綠色度，就需要對材料的整個(gè)生命周期進(jìn)行全面的考慮。本研究從5個(gè)方面對聚合物材料進(jìn)行了分析，以初步建立一個(gè)較全面的聚合物綠色度評價(jià)體系。如何確定各方面指標(biāo)的定量評價(jià)方法，如何合理確定各指標(biāo)在整體評價(jià)體系中的權(quán)重，是下一階段的工作重點(diǎn)。
北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 張冰
（轉(zhuǎn)載）
