基于生命周期評價技術研究全鐵含量測定對環(huán)境的影響

鄭建國，彭速標*，楊　蓓，蘇彩珠，肖　前，蕭達輝，蔡慧華

(1.廣東出入境檢驗檢疫局，廣東　廣州　510623；2.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院，廣東　佛山　528216)

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基于生命周期評價技術研究全鐵含量測定對環(huán)境的影響

鄭建國1，彭速標1*，楊蓓1，蘇彩珠1，肖前1，蕭達輝1，蔡慧華2

(1.廣東出入境檢驗檢疫局，廣東廣州510623；2.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院，廣東佛山528216)

摘要：利用生命周期評價軟件SimaPro7和環(huán)境影響評價模型IMPACT 2002+,通過對化學分析方法的清單分析及計算,評價和比較了3種測定鐵礦中全鐵含量的化學分析方法(酸溶法、堿熔法、微波消解法)對人類健康、生態(tài)質量、氣候變化及資源消耗等的影響。發(fā)現(xiàn)3個方法對環(huán)境的影響主要集中于人類健康危害、氣候變化和資源消耗方面。通過計算3種方法的生命周期單一環(huán)境負荷值，發(fā)現(xiàn)堿熔法、酸溶法和微波消解法的單一環(huán)境負荷值分別為1.97，1.81，0.07 mPt，對環(huán)境總體的影響，堿熔法和酸溶法分別為微波消解法的28倍和26倍。單獨對人類健康危害指標而言，堿熔法為1.15 mPt，酸溶法為1.07 mPt，微波消解法僅為0.039 6 mPt。堿熔法、酸溶法和微波消解法的碳足跡分別為5.12，4.62，0.189 kg CO2eq。說明微波消解法排放量最小，其環(huán)境友好性最佳，值得推薦。

關鍵詞：化學分析方法；生命周期評價；鐵礦

針對同一種化學物質的分析檢測，往往有多種分析方法。如對鐵礦中全鐵含量的測定有酸溶、堿熔、微波消解等方法[1-5]。如何從眾多的分析方法中優(yōu)選出更綠色、環(huán)境性能更好的檢測方法，需要對這些方法本身的環(huán)境負荷與環(huán)境影響進行定量的評價研究。

近年來，歐美眾多科研機構都嘗試構建和評價綠色化學實驗室，主動對本組織的溫室氣體排放進行盤查，以尋找節(jié)能的機會。在發(fā)達國家，生命周期評價技術(Life cycle assessment,LCA)[6-21]作為一種重要的環(huán)境管理工具已逐漸發(fā)展成為國際公認的環(huán)境管理標準(ISO 14040 和 ISO 14044)[22-23]，并應用于指導企業(yè)進行清潔生產、開發(fā)綠色產品、綠色工藝以及材料的環(huán)境協(xié)調性設計，但專門針對綠色化學工藝的生命周期評價的專題研究較少，關于“綠色化學分析方法”的研究更是空白。本文利用生命周期評價技術，按照ISO14040和ISO14044，用生命周期評價軟件工具SimaPro7及其內置的評價模型IMPACT 2002+(Impact Assessment of Chemical Toxics)，對3種測定全鐵含量化學分析方法(酸溶、堿熔、微波消解)的環(huán)境影響進行綜合評價，以期尋求一種排放量最小、環(huán)境友好型的化學分析方法。

1實驗部分

1.1目的和功能單位

本研究的目的是分析、比較3種全鐵含量化學分析方法(酸溶法、堿熔法、微波消解法)的環(huán)境性能，并以“符合一次完整的全鐵含量測定的化學分析方法”為一個功能單位。

1.2系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)邊界決定著生命周期的評價結果。以酸溶法為例，將《鐵礦石 全鐵含量的測定 三氯化鈦還原法》(GB/T 6730.5-2007)[1]中的操作步驟，分解成一系列的單元過程：稱重、酸溶、過濾及清洗、碳化灰化、除硅、熔融、再次酸溶、滴定、器皿清洗等(見圖1)；同樣，堿熔法[1]和微波消解法[5]也分解成一系列的單元過程。

圖1　酸溶工藝的系統(tǒng)邊界

本研究不包括下列項目的環(huán)境負荷：①固定資產，包括儀器、設備、器皿，以及實驗室所占用的建筑物；②實驗室樓面提供的冷氣、暖氣、通風、照明等；③化學試劑的儲存和運輸過程；④投入的人力；⑤樣品的采集和制備過程。

1.3清單分析

1.3.1數(shù)據(jù)收集的準備清單分析首先要繪制化學分析方法流程圖，描繪所有的單元過程及其間的相互關系(見圖1)；然后詳細表述每個單元過程并列出與之相關的數(shù)據(jù)類型；編制清單；針對每種數(shù)據(jù)類型，進行數(shù)據(jù)收集技術和計算技術的表述。此外對特殊情況、異常點和其他問題給予明確的文件記錄。

1.3.2收集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可分成自有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。自有數(shù)據(jù)包括被測試樣品的質量、化學試劑的投入量、物質的逸散和揮發(fā)量、廢棄物的產生量以及各儀器設備的耗電量和耗水量等。這些數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場測試收集。數(shù)據(jù)庫中獲取的數(shù)據(jù)包括各種化學試劑和某些原材料本身的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)，如一度電的環(huán)境負荷數(shù)據(jù)。對于缺失的數(shù)據(jù)，盡可能尋找相似的單元過程，進行數(shù)據(jù)替代；或通過查閱相關文獻，以及各類專業(yè)數(shù)據(jù)庫，自建模型，計算補充。

1.3.3數(shù)據(jù)的計算在LCA工具軟件SimaPro7中建模，輸入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸入完畢后，軟件自動生成一份某產品或工藝的生命周期環(huán)境負荷清單。

1.4環(huán)境影響評價

環(huán)境影響評價是對清單分析中辨識出的環(huán)境負荷所造成的環(huán)境影響作定性或定量的描述和評估。環(huán)境影響評價包括3個基本步驟：特征化、標準化和加權。

本研究直接調用SimaPro7軟件自帶的環(huán)境影響評價模型IMPACT2002+，對3種測定全鐵含量化學分析方法(酸溶、堿熔和微波消解)的環(huán)境影響進行綜合評價。分別將3種分析方法使用到的物料、能源，以及排放的廢液和廢氣，作為原始數(shù)據(jù)輸入。利用SimaPro7軟件，將3種方法對環(huán)境影響轉化為一系列主題影響的特征化結果(如致癌、水生態(tài)毒性、陸地生態(tài)毒性、臭氧層破壞、酸化、富營養(yǎng)化、土地占用、全球溫室效應等)，通過標準化步驟，將化學分析方法所產生的不同類型特征化結果的環(huán)境影響，按嚴重程度排序，使用權重進行單一計分，從而得到3種化學分析方法在同一平臺下的環(huán)境影響結果。

2結果與討論

2.1數(shù)據(jù)收集

根據(jù)《GB/T 6730.5-2007鐵礦石 全鐵含量的測定 三氯化鈦還原法》[1]中“7.5.1.1”酸溶法測定鐵礦石中全鐵含量、《GB/T 6730.5-2007鐵礦石 全鐵含量的測定 三氯化鈦還原法》[1]中“7.5.1.2”堿熔法測定鐵礦石中全鐵含量和《微波消解法測定鐵礦石中全鐵含量》[5]收集數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)邊界已確定(見“1.2”)，因此只收集測定方法的輸入數(shù)據(jù)(包括試劑、能源)，結果見表1。將表1的數(shù)據(jù)輸入SimaPro7中，得到3種方法的特征化結果。

表1　化學分析方法的輸入

2.2特征化

利用SimaPro7軟件IMPACT2002+評價模型給出3種方法對環(huán)境影響轉化為一系列主題影響的特征化結果(見表2)。

表2　化學分析方法的特征化

IMPACT2002+評價模型所涉及的環(huán)境影響類別包括：致癌物質、非致癌物質、可吸入性無機物、電離輻射、臭氧層破壞、可吸入性有機物、水生生態(tài)毒性、陸地生態(tài)毒性、陸地酸化/營養(yǎng)化、土地占用、水體酸化、水體富營養(yǎng)化、溫室效應、不可再生能源、礦物開采等15個方面。

在所有15個類別的環(huán)境損害中，微波消解法的環(huán)境損害值最小，堿熔法的環(huán)境損害值最大。

2.3標準化(歸一化)

標準化是依據(jù)平均每人在某段期間內所引起的效應，再給予一權重，其效應值為特征化后的結果再乘上標準化步驟所給予的權重，目的是提供不同環(huán)境問題的相對比較值。標準化因子是每單位排放量的影響值除以在該損害類別的所有物質的影響值的總量，以每人每年表示。因此標準化因子的單位為pers/year/單位排放量，即一年內單位排放量影響人員的數(shù)量。

標準化時將環(huán)境危害值乘上數(shù)據(jù)庫內嵌的標準化因子，可得到標準化值，方便比較。通過標準化步驟，將化學分析方法所產生的不同類型的環(huán)境影響，按嚴重程度排序?；瘜W分析方法的標準化結果見圖2。

圖2　化學分析方法的標準化

圖2顯示，3種化學分析方法所產生的環(huán)境影響主要集中在3個方面：可吸入性無機物排放、溫室效應和不可再生能源的消耗。其中，在可吸入無機物排放方面表現(xiàn)尤為突出，其次是溫室效應，再次是不可再生能源的消耗。前者涉及人類健康，后兩者涉及地球資源的消耗。在這3個類別的環(huán)境影響中，堿熔法表現(xiàn)最為嚴重，酸溶其次，微波消解最小。微波消解使用的試劑種類少，有毒物質少，是一種綠色的化學方法。

2.4單一環(huán)境負荷值

根據(jù)標準化結果和內嵌的權重，利用SimaPro7 軟件計算得出各化學分析方法的生命周期單一環(huán)境負荷值(見圖3)。

圖3　化學分析方法單一環(huán)境負荷值

就人類健康危害而言，堿熔法得分最高(1.15 mPt)，酸溶法次之(得分1.07 mPt)，微波消解法得分最低(僅為0.039 6 mPt)。由此可見，單獨就人類健康危害指標而言，堿熔法是微波消解的29倍，酸溶法是微波消解法的27倍。

從單一計分(單一環(huán)境負荷)來講，堿熔法同樣得分最高，總分達1.97 mPt，酸溶法其次，總分為1.81 mPt，微波消解法得分最低，僅0.07 mPt。堿熔法對環(huán)境的影響是微波消解法的28倍，酸溶法對環(huán)境的影響是微波消解法的26倍。說明微波消解法排放量最小，其環(huán)境友好性最佳。因此，微波消解法在三者間是最環(huán)保安全的方法，值得推薦。

2.5碳足跡

計算堿熔法、酸溶法和微波消解法的碳足跡分別為5.12 kg CO2eq，4.62 kg CO2eq和0.189 kg CO2eq。從溫室氣體排放的結果來看，堿熔法是微波消解法的27倍；酸溶法是微波消解法的24倍。結果表明,微波消解法是一種環(huán)境友好型的化學分析方法。

3結論

通過比較計算3種化學分析方法對環(huán)境的影響及其碳足跡，發(fā)現(xiàn)微波消解法表現(xiàn)最優(yōu)，而酸溶法略優(yōu)于堿熔方法。從單一環(huán)境負荷值比較，堿熔法對環(huán)境的影響是微波消解法的28倍，酸溶法對環(huán)境的影響是微波消解法的26倍。單獨就人類健康危害指標而言，堿熔法是微波消解法的29倍；酸溶法是微波消解法的27倍。作為一種高效的現(xiàn)代樣品前處理技術，微波消解法具有溶樣速度快、能耗低、試劑消耗少和環(huán)境影響小等特點，是一種值得大力推廣的綠色技術。

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Study on Environmental Impacts of Determination of Total Iron Content Based on Life Cycle Assessment TechniqueZHENG Jian-guo1,PENG Su-biao1*,YANG Bei1，SU Cai-zhu1,XIAO Qian1,XIAO Da-hui1,CAI Hui-hua2

(1.Guangdong Entry-Exit Inspection & Quarantine Bureau,Guangzhou510623，China;2.Guangdong

Vocational College of Environmental Protection Engineering,Foshan528216，China)

Abstract：Through inventory modeling and calculating,three kinds of chemical analytical method for the determination of total iron content in iron ores(acid dissolution method,alkali fusion method and microwave digestion method) were assessed and compared in the respects of human health,ecosystem quality,climate change and resource consumption by means of life cycle assessment(LCA)software SimaPro7 and assessment mode IMPACT 2002+(IMPact Assessment of Chemical Toxics).With the assessment of three methods,it is found that human health,climate change and resource consumption are the main impacts on the environment.The single score assessment of life cycle of the above chemical analysis procedures were calculated and the results are 1.97,1.81,0.07 mPt for the alkali fusion method,acid dissolution method and microwave digestion method,respectively.The environmental impacts of alkali fusion method and acid dissolution method are respectively 28 times and 26 times of that of microwave digestion method.For human health hazard,the single score assessments of the alkali fusion method,acid dissolution method and microwave digestion method are 1.15,1.07,0.039 6 mPt,respectively.The carbon footprints for the alkali fusion method,acid dissolution method and microwave digestion are 5.12,4.62,0.189 kg CO2eq,respectively.It suggests that the emissions of microwave digestion method are the minimum and it could be called the most environmental friendly method.Compared to the alkali fusion method and the acid dissolution method,microwave digestion method obviously has more advantages,and is worth to be recommended as the best chemical analytical method.

Key words：chemical analytical method;life cycle assessment(LCA);iron ores

中圖分類號：X828

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4957(2015)12-1419-06

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2015.12.016

通訊作者：*彭速標，碩士研究生，研究員，研究方向：化學分析技術，Tel:020-38290360，E-mail:pengsb@iqtc.cn

基金項目：國家質檢總局資助項目(2014IK261)

收稿日期：2015-09-30；修回日期：2015-11-13