紡織印染工業(yè)生態(tài)毒性足跡核算與評價(jià)示范

李一　牟金瑩　駱艷　王來力

摘 要：研究基于化學(xué)品足跡理論，通過一件連衣裙生態(tài)毒性足跡的定量計(jì)算和評價(jià)，分析并識別了三道印染工序優(yōu)先生態(tài)毒性足跡控制化學(xué)品以及優(yōu)先生態(tài)毒性足跡控制工序，為紡織化學(xué)品的合理應(yīng)用及管理提供可行性建議。根據(jù)不同量的化學(xué)品預(yù)測工藝鏈內(nèi)有毒化學(xué)品，優(yōu)先淘汰生態(tài)毒性足跡大的紡織化學(xué)品，尋找可替代化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的化學(xué)品管理并可協(xié)助相關(guān)部門制定決策措施，進(jìn)行全生命周期監(jiān)測。結(jié)果表明，前處理、染色、印花三道工序的生態(tài)毒性足跡分別為1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day。染料、增稠劑、熒光增白劑、還原抑制劑的最終產(chǎn)物是生態(tài)毒性足跡較大的化學(xué)品。

關(guān)鍵詞：化學(xué)品足跡;紡織印染;連衣裙;生態(tài)毒性足跡

中圖分類號：TS10

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）04-0065-06

Ecotoxicity Footprint Accounting and Assessment Demonstration of Textile Dyeing Industry

LI Yi1， MOU Jinying1， LUO Yan2， WANG Laili1

（1a.School of Fashion Design and Engineering; 1b.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology; 1c.Silk and Fashion Culture Center of Zhejiang Province， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.School of Fashion， Donghua University， Shanghai 200051， China）

Abstract：In order to provide feasible suggestions for the reasonable application and management of textile chemicals， the ecotoxicity footprint of a dress was quantitatively calculated and evaluated based on the theory of chemical footprint. Meanwhile， the priority control of chemicals and ecotoxicity in three dyeing and printing processes was analyzed and recognized. The hazardous chemicals in the process chain were predicted according to the amounts of chemicals. The textile chemicals with large ecotoxicity were eliminated preferentially. The alternative chemicals were sought to replace the textile chemicals. The sustainable chemical management was achieved， and relevant decisions and measures were made for full life circle monitoring to assist relevant departments. The results showed that ecotoxicity footprints of pretreatment， drying and printing processes were 1.43×10-1 PAF·m3·day， 1.62 PAF·m3·day and 4.11 PAF·m3·day， respectively. The final products of dye， thickener， fluorescer， reduction inhibitor were the chemicals with large ecotoxicity footprint.

Key words：chemical footprint; textile dyeing; dress; ecotoxicity footprint

化學(xué)品污染已被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為影響人類生存與發(fā)展的全球性重大環(huán)境問題之一[1]?！丁笆濉鄙鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》（國發(fā)〔2016〕65號）明確指出，中國是化學(xué)品生產(chǎn)和消費(fèi)大國，有毒有害污染物種類不斷增加，區(qū)域性、結(jié)構(gòu)性、布局性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)日益凸顯[2]。

紡織行業(yè)是最主要的化學(xué)品消費(fèi)行業(yè)之一，生產(chǎn)1kg服裝，大約需要1.5～6.9 kg的化學(xué)品[3]。其中，印染工業(yè)化學(xué)品用量位居全國工業(yè)前列，主要包括印染助劑、整理劑和染料。紡織化學(xué)品在紡織工業(yè)生產(chǎn)整個生命周期中都有可能以“三廢”形式排入生態(tài)環(huán)境中，對人類健康及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的潛在毒性影響。隨著紡織化學(xué)品種類、生產(chǎn)和消費(fèi)需求的增加，紡織產(chǎn)業(yè)對環(huán)境的影響和壓力也在不斷增長。

中國現(xiàn)行紡織化學(xué)品相關(guān)法律法規(guī)局限在源頭化學(xué)品的限用以及末端治理上，缺乏完整的基于生命周期的紡織化學(xué)品安全評估體系及風(fēng)險(xiǎn)評估工具[4]，如2002年發(fā)布國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 18401—2003《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》，對甲醛的含量進(jìn)行了限制，列出了禁用致癌芳香胺清單。2012年，環(huán)保部修訂GB 4287—2012《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，限定了COD、氨氮、總氮、總磷、可吸附有機(jī)鹵素、硫化物、苯胺類等水污染物的排放量。當(dāng)前的化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)性管理也僅指出禁用限用化學(xué)品的危害性而未能綜合性定量定性評價(jià)化學(xué)品對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，亦不能比較不同物質(zhì)不同排放量之間的毒性而提出具有針對性的管理措施?；瘜W(xué)品足跡作為足跡類指標(biāo)，可用于評估人類活動相關(guān)化學(xué)品消費(fèi)對地球環(huán)境可持續(xù)性的影響，從而實(shí)現(xiàn)由對“量”的限制到對“毒性”的管控。

事實(shí)上，紡織化學(xué)品對環(huán)境影響最重要的不在于其化學(xué)品成分，一些化學(xué)品往往本身不具有危害性或危害性不大，根源在于其降解產(chǎn)物或一系列的化學(xué)反應(yīng)，紡織印染企業(yè)化學(xué)品使用種類多、排污量大、污染物復(fù)雜，引入化學(xué)品足跡方法可量化各類化學(xué)品全生命周期毒性影響，從而識別企業(yè)優(yōu)先控制污染物、優(yōu)先控制工序，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的有效防控。

根據(jù)不同的受體，化學(xué)品足跡可分成人體毒性化學(xué)品足跡（簡稱為人體毒性足跡）和生態(tài)毒性化學(xué)品足跡（簡稱為生態(tài)毒性足跡）兩種表征形式。發(fā)展至今，化學(xué)品足跡已有多類定義。2014年，BjO′rn等[5]基于化學(xué)品污染物潛在的人體毒性、生態(tài)毒性的特征因子（Characterization Factors，CF），來評價(jià)污染物對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷，并定義化學(xué)品足跡為稀釋一種化學(xué)品物質(zhì)至其不破壞生態(tài)系統(tǒng)的濃度臨界點(diǎn)所需要的淡水量。在此定義下，2016年，Sorme等[6]以瑞典為例，基于USEtox1.01模型和歐洲轉(zhuǎn)移登記制度數(shù)據(jù)計(jì)算了排放到水體以及空氣中54種化學(xué)物質(zhì)的潛在人體毒性足跡和生態(tài)毒性足跡。2017年，Nordborg等[7]在SOrme等的研究基礎(chǔ)上使用USEtox2.01模型計(jì)算了瑞典人體毒性足跡和生態(tài)毒性足跡的最新指標(biāo)，此類定義和核算方法適用于化學(xué)品種類多而大的紡織印染行業(yè)。在中國的化學(xué)品足跡相關(guān)研究領(lǐng)域，方愷[8]將化學(xué)足跡納入足跡家族中，介紹了其概念與研究進(jìn)展。杜翠紅等[9]概述了化學(xué)品足跡的發(fā)展，討論了化學(xué)品足跡研究中存在的問題與挑戰(zhàn)。靳強(qiáng)等[10]構(gòu)建了區(qū)域人體毒性的模型與算法，論述了其可行性。錢佳鴻等[11]運(yùn)用USEtox方法對1 kg牛仔織物染整過程中的化學(xué)品足跡進(jìn)行了核算和評價(jià)。

相比國外，國內(nèi)化學(xué)品足跡相關(guān)研究較少，兩者水平差距明顯。本研究以一條滌綸連衣裙為例，基于化學(xué)品足跡理論，結(jié)合印染工序三道工藝化學(xué)品的投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)，對連衣裙的產(chǎn)品生態(tài)毒性化學(xué)品足跡進(jìn)行核算與評價(jià)示范，并對核算結(jié)果進(jìn)行可行性分析。通過最終化學(xué)品排放物的篩選和排序，進(jìn)行源頭追溯，根據(jù)各道工序的排放清單識別出污染優(yōu)先控制工序和紡織化學(xué)品種類對毒性的影響，可為開展工業(yè)生產(chǎn)過程化學(xué)品使用的全生命周期環(huán)境管理提供理論與技術(shù)支持。

1 連衣裙印染工序生態(tài)毒性足跡的 核算

1.1 核算邊界

紡織印染工藝由前處理、染色和（或）印花、后整理等幾個重要環(huán)節(jié)組成。研究核算的時間邊界為紡織產(chǎn)品的印染工序鏈，空間邊界為核算的紡織產(chǎn)品時間邊界內(nèi)所涉及化學(xué)品的投入和產(chǎn)出，印染工序涉及到的化學(xué)品主要可分為染料、助劑和其他化學(xué)品原料，最后化學(xué)品以“三廢”形式排入自然環(huán)境中，如圖1所示。

在本研究中，化學(xué)品足跡核算示范的功能單位設(shè)定為生產(chǎn)1條478 g 100%聚酯纖維的連衣裙所需要的聚酯纖維織物面料，其印染工藝的單位質(zhì)量設(shè)定為1 kg。連衣裙的印染工序鏈主要包括在拉幅機(jī)中干燥和固定合成纖維織物、用噴射機(jī)給面料做印花的前處理（以下簡稱為前處理）、在噴射染色機(jī)中對原織物材料進(jìn)行染色（以下簡稱為染色）、在旋轉(zhuǎn)印花機(jī)上進(jìn)行印花（以下簡稱為印花）等工序。

1.2 核算方法

化學(xué)品足跡核算方法借助于多介質(zhì)歸趨的生命周期影響評價(jià)（LCIA）模型，其中USEtox模型是目前生命周期評估方法中使用比較廣泛的共識模型。USEtox模型可模擬量化毒性污染物從進(jìn)入環(huán)境到產(chǎn)生人體或生態(tài)毒性的整個過程，內(nèi)嵌3000多種化學(xué)品物質(zhì)數(shù)據(jù)庫，并含有新物質(zhì)手工錄入接口，通過計(jì)算上千種物質(zhì)的人體及生態(tài)毒性影響的特征因子而量化污染物排放的毒性影響，為化學(xué)品排放的生命周期毒性影響評價(jià)提供了一個完整、透明的計(jì)算工具。2014年，郝天等[12]采用USEtox模型計(jì)算焦化污染物排放的人體及生態(tài)毒性影響，并對結(jié)果進(jìn)行排序篩選，為區(qū)域人體健康及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。

結(jié)合化學(xué)品產(chǎn)出清單及其對應(yīng)的量，可計(jì)算生產(chǎn)一件產(chǎn)品不同化學(xué)品對人體及生態(tài)造成的影響，即人體毒性足跡與生態(tài)毒性足跡。其中，單位產(chǎn)品的生態(tài)毒性足跡（ChFe，單位PAF·m3·day）計(jì)算模型為：

ChFe=∑ni=1CFi·Ei（1）

式中：i為工業(yè)生產(chǎn)最終排入環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)品種類;CFi為排入相應(yīng)環(huán)境介質(zhì)化學(xué)品i的特征因子;Ei為化學(xué)品i排入環(huán)境介質(zhì)的質(zhì)量。

1.3 核算數(shù)據(jù)

核算邊界內(nèi)印染工序鏈段的化學(xué)品投入與產(chǎn)出物質(zhì)質(zhì)量清單數(shù)據(jù)來源于瑞典未來時尚研究基金會（http：//mistrafuturefashion.com/），相關(guān)特征因子由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、環(huán)境毒理和化學(xué)學(xué)會聯(lián)合開發(fā)的USEtox2.01模型得到，模型中地理信息參數(shù)設(shè)定為歐洲，排放隔間為城市空氣和新鮮水。

USEtox模型通過結(jié)合污染物的環(huán)境歸宿因子、暴露因子、效應(yīng)因子計(jì)算得到某種特定化學(xué)物質(zhì)相對應(yīng)的特征因子，但由于紡織產(chǎn)業(yè)鏈的復(fù)雜性和紡織化學(xué)品龐大的數(shù)量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫部分特征因子缺乏，尤其是人體毒性化學(xué)品足跡特征因子。另外，USEtox模型并不涵蓋現(xiàn)有所有的化學(xué)物質(zhì)，無機(jī)物清單中僅有金屬的特征因子，例如氫氧化鈉等物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)，對環(huán)境也有一定的危害性，卻沒有被包括在USEtox模型中，致使研究中部分化學(xué)品的特征因子缺失。研究在USEtox2.01的基礎(chǔ)上，結(jié)合Roos等提出的紡織化學(xué)品特征因子數(shù)據(jù)來源選擇策略，即通過數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和優(yōu)先順序在有效域盡可能為物質(zhì)提供可靠的特征因子的方法補(bǔ)全了缺失的化學(xué)品生態(tài)毒性特征因子[13]。表1列舉了印花工序相關(guān)化學(xué)品的排放量及其特征因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)先生態(tài)毒性足跡控制化學(xué)品

根據(jù)已獲取的排放數(shù)據(jù)清單，計(jì)算得到紡織印染前處理、染色和印花三道工序中每種化學(xué)品的生態(tài)毒性足跡，并對結(jié)果進(jìn)行排序，如圖2所示。

前處理工序丙烯酸異丁酯的生態(tài)毒性足跡占據(jù)了整個工序的75.7%，主要來源于熒光增白劑Ultravon EL，少部分來源于勻染劑Breviol PAM-N（圖2（a））。熒光增白劑在動物體內(nèi)不會被吸收，仍以排泄物的方式存留在生態(tài)系統(tǒng)中，經(jīng)過一系列反應(yīng)后產(chǎn)生的丙烯酸異丁酯及醇乙氧基化物有一定的毒性，對環(huán)境有影響。醇乙氧基化物最終排放到環(huán)境介質(zhì)中的質(zhì)量為1.13×10-5 kg，是草甘膦的1/4，但最終的生態(tài)毒性足跡位居第二，超過了草甘膦。由于草甘膦分子結(jié)構(gòu)中含有磷酸基、羧基、氨基等，這些基團(tuán)具有較強(qiáng)的絡(luò)合金屬的能力，在一定程度上也能降低重金屬對生物的毒性和有效性[13]，因此特征因子數(shù)值（3.61×102PAF·m3·day/kgemitted）明顯小于醇乙氧基化物（1.64×103PAF·m3·day/kgemitted）。進(jìn)入環(huán)境中的甲醛在物理、化學(xué)和生物等的共同作用下可以被逐漸稀釋氧化和降解，作為丙烯酸分散體其質(zhì)量只有1.56×10-7 kg，因此生態(tài)毒性足跡并不顯著，只占了前處理工序總生態(tài)毒性足跡的0.04%。

染色工序的化學(xué)品生態(tài)毒性足跡呈3個等級分布，雷馬素的生態(tài)毒性足跡最大，四聚丙烯基苯磺酸鈉、脂肪酸類、丙烯酸異丁酯、醇乙氧基化物、氫氧化鈉的生態(tài)毒性足跡處于中等水平，N，N-二甲基乙酰胺、草甘膦、碳酸鈉、亞硫酸鈉、硫酸銨、醋酸、二甘醇一乙醚、甲醛的生態(tài)毒性足跡較?。▓D2（b））。其中，雷馬素的生態(tài)毒性足跡為8.94×10-1PAF·m3·day，貢獻(xiàn)率超過了55%，主要來源于工藝過程中使用的一種黑色分散染料Terasil Black WS-N，還有極小部分是從水處理設(shè)施中分離出來的。染料的環(huán)保性一直是染料行業(yè)和印染行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，是印染行業(yè)優(yōu)先管控的化學(xué)品之一，但配方的保密性給管控帶來了難點(diǎn)。聚酯彈性織物要求染色牢度與彈性損傷之間謀求協(xié)調(diào)，使用的分散染料要易被還原清洗，因此助劑的還原性要強(qiáng)，而還原抑制劑Cibatex AR的最終產(chǎn)物四聚丙烯基苯磺酸鈉不易生物降解，進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)對生態(tài)環(huán)境影響較大，因此其生態(tài)毒性足跡（2.11×10-1PAF·m3·day）占據(jù)了染色工序的13.04%，位居第二。對比無機(jī)物，氫氧化鈉生態(tài)毒性足跡較大，達(dá)1.00×10-1PAF·m3·day，是其他無機(jī)物總和的7.3倍，在紡織工業(yè)氫氧化鈉被用于纖維的處理和染色，作為一種強(qiáng)堿對生態(tài)環(huán)境具有腐蝕性，是印染廢水中需要中和處理的優(yōu)先考慮物質(zhì)。

印花工序丙烯酸異丁酯生態(tài)毒性足跡為3.25 PAF·m3·day，位居第一且占據(jù)印花工序總生態(tài)毒性足跡的79.12%，是雷馬素的4.2倍（圖2（c））。不同于前處理及染色工序的來源，印花工序的丙烯酸異丁酯是兩種增稠劑Alcoprint DT-CS和Lyoprint AIR 1∶1的產(chǎn)物。由于滌綸是一種疏水性纖維，具有熱塑性，表面光滑，因此選用的增稠劑應(yīng)有良好的黏著性和易洗滌性。在涂料印花中，增稠劑可多方面協(xié)調(diào)乳膠漆的增稠、穩(wěn)定及流變性能，增稠劑大多屬于親水性高分子化合物，此次核算清單所用的為適用于印花的合成增稠劑Alcoprint DT-CS以及水性丙烯酸分散體脫泡劑Lyoprint AIR 1∶1。由柔軟劑Sapamine FPG產(chǎn)生的脂肪酸類，N，N-二甲基乙酰胺生態(tài)毒性足跡只占據(jù)了印花工序總生態(tài)毒性足跡的0.83%，影響不大。

通過上述分析可將染料以及助劑中的增稠劑、還原抑制劑列為印染行業(yè)優(yōu)先管控的投入化學(xué)品。

2.2 優(yōu)先生態(tài)毒性足跡控制工序

紡織印染三道工序的總生態(tài)毒性足跡，以及每道工序中每種化學(xué)品的貢獻(xiàn)值如圖3所示。前處理、染色、印花三道工序的生態(tài)毒性足跡分別為1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day，能明顯比較出連衣裙紡織印染核算示范模塊的工序生態(tài)毒性足跡大小為印花>染色>前處理。其中，染色工序和印花工序投入的化學(xué)品量分別為0.52 g和0.485 g，差值不大，但印花工序的總生態(tài)毒性足跡是染色工序的2.53倍。原因在于印花工序中增稠劑的使用量對生態(tài)毒性影響較大。在印花工序中，作為印花色漿的增稠劑可以保證花紋的輪廓光潔度，使印花色漿中的各個組分能均勻地分散在原糊中，對染料的傳遞起到載體的作用，保證印花色漿被附著在花筒凹紋內(nèi)，是該工序中必不可少的化學(xué)品。

化學(xué)品生態(tài)毒性足跡的計(jì)算結(jié)果也表明各工序的優(yōu)先控制化學(xué)品不同，如染色和印花工序中丙烯酸異丁酯和雷馬素均為優(yōu)先生態(tài)毒性足跡控制化學(xué)品，但在染色工序中雷馬素的生態(tài)毒性足跡（8.94×10-1PAF·m3·day）大于丙烯酸異丁酯（1.08×10-1PAF·m3·day），而在印花工序中丙烯酸異丁酯（3.25 PAF·m3·day）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷馬素（7.69×10-1PAF·m3·day）。另外，丙烯酸異丁酯在三道工序中的生態(tài)毒性足跡都較大，而雷馬素在染色和印花工序中的生態(tài)毒性足跡較大。

對比三道工序產(chǎn)出化學(xué)品中醇乙氧基化物的生態(tài)毒性足跡，得到染色>前處理>印花。醇乙氧基化物主要來源于三道工序中使用的增白劑和清洗劑。前處理過程使用了熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Invatex CS，但清洗劑Invatex CS不分解產(chǎn)生醇乙氧基化物，其單一來源為熒光增白劑Ultravon EL。染色工序除了使用熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Invatex CS外，還使用了清洗劑Cibapon OS，因而醇乙氧基化物來源于熒光增白劑Ultravon EL和清洗劑Cibapon OS，印花工序僅使用了清洗劑Cibapon OS。Invatex CS作為一種堿土金屬離子和重金屬離子的絡(luò)合劑，主要用于合成纖維的洗滌和退漿過程，Cibapon OS則能改變沾污在織物上的分散染料的平衡狀態(tài)，使沾色的分散染料容易轉(zhuǎn)向液體，更易于清洗。根據(jù)上述分析，通過化學(xué)品足跡的核算可比較出不同紡織化學(xué)品的毒性大小。在同等作用條件下，優(yōu)先選擇毒性小的化學(xué)品，可有效降低紡織印染工業(yè)生產(chǎn)過程對環(huán)境造成的生態(tài)毒性影響。

3 結(jié) 論

化學(xué)品足跡作為定量評價(jià)化學(xué)品對環(huán)境潛在影響的工具，可為紡織印染工業(yè)化學(xué)品的合理應(yīng)用及全生命周期管理提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。研究基于化學(xué)品足跡理論對連衣裙工業(yè)生產(chǎn)中印染工序的生態(tài)毒性足跡進(jìn)行了核算和評價(jià)，主要結(jié)論如下：

a）100%聚酯纖維連衣裙印染工序中前處理、染色、印花三道工序的總生態(tài)毒性化學(xué)品足跡為5.87 PAF·m3·day，其中印花工序生態(tài)毒性化學(xué)品足跡最大，占比約為69.96%。增稠劑是最大的毒性源，占比約為79.12%。

b）不同種類清洗劑的最終產(chǎn)物不同，其生態(tài)毒性足跡也不同。通過定量比較生產(chǎn)印染助劑的原料、印染助劑本身，以及印染助劑使用過程中所產(chǎn)生的污染物的生態(tài)毒性足跡，預(yù)測工藝鏈內(nèi)有毒化學(xué)品，進(jìn)一步指導(dǎo)企業(yè)采用低毒低害甚至無毒無害的紡織化學(xué)品，既可以從源頭實(shí)現(xiàn)紡織化學(xué)品的有效管控，又可以從末端排放端進(jìn)行毒性管控。

c）染料、增稠劑、熒光增白劑、還原抑制劑的最終產(chǎn)物是生態(tài)毒性足跡比較集中的化學(xué)品。通過比較同一種類不同供應(yīng)商的紡織化學(xué)品生態(tài)毒性足跡大小，尋找可替代化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的化學(xué)品管理，并可協(xié)助相關(guān)部門制定決策措施，進(jìn)行全生命周期管控。

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