基于生命周期评价技术研究全铁含量测定对环境的影响

郑建国，彭速标*，杨　蓓，苏彩珠，肖　前，萧达辉，蔡慧华

(1.广东出入境检验检疫局，广东　广州　510623；2.广东环境保护工程职业学院，广东　佛山　528216)



基于生命周期评价技术研究全铁含量测定对环境的影响

郑建国1，彭速标1*，杨蓓1，苏彩珠1，肖前1，萧达辉1，蔡慧华2

(1.广东出入境检验检疫局，广东广州510623；2.广东环境保护工程职业学院，广东佛山528216)

摘要：利用生命周期评价软件SimaPro7和环境影响评价模型IMPACT 2002+,通过对化学分析方法的清单分析及计算,评价和比较了3种测定铁矿中全铁含量的化学分析方法(酸溶法、碱熔法、微波消解法)对人类健康、生态质量、气候变化及资源消耗等的影响。发现3个方法对环境的影响主要集中于人类健康危害、气候变化和资源消耗方面。通过计算3种方法的生命周期单一环境负荷值，发现碱熔法、酸溶法和微波消解法的单一环境负荷值分别为1.97，1.81，0.07 mPt，对环境总体的影响，碱熔法和酸溶法分别为微波消解法的28倍和26倍。单独对人类健康危害指标而言，碱熔法为1.15 mPt，酸溶法为1.07 mPt，微波消解法仅为0.039 6 mPt。碱熔法、酸溶法和微波消解法的碳足迹分别为5.12，4.62，0.189 kg CO2eq。说明微波消解法排放量最小，其环境友好性最佳，值得推荐。

关键词：化学分析方法；生命周期评价；铁矿

针对同一种化学物质的分析检测，往往有多种分析方法。如对铁矿中全铁含量的测定有酸溶、碱熔、微波消解等方法[1-5]。如何从众多的分析方法中优选出更绿色、环境性能更好的检测方法，需要对这些方法本身的环境负荷与环境影响进行定量的评价研究。

近年来，欧美众多科研机构都尝试构建和评价绿色化学实验室，主动对本组织的温室气体排放进行盘查，以寻找节能的机会。在发达国家，生命周期评价技术(Life cycle assessment,LCA)[6-21]作为一种重要的环境管理工具已逐渐发展成为国际公认的环境管理标准(ISO 14040 和 ISO 14044)[22-23]，并应用于指导企业进行清洁生产、开发绿色产品、绿色工艺以及材料的环境协调性设计，但专门针对绿色化学工艺的生命周期评价的专题研究较少，关于“绿色化学分析方法”的研究更是空白。本文利用生命周期评价技术，按照ISO14040和ISO14044，用生命周期评价软件工具SimaPro7及其内置的评价模型IMPACT 2002+(Impact Assessment of Chemical Toxics)，对3种测定全铁含量化学分析方法(酸溶、碱熔、微波消解)的环境影响进行综合评价，以期寻求一种排放量最小、环境友好型的化学分析方法。

1实验部分

1.1目的和功能单位

本研究的目的是分析、比较3种全铁含量化学分析方法(酸溶法、碱熔法、微波消解法)的环境性能，并以“符合一次完整的全铁含量测定的化学分析方法”为一个功能单位。

1.2系统边界

系统边界决定着生命周期的评价结果。以酸溶法为例，将《铁矿石 全铁含量的测定 三氯化钛还原法》(GB/T 6730.5-2007)[1]中的操作步骤，分解成一系列的单元过程：称重、酸溶、过滤及清洗、碳化灰化、除硅、熔融、再次酸溶、滴定、器皿清洗等(见图1)；同样，碱熔法[1]和微波消解法[5]也分解成一系列的单元过程。

图1　酸溶工艺的系统边界

本研究不包括下列项目的环境负荷：①固定资产，包括仪器、设备、器皿，以及实验室所占用的建筑物；②实验室楼面提供的冷气、暖气、通风、照明等；③化学试剂的储存和运输过程；④投入的人力；⑤样品的采集和制备过程。

1.3清单分析

1.3.1数据收集的准备清单分析首先要绘制化学分析方法流程图，描绘所有的单元过程及其间的相互关系(见图1)；然后详细表述每个单元过程并列出与之相关的数据类型；编制清单；针对每种数据类型，进行数据收集技术和计算技术的表述。此外对特殊情况、异常点和其他问题给予明确的文件记录。

1.3.2收集数据数据可分成自有数据和数据库数据。自有数据包括被测试样品的质量、化学试剂的投入量、物质的逸散和挥发量、废弃物的产生量以及各仪器设备的耗电量和耗水量等。这些数据通过现场测试收集。数据库中获取的数据包括各种化学试剂和某些原材料本身的环境负荷数据，如一度电的环境负荷数据。对于缺失的数据，尽可能寻找相似的单元过程，进行数据替代；或通过查阅相关文献，以及各类专业数据库，自建模型，计算补充。

1.3.3数据的计算在LCA工具软件SimaPro7中建模，输入数据。数据输入完毕后，软件自动生成一份某产品或工艺的生命周期环境负荷清单。

1.4环境影响评价

环境影响评价是对清单分析中辨识出的环境负荷所造成的环境影响作定性或定量的描述和评估。环境影响评价包括3个基本步骤：特征化、标准化和加权。

本研究直接调用SimaPro7软件自带的环境影响评价模型IMPACT2002+，对3种测定全铁含量化学分析方法(酸溶、碱熔和微波消解)的环境影响进行综合评价。分别将3种分析方法使用到的物料、能源，以及排放的废液和废气，作为原始数据输入。利用SimaPro7软件，将3种方法对环境影响转化为一系列主题影响的特征化结果(如致癌、水生态毒性、陆地生态毒性、臭氧层破坏、酸化、富营养化、土地占用、全球温室效应等)，通过标准化步骤，将化学分析方法所产生的不同类型特征化结果的环境影响，按严重程度排序，使用权重进行单一计分，从而得到3种化学分析方法在同一平台下的环境影响结果。

2结果与讨论

2.1数据收集

根据《GB/T 6730.5-2007铁矿石 全铁含量的测定 三氯化钛还原法》[1]中“7.5.1.1”酸溶法测定铁矿石中全铁含量、《GB/T 6730.5-2007铁矿石 全铁含量的测定 三氯化钛还原法》[1]中“7.5.1.2”碱熔法测定铁矿石中全铁含量和《微波消解法测定铁矿石中全铁含量》[5]收集数据，由于系统边界已确定(见“1.2”)，因此只收集测定方法的输入数据(包括试剂、能源)，结果见表1。将表1的数据输入SimaPro7中，得到3种方法的特征化结果。

表1　化学分析方法的输入

2.2特征化

利用SimaPro7软件IMPACT2002+评价模型给出3种方法对环境影响转化为一系列主题影响的特征化结果(见表2)。

表2　化学分析方法的特征化

IMPACT2002+评价模型所涉及的环境影响类别包括：致癌物质、非致癌物质、可吸入性无机物、电离辐射、臭氧层破坏、可吸入性有机物、水生生态毒性、陆地生态毒性、陆地酸化/营养化、土地占用、水体酸化、水体富营养化、温室效应、不可再生能源、矿物开采等15个方面。

在所有15个类别的环境损害中，微波消解法的环境损害值最小，碱熔法的环境损害值最大。

2.3标准化(归一化)

标准化是依据平均每人在某段期间内所引起的效应，再给予一权重，其效应值为特征化后的结果再乘上标准化步骤所给予的权重，目的是提供不同环境问题的相对比较值。标准化因子是每单位排放量的影响值除以在该损害类别的所有物质的影响值的总量，以每人每年表示。因此标准化因子的单位为pers/year/单位排放量，即一年内单位排放量影响人员的数量。

标准化时将环境危害值乘上数据库内嵌的标准化因子，可得到标准化值，方便比较。通过标准化步骤，将化学分析方法所产生的不同类型的环境影响，按严重程度排序。化学分析方法的标准化结果见图2。

图2　化学分析方法的标准化

图2显示，3种化学分析方法所产生的环境影响主要集中在3个方面：可吸入性无机物排放、温室效应和不可再生能源的消耗。其中，在可吸入无机物排放方面表现尤为突出，其次是温室效应，再次是不可再生能源的消耗。前者涉及人类健康，后两者涉及地球资源的消耗。在这3个类别的环境影响中，碱熔法表现最为严重，酸溶其次，微波消解最小。微波消解使用的试剂种类少，有毒物质少，是一种绿色的化学方法。

2.4单一环境负荷值

根据标准化结果和内嵌的权重，利用SimaPro7 软件计算得出各化学分析方法的生命周期单一环境负荷值(见图3)。

图3　化学分析方法单一环境负荷值

就人类健康危害而言，碱熔法得分最高(1.15 mPt)，酸溶法次之(得分1.07 mPt)，微波消解法得分最低(仅为0.039 6 mPt)。由此可见，单独就人类健康危害指标而言，碱熔法是微波消解的29倍，酸溶法是微波消解法的27倍。

从单一计分(单一环境负荷)来讲，碱熔法同样得分最高，总分达1.97 mPt，酸溶法其次，总分为1.81 mPt，微波消解法得分最低，仅0.07 mPt。碱熔法对环境的影响是微波消解法的28倍，酸溶法对环境的影响是微波消解法的26倍。说明微波消解法排放量最小，其环境友好性最佳。因此，微波消解法在三者间是最环保安全的方法，值得推荐。

2.5碳足迹

计算碱熔法、酸溶法和微波消解法的碳足迹分别为5.12 kg CO2eq，4.62 kg CO2eq和0.189 kg CO2eq。从温室气体排放的结果来看，碱熔法是微波消解法的27倍；酸溶法是微波消解法的24倍。结果表明,微波消解法是一种环境友好型的化学分析方法。

3结论

通过比较计算3种化学分析方法对环境的影响及其碳足迹，发现微波消解法表现最优，而酸溶法略优于碱熔方法。从单一环境负荷值比较，碱熔法对环境的影响是微波消解法的28倍，酸溶法对环境的影响是微波消解法的26倍。单独就人类健康危害指标而言，碱熔法是微波消解法的29倍；酸溶法是微波消解法的27倍。作为一种高效的现代样品前处理技术，微波消解法具有溶样速度快、能耗低、试剂消耗少和环境影响小等特点，是一种值得大力推广的绿色技术。

参考文献：

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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

中图分类号：X828

文献标识码：A

文章编号：1004-4957(2015)12-1419-06

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2015.12.016

通讯作者：*彭速标，硕士研究生，研究员，研究方向：化学分析技术，Tel:020-38290360，E-mail:pengsb@iqtc.cn

基金项目：国家质检总局资助项目(2014IK261)

收稿日期：2015-09-30；修回日期：2015-11-13