纺织印染工业生态毒性足迹核算与评价示范

李一　牟金莹　骆艳　王来力

摘 要：研究基于化学品足迹理论，通过一件连衣裙生态毒性足迹的定量计算和评价，分析并识别了三道印染工序优先生态毒性足迹控制化学品以及优先生态毒性足迹控制工序，为纺织化学品的合理应用及管理提供可行性建议。根据不同量的化学品预测工艺链内有毒化学品，优先淘汰生态毒性足迹大的纺织化学品，寻找可替代化学品，实现可持续的化学品管理并可协助相关部门制定决策措施，进行全生命周期监测。结果表明，前处理、染色、印花三道工序的生态毒性足迹分别为1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day。染料、增稠剂、荧光增白剂、还原抑制剂的最终产物是生态毒性足迹较大的化学品。

关键词：化学品足迹;纺织印染;连衣裙;生态毒性足迹

中图分类号：TS10

文献标志码：A

文章编号：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

化學品污染已被联合国环境规划署列为影响人类生存与发展的全球性重大环境问题之一[1]。《“十三五”生态环境保护规划》（国发〔2016〕65号）明确指出，中国是化学品生产和消费大国，有毒有害污染物种类不断增加，区域性、结构性、布局性环境风险日益凸显[2]。

纺织行业是最主要的化学品消费行业之一，生产1kg服装，大约需要1.5～6.9 kg的化学品[3]。其中，印染工业化学品用量位居全国工业前列，主要包括印染助剂、整理剂和染料。纺织化学品在纺织工业生产整个生命周期中都有可能以“三废”形式排入生态环境中，对人类健康及生态环境产生一定的潜在毒性影响。随着纺织化学品种类、生产和消费需求的增加，纺织产业对环境的影响和压力也在不断增长。

中国现行纺织化学品相关法律法规局限在源头化学品的限用以及末端治理上，缺乏完整的基于生命周期的纺织化学品安全评估体系及风险评估工具[4]，如2002年发布国家强制标准GB 18401—2003《国家纺织产品基本安全技术规范》，对甲醛的含量进行了限制，列出了禁用致癌芳香胺清单。2012年，环保部修订GB 4287—2012《纺织染整工业水污染物排放标准》，限定了COD、氨氮、总氮、总磷、可吸附有机卤素、硫化物、苯胺类等水污染物的排放量。当前的化学品风险性管理也仅指出禁用限用化学品的危害性而未能综合性定量定性评价化学品对生态系统造成的影响，亦不能比较不同物质不同排放量之间的毒性而提出具有针对性的管理措施。化学品足迹作为足迹类指标，可用于评估人类活动相关化学品消费对地球环境可持续性的影响，从而实现由对“量”的限制到对“毒性”的管控。

事实上，纺织化学品对环境影响最重要的不在于其化学品成分，一些化学品往往本身不具有危害性或危害性不大，根源在于其降解产物或一系列的化学反应，纺织印染企业化学品使用种类多、排污量大、污染物复杂，引入化学品足迹方法可量化各类化学品全生命周期毒性影响，从而识别企业优先控制污染物、优先控制工序，实现化学品环境风险的有效防控。

根据不同的受体，化学品足迹可分成人体毒性化学品足迹（简称为人体毒性足迹）和生态毒性化学品足迹（简称为生态毒性足迹）两种表征形式。发展至今，化学品足迹已有多类定义。2014年，BjO′rn等[5]基于化学品污染物潜在的人体毒性、生态毒性的特征因子（Characterization Factors，CF），来评价污染物对环境产生的负荷，并定义化学品足迹为稀释一种化学品物质至其不破坏生态系统的浓度临界点所需要的淡水量。在此定义下，2016年，Sorme等[6]以瑞典为例，基于USEtox1.01模型和欧洲转移登记制度数据计算了排放到水体以及空气中54种化学物质的潜在人体毒性足迹和生态毒性足迹。2017年，Nordborg等[7]在SOrme等的研究基础上使用USEtox2.01模型计算了瑞典人体毒性足迹和生态毒性足迹的最新指标，此类定义和核算方法适用于化学品种类多而大的纺织印染行业。在中国的化学品足迹相关研究领域，方恺[8]将化学足迹纳入足迹家族中，介绍了其概念与研究进展。杜翠红等[9]概述了化学品足迹的发展，讨论了化学品足迹研究中存在的问题与挑战。靳强等[10]构建了区域人体毒性的模型与算法，论述了其可行性。钱佳鸿等[11]运用USEtox方法对1 kg牛仔织物染整过程中的化学品足迹进行了核算和评价。

相比国外，国内化学品足迹相关研究较少，两者水平差距明显。本研究以一条涤纶连衣裙为例，基于化学品足迹理论，结合印染工序三道工艺化学品的投入和产出数据，对连衣裙的产品生态毒性化学品足迹进行核算与评价示范，并对核算结果进行可行性分析。通过最终化学品排放物的筛选和排序，进行源头追溯，根据各道工序的排放清单识别出污染优先控制工序和纺织化学品种类对毒性的影响，可为开展工业生产过程化学品使用的全生命周期环境管理提供理论与技术支持。

1 连衣裙印染工序生态毒性足迹的 核算

1.1 核算边界

纺织印染工艺由前处理、染色和（或）印花、后整理等几个重要环节组成。研究核算的时间边界为纺织产品的印染工序鏈，空间边界为核算的纺织产品时间边界内所涉及化学品的投入和产出，印染工序涉及到的化学品主要可分为染料、助剂和其他化学品原料，最后化学品以“三废”形式排入自然环境中，如图1所示。

在本研究中，化学品足迹核算示范的功能单位设定为生产1条478 g 100%聚酯纤维的连衣裙所需要的聚酯纤维织物面料，其印染工艺的单位质量设定为1 kg。连衣裙的印染工序链主要包括在拉幅机中干燥和固定合成纤维织物、用喷射机给面料做印花的前处理（以下简称为前处理）、在喷射染色机中对原织物材料进行染色（以下简称为染色）、在旋转印花机上进行印花（以下简称为印花）等工序。

1.2 核算方法

化学品足迹核算方法借助于多介质归趋的生命周期影响评价（LCIA）模型，其中USEtox模型是目前生命周期评估方法中使用比较广泛的共识模型。USEtox模型可模拟量化毒性污染物从进入环境到产生人体或生态毒性的整个过程，内嵌3000多种化学品物质数据库，并含有新物质手工录入接口，通过计算上千种物质的人体及生态毒性影响的特征因子而量化污染物排放的毒性影响，为化学品排放的生命周期毒性影响评价提供了一个完整、透明的计算工具。2014年，郝天等[12]采用USEtox模型计算焦化污染物排放的人体及生态毒性影响，并对结果进行排序筛选，为区域人体健康及生态环境保护提供了科学依据。

结合化学品产出清单及其对应的量，可计算生产一件产品不同化学品对人体及生态造成的影响，即人体毒性足迹与生态毒性足迹。其中，单位产品的生态毒性足迹（ChFe，单位PAF·m3·day）计算模型为：

ChFe=∑ni=1CFi·Ei（1）

式中：i为工业生产最终排入环境介质的化学品种类;CFi为排入相应环境介质化学品i的特征因子;Ei为化学品i排入环境介质的质量。

1.3 核算数据

核算边界内印染工序链段的化学品投入与产出物质质量清单数据来源于瑞典未来时尚研究基金会（http：//mistrafuturefashion.com/），相关特征因子由联合国环境规划署、环境毒理和化学学会联合开发的USEtox2.01模型得到，模型中地理信息参数设定为欧洲，排放隔间为城市空气和新鲜水。

USEtox模型通过结合污染物的环境归宿因子、暴露因子、效应因子计算得到某种特定化学物质相对应的特征因子，但由于纺织产业链的复杂性和纺织化学品庞大的数量，导致数据库部分特征因子缺乏，尤其是人体毒性化学品足迹特征因子。另外，USEtox模型并不涵盖现有所有的化学物质，无机物清单中仅有金属的特征因子，例如氢氧化钠等物质被广泛应用于纺织工业，对环境也有一定的危害性，却没有被包括在USEtox模型中，致使研究中部分化学品的特征因子缺失。研究在USEtox2.01的基础上，结合Roos等提出的纺织化学品特征因子数据来源选择策略，即通过数据质量评估和优先顺序在有效域尽可能为物质提供可靠的特征因子的方法补全了缺失的化学品生态毒性特征因子[13]。表1列举了印花工序相关化学品的排放量及其特征因子。

2 结果与分析

2.1 优先生态毒性足迹控制化学品

根据已获取的排放数据清单，计算得到纺织印染前处理、染色和印花三道工序中每种化学品的生态毒性足迹，并对结果进行排序，如图2所示。

前处理工序丙烯酸异丁酯的生态毒性足迹占据了整个工序的75.7%，主要来源于荧光增白剂Ultravon EL，少部分来源于匀染剂Breviol PAM-N（图2（a））。荧光增白剂在动物体内不会被吸收，仍以排泄物的方式存留在生态系统中，经过一系列反应后产生的丙烯酸异丁酯及醇乙氧基化物有一定的毒性，对环境有影响。醇乙氧基化物最终排放到环境介质中的质量为1.13×10-5 kg，是草甘膦的1/4，但最终的生态毒性足迹位居第二，超过了草甘膦。由于草甘膦分子结构中含有磷酸基、羧基、氨基等，这些基团具有较强的络合金属的能力，在一定程度上也能降低重金属对生物的毒性和有效性[13]，因此特征因子数值（3.61×102PAF·m3·day/kgemitted）明显小于醇乙氧基化物（1.64×103PAF·m3·day/kgemitted）。进入环境中的甲醛在物理、化学和生物等的共同作用下可以被逐渐稀释氧化和降解，作为丙烯酸分散体其质量只有1.56×10-7 kg，因此生态毒性足迹并不显著，只占了前处理工序总生态毒性足迹的0.04%。

染色工序的化学品生态毒性足迹呈3个等级分布，雷马素的生态毒性足迹最大，四聚丙烯基苯磺酸钠、脂肪酸类、丙烯酸异丁酯、醇乙氧基化物、氢氧化钠的生态毒性足迹处于中等水平，N，N-二甲基乙酰胺、草甘膦、碳酸钠、亚硫酸钠、硫酸铵、醋酸、二甘醇一乙醚、甲醛的生态毒性足迹较小（图2（b））。其中，雷马素的生态毒性足迹为8.94×10-1PAF·m3·day，贡献率超过了55%，主要来源于工艺过程中使用的一种黑色分散染料Terasil Black WS-N，还有极小部分是从水处理设施中分离出来的。染料的环保性一直是染料行业和印染行业发展的重点，是印染行业优先管控的化学品之一，但配方的保密性给管控带来了难点。聚酯弹性织物要求染色牢度与弹性损伤之间谋求协调，使用的分散染料要易被还原清洗，因此助剂的还原性要强，而还原抑制剂Cibatex AR的最终产物四聚丙烯基苯磺酸钠不易生物降解，进入环境介质对生态环境影响较大，因此其生态毒性足迹（2.11×10-1PAF·m3·day）占据了染色工序的13.04%，位居第二。对比无机物，氢氧化钠生态毒性足迹较大，达1.00×10-1PAF·m3·day，是其他无机物总和的7.3倍，在纺织工业氢氧化钠被用于纤维的处理和染色，作为一种强碱对生态环境具有腐蚀性，是印染废水中需要中和处理的优先考虑物质。

印花工序丙烯酸异丁酯生态毒性足迹为3.25 PAF·m3·day，位居第一且占据印花工序总生态毒性足迹的79.12%，是雷马素的4.2倍（图2（c））。不同于前处理及染色工序的来源，印花工序的丙烯酸异丁酯是两种增稠剂Alcoprint DT-CS和Lyoprint AIR 1∶1的产物。由于涤纶是一种疏水性纤维，具有热塑性，表面光滑，因此选用的增稠剂应有良好的黏着性和易洗涤性。在涂料印花中，增稠剂可多方面协调乳胶漆的增稠、稳定及流变性能，增稠剂大多属于亲水性高分子化合物，此次核算清单所用的为适用于印花的合成增稠剂Alcoprint DT-CS以及水性丙烯酸分散体脱泡剂Lyoprint AIR 1∶1。由柔软剂Sapamine FPG產生的脂肪酸类，N，N-二甲基乙酰胺生态毒性足迹只占据了印花工序总生态毒性足迹的0.83%，影响不大。

通过上述分析可将染料以及助剂中的增稠剂、还原抑制剂列为印染行业优先管控的投入化学品。

2.2 优先生态毒性足迹控制工序

纺织印染三道工序的总生态毒性足迹，以及每道工序中每种化学品的贡献值如图3所示。前处理、染色、印花三道工序的生态毒性足迹分别为1.43×10-1PAF·m3·day、1.62 PAF·m3·day、4.11 PAF·m3·day，能明显比较出连衣裙纺织印染核算示范模块的工序生态毒性足迹大小为印花>染色>前处理。其中，染色工序和印花工序投入的化学品量分别为0.52 g和0.485 g，差值不大，但印花工序的总生态毒性足迹是染色工序的2.53倍。原因在于印花工序中增稠剂的使用量对生态毒性影响较大。在印花工序中，作为印花色浆的增稠剂可以保证花纹的轮廓光洁度，使印花色浆中的各个组分能均匀地分散在原糊中，对染料的传递起到载体的作用，保证印花色浆被附着在花筒凹纹内，是该工序中必不可少的化学品。

化学品生态毒性足迹的计算结果也表明各工序的优先控制化学品不同，如染色和印花工序中丙烯酸异丁酯和雷马素均为优先生态毒性足迹控制化学品，但在染色工序中雷马素的生态毒性足迹（8.94×10-1PAF·m3·day）大于丙烯酸异丁酯（1.08×10-1PAF·m3·day），而在印花工序中丙烯酸异丁酯（3.25 PAF·m3·day）远远大于雷马素（7.69×10-1PAF·m3·day）。另外，丙烯酸异丁酯在三道工序中的生态毒性足迹都较大，而雷马素在染色和印花工序中的生态毒性足迹较大。

对比三道工序产出化学品中醇乙氧基化物的生态毒性足迹，得到染色>前处理>印花。醇乙氧基化物主要来源于三道工序中使用的增白剂和清洗剂。前处理过程使用了荧光增白剂Ultravon EL和清洗剂Invatex CS，但清洗剂Invatex CS不分解产生醇乙氧基化物，其单一来源为荧光增白剂Ultravon EL。染色工序除了使用荧光增白剂Ultravon EL和清洗剂Invatex CS外，还使用了清洗剂Cibapon OS，因而醇乙氧基化物来源于荧光增白剂Ultravon EL和清洗剂Cibapon OS，印花工序仅使用了清洗剂Cibapon OS。Invatex CS作为一种碱土金属离子和重金属离子的络合剂，主要用于合成纤维的洗涤和退浆过程，Cibapon OS则能改变沾污在织物上的分散染料的平衡状态，使沾色的分散染料容易转向液体，更易于清洗。根据上述分析，通过化学品足迹的核算可比较出不同纺织化学品的毒性大小。在同等作用条件下，优先选择毒性小的化学品，可有效降低纺织印染工业生产过程对环境造成的生态毒性影响。

3 结 论

化学品足迹作为定量评价化学品对环境潜在影响的工具，可为纺织印染工业化学品的合理应用及全生命周期管理提供参考依据和技术支持。研究基于化学品足迹理论对连衣裙工业生产中印染工序的生态毒性足迹进行了核算和评价，主要结论如下：

a）100%聚酯纤维连衣裙印染工序中前处理、染色、印花三道工序的总生态毒性化学品足迹为5.87 PAF·m3·day，其中印花工序生态毒性化学品足迹最大，占比约为69.96%。增稠剂是最大的毒性源，占比约为79.12%。

b）不同种类清洗剂的最终产物不同，其生态毒性足迹也不同。通过定量比较生产印染助剂的原料、印染助剂本身，以及印染助剂使用过程中所产生的污染物的生态毒性足迹，预测工艺链内有毒化学品，进一步指导企业采用低毒低害甚至无毒无害的纺织化学品，既可以从源头实现纺织化学品的有效管控，又可以从末端排放端进行毒性管控。

c）染料、增稠剂、荧光增白剂、还原抑制剂的最终产物是生态毒性足迹比较集中的化学品。通过比较同一种类不同供应商的纺织化学品生态毒性足迹大小，寻找可替代化学品，实现可持续的化学品管理，并可协助相关部门制定决策措施，进行全生命周期管控。

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