从洗涤剂全生命周期看浓缩洗涤剂产品设计

蒋 赞 马观凤 袁 欢

（广州蓝月亮实业有限公司，广东广州，510760）

随着社会经济的发展和科学技术的进步，人类活动对环境的影响越来越大，全球变暖、水体污染等环境问题日趋严重。生活水平的提高和环保意识的提升使得人们的消费习惯不断变化，绿色环保成为消费者的新需求，洗涤剂在原材料获取、生产、运输、使用、回收和最终处理中对环境的影响成为洗涤剂产品开发过程中关注的重点。洗涤剂浓缩化既符合消费者对绿色环保的需求，也符合企业在资源能源消耗加剧和原材料成本上涨的局势下的转型需求，成为实现行业绿色可持续的发展趋势之一。

1 洗涤剂浓缩化的环境益处

1.1 洗涤剂浓缩化趋势

2015年9月25日，联合国正式通过17个可持续发展目标，其中包括“采用可持续的消费和生产模式”和“采取紧急行动应对气候变化及其影响”，对生产企业和各国政府提出了更高的环境要求。2020年9月22日，习近平总书记提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。洗涤用品行业与消费、环境密切相关，浓缩化是可持续发展的必然选择。

发达国家很早就开始了洗涤产品结构的变革，目前，美国、日本的液体洗涤剂浓缩化率已经接近99%，欧洲的浓缩化率已经超过80%[1]，基本实现了液体化、浓缩化的主体产品市场。欧盟在AISE的领导下分阶段开展了浓缩化项目，衣物洗涤剂在标准洗涤条件下单次推荐用量从1995年的150 g逐步降低至2018年的55 g，实现了衣物洗涤剂的浓缩化，取得了洗涤剂节省、包装消耗量减少、CO2排放量降低、汽车运输量降低等显著的环境益处[2]。此外，以凝珠为代表，具备超浓缩、使用方便、准确计量等特点的单次计量洗涤产品，近年来在欧美日等发达国家的洗涤市场发展迅速，市场份额逐年扩大。

我国于1985年就开始了首款浓缩洗衣粉的生产和销售，但由于政策推动不足、消费观念等的影响，其后浓缩洗涤剂在我国的发展非常缓慢。2009年7月，中国洗涤用品工业协会在行业推广“浓缩洗衣粉”标志，我国洗涤行业洗涤剂浓缩化进程开始逐步发展。2012年9月，中国洗涤用品工业协会开始推广“浓缩洗涤剂”标志，旨在让消费者更加直观地识别浓缩化产品。中国洗涤用品行业发展“十三五”规划提出了到2020年浓缩洗涤剂的发展目标：浓缩（高效）洗衣粉占洗衣粉总量的比重达到20%，衣用液体洗涤剂占衣用洗涤剂总量的比重达到60%，浓缩（高效）液体洗涤剂占液体洗涤剂总量的比重达到20%。但目前而言，我国浓缩洗衣液占比仍低于5%[3]，浓缩化进程的推进仍然任重道远。

1.2 洗涤剂生命周期评估

生命周期评估（LCA）是对产品从原材料，到生产、包装、运输、使用，再到回收和最终处理的全生命周期过程对资源和环境影响进行分析和评价的一种定量方法。结合LCA方法可以使得浓缩洗涤剂的绿色环境属性得以直观展示和定量评估。

AISE在2003年发布了对浓缩洗衣粉的LCA分析，结果如图1所示[4]。由图1可知，产品在消费者使用过程中消耗的能量、产生的CO2和废弃物占整个生命周期的绝大部分份额，因此提高消费者正确使用洗涤剂产品的意识是可持续发展的重要途径。产品在生态环境中处理过程产生的COD占整个生命周期的绝大部分份额，因此选择对环境影响小的原料、减少不必要的化学助剂是可持续发展的有效方法。

图1 浓缩洗衣粉的全生命周期分析

AISE在2011－2013年开展了浓缩洗衣粉和洗衣块的LCA对比分析，在5 kg洗涤负载条件下其单次洗涤用量分别为81.5 g和63.8 g，从CO2、P、氮氧化物、陆地使用、原材料使用等12个LCA参数出发，考察了洗涤剂人体毒性、气候变化、农田或城市用地消耗、化石消耗等中点指标，以及人类健康、生态系统、资源过度消耗3个终点指标的环境影响。结果显示，浓缩洗衣粉和洗衣块对环境的影响基本接近，这可能归因于浓缩洗衣粉和洗衣块的化学物质组成相近，均需要大量固体填充剂，而这些填充剂的类型和用量接近。以洗衣块为例具体分析洗涤剂在生命周期过程中对环境的影响，结果表明，产品的配方化学成分对农业用地占用、自然土地改造、金属消耗中点指标的影响占绝大部分份额；产品在消费者使用过程中对气候变化、颗粒物形成、城市用地占用、化石消耗终点指标的影响占绝大部分份额。对于中点指标，气候变化主要与消费者使用时的水温和产品用量密切相关，自然土地改造和化石消耗主要与表面活性剂的选择和用量密切相关[5]。

中国洗涤用品工业协会共开展了两轮生命周期评估，第一轮评估对象为中国市场上的普通洗衣粉、浓缩洗衣粉、普通洗衣液、浓缩洗衣液，并于2013年发表了评价成果。结果表明：与普通洗涤剂相比，浓缩洗涤剂在全球气候变暖、酸雨及土壤酸化、水体富营养化、能源消耗、农业土地使用以及废水水质等7个环境影响方面都有明显的正面效应；敏感性分析和不确定性分析结果也表明，消费者对浓缩洗涤剂的使用习惯和洗涤剂生产厂商对表面活性剂的选择对浓缩洗涤剂的整体环境影响也有非常重要的影响[6]；第二轮评估对象为普通洗衣液、浓缩洗衣液、浓缩+洗衣液、洗衣凝珠，评估结果尚未正式发布。

浓缩洗涤剂在其全生命周期过程中凸显了优异的环境优势，可大幅减少包装的消耗量，降低洗涤剂配方成分对环境的影响。洗涤剂浓缩化符合洗涤用品行业可持续发展要求，也符合我国实现碳中和的长远目标。

2 浓缩洗涤产品设计

产品的环境特性取决于产品的整个生命过程，产品设计是决定产品命运的关键环节，在产品开发中使用LCA，可以识别潜在的产品环境特性，企业将有机会避免或者最小化可预见的环境影响，而不影响整个产品的质量。图2展示了产品开发过程中自由度与信息可利用度之间的关系，产品开发思想涉及构想、分析、目标定义、概念设计、详细设计、实施等阶段。在构想阶段，研发人员具有最高的自由度，随着需求分析、目标分析的深入，信息细节逐渐增大，但设计的自由度逐渐降低，产品的环境属性受到局限。因此在产品开发初始阶段，也即产品设计阶段，产品环境属性具有最大的改善潜力[7]。

图2 产品开发思想

浓缩洗衣液如何实现用量少、效果好、准确计量、使用方便等功能的有机统一是浓缩洗衣液产品设计的一个关键技术问题。浓缩不是单纯去掉配方中的水，而是配方和包装的重新设计。在解决上述难点后，浓缩洗衣液活性物最佳选择是关键。洗涤产品配方在浓缩以达到期望活性物含量的过程中，为保持配方相容性（比如高低温稳定性、黏度、流变性能等），可能会添加无洗涤效果的化学助剂，这些化学助剂的增加在洗衣液使用和处理环节将增加对环境的影响。生物酶的使用显著提高了洗涤剂对特定污垢的去污能力和效率，而酶活力与水含量和表面活性剂的类型、含量息息相关，因此对酶活力具有保持作用的最低有效量化学助剂可认为具有洗涤效果。如何设计合适浓缩倍数的产品，在保证洗涤去污效果前提下，尽量减少无洗涤功效成分的添加，这是浓缩洗衣液配方设计的主要挑战。

去污力是评价洗涤剂效果的最关键指标，去污力评价有国标去污力和洗衣机去污力两大指标，如表1所示。本文中提到的良好去污力定义为同时通过立式去污机的国标去污力和洗衣机去污力测试。

图3展示了去污力（或洁净力）与洗衣液活性物含量之间的关系，随着活性物含量的增大，去污力并非等比例升高，因而当活性物含量从低浓度增加到高浓度过程中，洗衣液用量并非同比例降低。比如活性物从10%、20%增加到30%、40%、50%、60%，达到相同去污效果所需的洗衣液用量分别为X g、X/2 g、X/3+a g、X/4+b g、X/5+c g、X/6+d g，a、b、c、d 随配方体系的差异可为正或负，即洗衣液用量并非等比例变化，洁净力的增加随活性物含量的增大存在一个拐点，该拐点对应的活性物含量即为浓缩效率最高点。

图3 洁净力与活性物含量的关系

表1 去污力评价指标

在产品设计的时候，要尽量使用具有洗涤效果的化学助剂而避免使用无洗涤效果的化学助剂，即在提升洗涤剂洗涤效果的同时减少产品潜在的环境影响。洗涤剂的浓缩效率最高与对环境影响最小之间没有固定的重合点，而与当前掌握的产品设计和配方开发的技术水平动态相关。如何找到效率最高满足需求的最佳配方，正是配方工程师孜孜以求的。基于上述产品设计理念，我们结合LCA分析方法对蓝月亮两款市售洗衣液对环境的影响开展了初步分析，以更好地指导日后浓缩洗涤剂的开发。

3 洗衣液LCA分析

3.1 评价方法和数据收集

3.1.1 评价对象

评价对象为蓝月亮普通洗衣液（20%活性物）和浓缩洗衣液（47%活性物），所选择的洗衣液去污力良好，配方相容性合格，符合QB/T 1224－2012 《衣料用液体洗涤剂》的要求，且获得中国节水认证标识和中国环境标志认证，具有良好的环境属性。LCA的功能单位以 g/单次洗涤用量来表示，单次洗涤用量参考背标逻辑：2.0 kg衣物负载下，普通洗衣液为40.0 g/次，浓缩洗衣液为13.3 g/次。

3.1.2 软件和数据库

由广州赛宝认证中心服务有限公司提供技术支持，根据产品BOM、收集的生产过程的能源消耗数据和部分原料的文献调研数据，采用GABI软件系统建立产品生命周期模型，并计算得到LCA结果。GABI软件系统由德国PE公司研发，支持全生命周期过程分析，并内置欧盟ELCD数据库和瑞士的Ecoinvent数据库。Ecoinvent数据库适用于含进口原材料的产品或出口产品的LCA研究，在本研究中也用于代替中国本地缺失的数据。

3.1.3 系统边界

系统边界包括原材料获取、生产、包装与运输、销售及使用4个阶段，如图4所示。

采用气候变化潜值（GWP）和水体富营养化潜值（EP）两个指标，表征家用洗衣液产品生命周期原材料获取阶段、生产阶段、运输阶段和使用阶段4个过程产生的环境影响。根据清单因子的物理化学性质，将对某影响类型有贡献的因子归到一起，如表2所示。

3.1.4 数据取舍原则

普通物料质量分数＜1%时，以及含稀贵或高纯成分的物料质量分数＜0.1%时，可忽略该物料的上游生产数据；总共忽略的物料质量分数不超过 5%。

图4 系统边界

低价值废物作为原料，如粉煤灰、矿渣、秸秆、生活垃圾等，可忽略其上游生产数据。

大多数情况下，生产设备、厂房、生活设施等可以忽略。

在选定环境影响类型范围内的已知排放数据不应忽略。

3.1.5 数据收集

基于LCA的信息中要使用的数据可分为现场数据和背景数据。主要数据尽量使用现场数据，如果现场数据收集不足，可以选择背景数据。现场数据是在现场具体操作过程中收集来的，主要包括生产过程的能源与水资源消耗、产品原料的使用量、产品主要包装材料的使用量和废物产生量等。现场数据还包括运输数据，即产品原料、主要包装等从制造地点到最终交货点的运输距离。背景数据应当包括主要原料的生产数据、权威电力的组合数据（如火力、水、风力发电等）、不同运输类型造成的环境影响以及洗衣液成分在环境中降解或在污水处理厂处理过程中的排放数据。

（1） 原材料获取阶段

原材料的获取阶段始于从大自然提取资源，结束于洗衣液产品进入产品生产设施，包括以下过程：资源开采和提取；所有材料的预加工，例如使化学组分变成阴离子表面活性剂等；转换回收的材料；生物材料的光合作用；树木或作物种植和收获；提取或预加工设施内部或预加工设施之间的运输。普通洗衣液和浓缩洗衣液的原材料成分及用量如表3所示。

原材料获取阶段的原材料运输清单如表4所示。

表2 清单因子归类

表3 洗衣液原材料成分及用量

表4 洗衣液的原材料运输清单

（2） 洗涤剂生产阶段

生产阶段始于洗衣液产品进入生产场址，结束于成品离开生产设施，生产活动包括化学处理、制造、制造过程间半成品的运输、材料组成包装等。不同洗衣液生产过程的能耗如表5所示。

（3） 洗涤剂运输阶段

运输阶段应考虑的运输参数包括运输方式、车辆类型、燃料消耗量、装货速率、回空数量、运输距离、根据负载限制因素（即高密度产品质量和低密度产品体积）的商品运输分配以及燃料用量。洗衣液运输过程清单如表6所示。

（4） 洗涤剂使用阶段

使用阶段始于消费者拥有产品，结束于洗涤后排入市政管网，包括使用/消费模式、使用期间的资源消耗等。普通洗衣液单次洗涤用量为40.0 g，浓缩洗衣液单次洗涤用量13.3 g。假定滚筒洗衣机标准洗涤模式下，一次洗涤用水33.3 L（含漂洗用水）。

洗涤剂的寿命终止阶段始于用户使用洗衣液排入市政污水处理站，结束于产品作为废水排入自然水体的生命周期，研究假定洗涤废水处理方式为自然降解。

3.2 洗涤剂生命周期评价结果分析

3.2.1 生命周期各阶段LCA结果分析

通过LCA计算了普通洗衣液和浓缩洗衣液的GWP和EP指标，不同洗衣液生命周期各阶段的GWP结果如表7所示。普通洗衣液的GWP指标值为0.37 kg CO2eq，浓缩洗衣液的GWP指标值为0.14 kg CO2eq，洗衣液浓缩后单次洗涤的环境负荷明显降低。生命周期各阶段中生产阶段对GWP指标的贡献占比最大，均在40%以上，普通洗衣液生产阶段的占比高达54.63%。使用阶段对GWP指标的贡献占比次之，均在30%以上。而运输阶段对GWP指标的贡献占比最小，基本可以忽略不计。

表5 不同洗衣液的生产过程清单

表6 洗衣液运输过程清单

由图5可以直观看出浓缩化对洗衣液生命周期各阶段GWP指标的影响。洗衣液浓缩化后，生产阶段和使用阶段的GWP指标值显著降低，这主要是由于洗衣液浓缩化减少了单次洗涤用量，使单次洗涤分摊的生产和使用过程的能耗和排放减少，从而使GWP指标值变小。结合表7可知，洗衣液浓缩化后，原材料获取阶段以及运输阶段的GWP指标值同样有所降低。

不同的洗衣液生命周期各阶段的EP结果如表8所示。普通洗衣液的EP指标值为3.36×10-4kg CO2eq，浓缩洗衣液的EP指标值为1.31×10-4kg CO2eq，洗衣液浓缩后单次洗涤的环境负荷明显降低。洗衣液生命周期各阶段对EP指标的贡献占比呈现与GWP指标相似的规律。生产阶段对EP指标的贡献占比最大，均在40%以上，普通洗衣液生产阶段的占比高达54.24%。使用阶段对EP指标的贡献占比次之，均在30%以上。运输阶段对EP指标的贡献占比最小。

浓缩化对洗衣液生命周期各阶段EP指标的影响如图6所示。洗衣液浓缩化后，生产阶段和使用阶段的EP指标值显著降低，浓缩洗衣液单次洗涤用量的减少使得单次洗涤分摊的生命周期各过程的排放减少，从而使EP指标值变小。结合表8可知，洗衣液浓缩化后，原材料获取阶段以及运输阶段的EP指标值同样有所降低，但变化幅度较小。

由上述分析可知，浓缩洗涤液具有明显的环境优势，在生命周期的各阶段，浓缩洗衣液的GWP指标值和EP指标值均低于普通洗衣液，洗涤剂浓缩化能够显著降低生产阶段和使用阶段的环境负荷。

表7 不同洗衣液生命周期各阶段对GWP指标的贡献

图6 不同的洗衣液各生命周期阶段对EP指标的贡献

3.2.2 原辅料对洗涤剂的环境影响

对原材料获取阶段环境负荷的影响因素进行进一步细化分析，普通洗衣液以及浓缩洗衣液原材料对GWP指标的影响如图7所示。对普通洗衣液和浓缩洗衣液单次洗涤GWP指标贡献较大的原材料是原料A、C和E。相对于普通洗衣液，浓缩洗衣液消耗的原料A、E的GWP指标值明显降低，但原料C以及丙二醇的GWP指标值明显增大。

原材料获取阶段普通洗衣液及浓缩洗衣液各原材料的EP指标值如图8所示。对普通洗衣液单次洗涤EP指标贡献较大的是原料A、C和D，对浓缩洗衣液单次洗涤EP指标贡献较大的是原料C。相对于普通洗衣液，浓缩洗衣液原料A和D的EP指标值明显降低，原料C的EP指标值明显增大。

图7 不同原材料对GWP指标的贡献

图8 不同原材料对EP指标的贡献

表8 不同洗衣液生命周期各过程对EP指标的贡献值

在表面活性剂中，原料A和C对GWP指标的影响更大，原料A、C和D对EP指标的影响更大，普通表面活性剂使用了更多的原料A，并且引入了原料D，浓缩洗衣液使用了更多的原料C。在助剂中，丙二醇对GWP和EP的影响较大，丙二醇可作为酶的稳定剂，也可作为调节黏度的助剂，或洗衣凝珠的填充剂。丙二醇是其他多元醇的一个典型代表，从仅添加最低有效量化学助剂出发，合理推测出产品活性物含量并非越高越好。表面活性剂的增加及助剂的引入会增大洗涤剂的GWP及EP指标值，降低洗涤剂对环境的影响在成分选择上仍有很大的改善空间。

3.2.3 消费者使用习惯对洗涤剂环境影响分析

在全生命周期评价的基础上进一步分析消费者使用习惯对环境的影响，正确使用情况下，由于浓缩化洗衣液活性物浓度较高，其洗涤用量比普通洗衣液要少，但如果消费者不遵循正确的使用量，那么可能导致严重的环境影响。

浓缩洗衣液超量使用的环境影响指标结果如图9所示。超量使用洗衣液对GWP指标以及EP指标的影响规律相似，当消费者正确使用洗衣液时，浓缩洗衣液的GWP指标和EP指标远远低于普通洗衣液。当浓缩洗衣液被超量1倍使用时，GWP指标值和EP指标值仍低于普通洗衣液。但可以预见的是，消费者如果超量使用浓缩洗衣液，对全球变暖和水体富营养化的环境影响都会加重，因此应当做好消费者的引导工作。

综上所述，浓缩产品具有明显的环境优势，在生命周期的各阶段，高倍浓缩洗衣液的GWP指标值和EP指标值均低于普通型洗衣液。表面活性剂的增加和助剂的引入都会增大产品的环境影响，在产品配方设计阶段，应当尽量减少无洗涤效果助剂的使用。

本研究LCA仍存在需要优化的地方：评价的样本不足，研究仅对普通洗衣液（20%活性物）和浓缩洗衣液（47%活性物）进行了生命周期评价，研究的样本仅代表蓝月亮的浓缩化成果，不具备市场代表性；评价指标不足，研究的生命周期评价仅包括GWP和EP两个指标；评价范围不足，研究假定洗涤废水处理方式为自然降解，但根据AISE及中国洗涤用品工业协会的研究结果，洗涤废水处理过程对环境影响指标的影响较大，因此废水处理及最终处置阶段的环境影响应进一步探讨，以在产品设计阶段更全面地评估和选择产品配方。

图9 不同消费者使用习惯对环境的影响

4 结论

在产品设计阶段使用LCA，可最小化可预见的环境影响，而不牺牲整个产品的质量。以获得均一稳定的配方和达到相同的良好去污力为出发点，采用LCA评估模型，对比产品对环境的影响随活性物增加的变化趋势，发现不管是在生命周期各个阶段，还是细化分析原辅料消耗以及消费者使用层面，高倍浓缩洗衣液的GWP指标值和EP指标值均低于普通型洗衣液。从浓缩效率和仅添加最低有效量化学助剂出发，合理推测出产品活性物含量并非越高越好。在开展浓缩洗涤剂的产品设计时，需依据配方技术水平，开发最高效、环境影响最小且方便消费者使用的产品。