1、LCA的发展与应用一、LCA的发展1.1 LCA的发展过程及概念环境协调性评价起始于20世纪65 年代末期的能源危机时期。其基本思想起源于化学工程中的“物质- 能量流平衡”方法, 基本的理论依据是能量守恒和物质不灭定律, 对产品的生产和使用过程中物质和能量的使用及消耗进行计算。美国中西（Midwest）研究所于1969年用LCA对饮料容器的能耗进行评价；1990年国际环境毒理学和化学学会（society of environment toxicology and chemistry，简称SETAC）正式提出了“环境协调性评价”（LCA）术语，并将对产品或材料全过程的评估能耗思路推广到对其全过程
2、能耗、资源消耗、废弃物排放等各个方面，既可对它们进行单项因素评估又可进行综合评价。1993年6 月成立的国际标准化组织环境管理标准化委员会（ISO/TC207）由6 个分委会组成，其中：SC5为“生命周期评定”委员会，它的任务就是研究产品的整个生命周期，即从开发、设计、制造、流通、报废到再利用的全过程中对环境的影响进行评价。按照ISO14000定义,LCA是汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个寿命周期中所有的投入及产生对环境造成的和潜在的影响的方法。自环境毒理学与化学学会（SETAC）于1990年正式提出LCA术语以来，其定义和规范不断得到完善，10年来LCA的研究取得了巨大的进展，其研究
3、范围不断扩大，从传统的包装材料、容器等产品领域转向各种金属、高分子、无机非金属和生物材料，包括各类结构和功能材料。LCA在我国一般称为环境协调性评价,它对一种产品、过程或活动的从原材料提取、材料制备直至最终废弃的整个生命周期内因能源和资源消耗以及废物排放对环境所造成的潜在影响进行评价, 并提出改善环境性能的建议和措施。1.2 LCA的特点LCA 区别于其它传统评价方法,有两个显著的特点。首先,它具有全程性的特点, 亦即它最大的优点在于扩展了系统的边界和研究范围, 对所研究系统在整个生命周期内所造成的环境负荷或影响进行评价,而不仅仅对产生废物的生产过程进行评价, 从而有效地防止了污染从生命周期的
4、某一阶段转嫁到另一阶段的问题。其次, 它具有综合性的特点, 不仅考虑废物对环境的影响, 而且考虑因资源和能源的消耗而对环境造成的综合影响。它的突出优点是以整体的观点来进行评价, 从而避免了传统方法造成的因系统中某一过程环境负荷改善而造成另一过程环境负荷加重的污染转嫁问题。1.2.1 LCA的步骤根据ISO 和SET AC 所制定的框架, LCA 包括四个步骤:( 1) 目标和范围的界定: 确定研究的目的、范围以及定义相应的功能单元。( 2) 编目分析: 在物质平衡和能量平衡的基础上, 对系统环境负荷进行数据收集的过程。环境负荷包括资源、能源的消耗以及固体、液体和气体废弃物。( 3) 影响分析:
5、 在编目分析基础上, 将环境负荷进行分类, 对其潜在的环境影响进行评价特征化并进行量化处理的过程。目前有多种对环境影响进行识别和定量评价的方法, 但是, 由Heigung 等人提出的面向问题的方法是目前应用最广的一种方法。这种方法的思路是, 首先将不同环境负荷对特定的诸如温室效应, 臭氧层破坏, 酸雨等环境影响的相对贡献程度进行评价, 例如, 选用CO2 作为众多环境负荷对温室效应的影响基准, 根据它们对温室效应的损害程度, 将对温室效应的综合结果表示为CO2 当量值,然后再将酸雨、温室效应等不同的环境影响整合为一个总的环境影响值。由于量化过程不是建立在科学的基础上, 而是取决于决策者、专家或
6、公众的意见, 不同的价值取向和不同的人文背景将导致不同的量化值, 因此这也是LCA 评价中争议最多的一个阶段, 目前, 对于将不同的环境影响如何整合为一个具体的数值尚没有普遍可以接受的方法, 而且对整合方法本身的可行性也没有统一的认识。( 4) 环境改善( 或环境解释) : 这是LCA 研究的最终目的, 根据编目分析或影响分析的结果, 提出系统环境负荷改善的措施, 或对不同系统的环境性能优劣进行评判。1.2.2 LCA方法的技术框架LCA 方法在不断地发展, 从1990 年SETAC 会上的简单三角模型发展到ISO14040 标准定义的技术框架( 图1) 可以充分体现出, 其主要内容包括以下几
7、个方面：（1）目标和范围的确定， 功能单元 初始系统边界地域和时间边界数据质量要求；（2）编目分析，在操作中要注意这3 类问题: 分配问题。能源问题。在能源数据中要充分考虑能源的类型、转化效率等。所使用的数据应取尽可能长的一段时间。（3）环境影响评估（4）环境解释，有以下3 点共同特征: 采取系统化的方法辨识、限定、检查、评价与提交最终解释结果; 无论是环境解释阶段内部还是环境协调性评价或其他阶段之间, 都是一种反复的过程; 提供LCA 方法和其他环境管理技术的关联。1.2.3 LCA的局限性从LCA 研究的步骤可以明显看出, 环境影响阶段的主观性对LCA 的最终评价结果产生着很大的影响, 严
8、重影响着LCA 结果的可信性。实际上, 影响LCA 结果的可信性的原因是多方面的, 这是由LCA 方法自身特点和LCA 方法论本身的不完善两个方面所决定的。具体包括应用范围的局限性、评估范围的局限性、评估方法的局限性、时间和地域的局限性。LCA 中的环境影响评价具有地域性、时空性、滞后性、机理复杂以及影响因素多等特点, 必须依靠专家的知识和经验才能解决, 仅仅依靠数学模型和数据库这种定量方法已遇到许多难以克服的困难。1.3 LCA与 MLCA的关系1.3.1 生态环境材料的介绍人口膨胀、资源短缺、环境恶化是当今社会可持续发展面临的一大问题。材料是人类赖以生活和生产的物质基础，新材料的不断出现和
9、应用是人类文明进步的重要标志之一。随着科学技术的发展，高质量、高性能的新材料不断出现。但是由于对质量和性能的片面追求，伴随着材料的提取、制备、生产制造、使用和废弃过程，耗费了大量的资源、能源，并排放出大量的废气、废水和废渣。各种统计数据表明材料及制品的制造使用及废弃过程是造成能源短缺、资源过度消耗和枯竭及环境污染的主要原因之一。这就对材料科学家提出了一个新的课题，必须认真地对待资源、能源和环境问题，寻求材料的可持续发展途径。生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料。生态环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小
10、，再生循环利用率高。也就是说，这类材料对资源和能源消耗少、对生态和环境污染小，再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。因此，所谓生态环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以优异环境协调性的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型材料，或改进、改造传统材料。生态环境材料是一个全新的概念, 尽管它的研究和开发刚刚起步, 但是却显示了广阔的发展前景。1.3.2 MLCA与 LCA材料协调性评价（MLCA）体系，涉及到一个产品从原材料的采集获取到提炼，再到产品的加工、生产、储运、使用、废弃和回收的全过程
11、，包括了对生态和环境影响的诸多方面。因此，对不同品种的材料（如金属、陶瓷等），其评价的内容和方法是不同的，即使是同一大类的材料，其评估的内容和侧重点也是不同的。MLCA 的研究一直是生态环境材料研究中的重要组成部分。材料的环境协调性设计是将 LCA方法应用到材料设计过程中产生的新概念, 它要求在设计时要充分兼顾性能、质量、成本和环境协调性, 从环境协调性的角度对材料设计提出指标及建议。材料的环境协调性设计主要研究材料在再生循环过程中的性能演变机理及其影响; 研究再生循环过程中去除有害杂质技术和使杂质无害化技术; 研究通用合金技术; 材料的性能预测技术等。例如：光催化降解生态环境玻璃、膨胀石墨、
12、生态水泥、抗菌陶瓷、降解塑料、固沙材料及沙漠植被技术、岩石边坡生态护坡材料及技术。目前生态环境材料的研究大体可以划分为下面三个层次：一是基础理论研究，二是材料制备技术研究，三是材料的表征与评价体系研究。生态环境材料的评价体系研究的是生态环境与材料相互作用的程度和生态环境对材料的开发、应用、再生过程及其结果的负荷程度的评价方式和评价标准。生态环境材料的概念自产生以来能否深入人心，能否将环境意识真正地引入材料科学与工程，其关键在于环境负荷的具体化、指标化、定量化。材料的环境负荷评价涉及材料寿命周期中的环境问题，目前，国际上比较广泛应用的环境协调性评价方法是生命周期评价法（life cycle as
13、sessment，简称 LCA）。1994年在日本召开的国际环境平衡会议以来，将 LCA应用于环境材料而派生出来的材料环境协调性评价（MLCA-Material LCA）以被国际材料学会所认可。MLCA是将 LCA的基本概念、原则和方法应用到材料的环境负荷评价中去。从方法论的角度来说，LCA 主要包括以下 4个部分。（1）目标与研究范围的确定。是指评价的产品（或材料）目标的确定，评价目标范围及其系统边界的确定。（2）环境生态编目分析。其关键在于数据的收集与计算，例如资源、能源、大气影响、水质影响、固体废弃物等都要在原料获取、加工、半成品与成品制备、运输、消费、回收再生、处理处置等子过程中分别采
14、集、计算，然后再汇总综合处理，因此对各个子过程的数据都要详细研究，且需非常仔细、认真工作方可保证 MLCA 全过程的准确完善。（3）环境损害分析。在第 2 部分的编目分析中已取得大量数据，用这些数据在同行业或本企业历史数据中，进行单项环境负荷分析评价是可行的。它可以检验本企业在同行业中某单项环境负荷（如：能源、资源消耗或“三废”排放的环境负荷等）地位或采用某些技术管理改进后的效果等。但是，这些单项“环境负荷”如做到“指标归一化”，采用某一数学模型进行叠加以获得一个综合环境负荷指标，在不同行业之间对比，或研究它对全球或某地区环境影响则是十分困难的。同时，“三废”排出对环境的影响（如：温室效应、酸
15、沉降、生态破坏等）尚无统一评判标准。因此，我国“863”计划所列的由北京工业大学等单位承担的材料的环境协调性评价研究（MLCA）项目，建立了材料生产、设计“双指标评价体系”，并建议采用“标准流程对照法”对 MLCA结果进行对比和检验。（4）环境改善综合评估。综合评估是根据被评估生产工艺线各项环境负荷测定和计算结果，进行分项和综合评估。与标准工艺线或同类工艺线、同类产品进行对比，以研究本工艺线或产品环境负荷达到的水平，寻求改进提高的途径。对本工艺线或本产品采取某种技术、管理改进措施前后，环境负荷值变化状况进行对比分析，以研究技术或管理改进措施的效果。为达到某种目标而对现有工艺或产品进行检查，对工
16、艺及产品现状进行环境协调性分析，作为综合利用各种废弃物（如废渣、废料、工业及生活垃圾、再生能源及危险废弃物等）的指南。二、LCA 的应用2.1 无铅焊料的环境协调性评价2.1.1无铅及锡铅焊料生命周期评价现状目前, 材料行业对无铅焊料的研制已经大力展开, 出现了各种系列的无铅焊料, 例如: Sn- Ag 系、Sn- Cu 系、Sn- Zn 系、Sn- Ag- Cu 系等。比较有代表性的无铅焊料有 Sn- Cu,Sn- Ag,Sn- Zn 二元合金, Sn- Ag- Cu, Sn- Ag- Bi,Sn- Zn-Bi 等三元系合金。从研究现状看来, 短期内可以实现无铅替代的将是 Sn- Cu、Sn
17、- Ag 二元合金系及 Sn- Ag- Cu 三元合金系焊料及以此为基础的多元系合金焊料。国内外一些焊接技术研究部门已经对主流无铅焊料的性能进行了比较, 但目前对无铅焊料生命周期内对环境的影响还是没有进行系统化研究。虽然无铅焊料的使用减少了铅的毒害性, 也减少了锡、铅两种不可再生资源的使用, 但无铅替代焊料的使用同样也会增加替代金属的资源耗竭负荷。由于无铅焊料的熔点普遍高于锡铅焊料, 在无铅焊料的生产和使用过程中, 工艺温度较高必将造成能耗高于锡铅焊料的现象, 同时还会产生更多的污染物排放。此外, 无铅焊料使用的合金化元素有很多储量少于铅, 这也在一定程度上减少了无铅焊料替代的有效性。2005
18、 年 5 月在美国新奥尔良举行的“国际电气电子工程师学会电器与环境国际研讨会暨国际电子回收利用峰会”上, 来自马里兰(Maryland) 的 Maria Leet Socolof 报道了由美国环境保护署( EPA) 和美国电子工业联合资助进行的含铅和两种无铅替代焊料的使用过程的生命周期评价结果。通过考察锡铅、锡银铜和锡铜焊料在波峰焊中的 16 个不同的环境条目, 得出无铅焊料在 4 个方面的影响值低于传统锡铅焊料, 而另 5 个方面却高于传统锡铅焊料。中国电子科技集团公司第二研究所梁鸿卿编译了对无铅焊料影响环境的评价, 就焊料制造时所消耗的能量进行评价得出锡银铜系焊料比传统锡铅焊料高 113%
19、。在再流焊的过程中, 考虑安装工艺, 锡银系焊料比传统锡铅焊料增加 40%的能量消耗。但对焊料生产、使用的生命周期内资源、能源、污染物进行全面的影响评价国内还未见报道。针对当前锡铅焊料对资源、环境的严峻影响,通过对锡铅焊料和目前使用比较普遍的几类无铅焊料的分析, 就其生产、使用过程中两类焊料的资源、能源的投入和各种污染物的排放情况展开生命周期评价, 一方面使焊料的生产、使用建立在资源、能源量化的基础上, 从而诊断焊料生产、使用中涉及到的资源、环境问题, 寻求改善与焊料生产、使用相关的环境问题的途径; 另一方面也为建筑行业生命周期评价提供焊料生产、使用的生命周期清单,为后续研究提供定量化的数据支
20、持。2.1.2焊料生命周期评价的研究对象焊接技术研究部门对已开发的无铅焊料进行综合性能测试比较得出目前使用最多的主流无铅焊料合金 Sn- Ag- Cu 最好, 回流焊焊膏主要采用 Sn- Ag- Cu 合金, 而波峰焊使用较多的还是 Sn-Cu 合金。焊膏中主要采用 Sn - 3.5Ag 和 Sn -4.0Ag- 0.5Cu, 手工焊和波峰焊采用 Sn- 0.7Cu 系统。最近,低熔点的无铅焊料越来越受到重视,低熔点焊料主要指 Sn - Zn 系,Sn - 9Zn 合金熔点为 198,非常接近 Sn- Pb 合金的熔点, 是一类非常令人关注的无铅焊料, 今后 Sn- Zn 系无铅焊料的发展动向
21、将受到更多重视。2.1.3焊料生命周期评价的系统边界一个完整的焊料生命周期评价的清单分析包括以下几部分: 相关原材料及能源的获得、原材料运输过程的能源消耗及污染物的排放、焊料生产过程的能源、资源的消耗及污染物的排放、电子产品的组装过程、电子产品的应用过程、产品报废的废弃回收处理过程。鉴于研究的可行性及研究的目的, 选取焊料的生产、使用作为一个评价环节, 这个过程的清单分析包括相关原材料及能源的获得、原材料运输过程的能源消耗及污染物的排放、焊料生产过程的能源、资源的消耗及污染物的排放、焊料使用过程的能源、资源的消耗及污染物的排放, 评价中将与设备、基建设施相关的系统排除在研究范围之外。对焊料进行
22、生命周期评价就是要对其生命过程中的输入、输出进行汇编, 从而就其对环境的影响性进行评价。也就是对焊料的生产、使用、最终处理过程中的资源、能源输入以及污染物的输出进行汇编和量化, 对于其引起的环境负荷通过建立特征化的数学模型, 将所得数据转化成描述影响的叙词, 最后根据前几个阶段的研究分析结果、形成结论, 并解释其结论、提出建议。2.2 LCA在其他方面的一些应用2.2.1 钢铁生产的环境协调性评价在我国,钢铁生产主要有高炉 2转炉 BFPBOF 和直接还原 2电炉 DRIPEF 2 种生产流程. 两者的主要区别在于前者工序比后者复杂,因为后者不仅省去了烧结和炼焦 2 个工序,且电炉炼钢过程中以
23、废钢铁作为原料.在进行环境协调性评价之前,为简化研究系统,对评价过程进行以下界定和假设:a. 工艺相关的基础设施排除在研究范围之外.b. 2 种流程所得产品的使用、废弃和循环过程完全相同,所研究的系统仅包括从原料开采直至钢铁产品产出的过程.c. 每一子过程的功能单元为所生产出的吨产品.d. 每一子过程只有 1 种主产品,其余作为副产品处理.e. 废钢的环境负荷为零.将 BFPBOF 工艺流程作为基准,可以得出 DRIPEF 和 BFPBOF 2 种工艺的综合相对环境指数 Ie . 由 2 种工艺得出的产品铁的 Ie 为 60. 22 % ,亦即在铁生产过程中,DRIPEF 工艺所产生的环境负荷
24、只有 BFPBOF 工艺所产生的环境负荷的60. 22 % ,这主要是因为 DRIPEF 工艺省略了烧结和炼焦 2 个子过程. 由 2 种工艺所得出的产品钢的 Ie 更低,只有 52. 4 % ,这是由于炼钢所用原料不同. DRIPEF 工艺采用环境负荷为 0 的废钢为原料,而 BFPBOF 工艺采用环境负荷大的熔融铁作为主要原料.2.2.2 镁合金在笔记本电脑外壳材料替代中的环境协调性评价笔记本电脑外壳的作用主要表现在“保护、散热、美观”这三个方面。因此笔记本电脑外壳材料要求强度高、耐热、具有电磁屏蔽性、尺寸稳定和外观性好。一般来说, 笔记本电脑外壳材料主要有三种:硬度塑胶外壳、金属合金和碳
25、纤合金。而钛合金和碳纤合金纤维由于价格原因, 目前只在少数笔记本电脑上采用。所以, 现在就最常用的材料: 镁合金( AZ91D) 和塑料( ABS) 笔记本电脑外壳材料进行评价。根据研究可得到以下结论：( 1) 在材料的性能方面, 与塑料相比, 镁合金具有强度高、导热导电性好、电磁屏蔽高等优良性能,可以满足笔记本电脑高度集成化、轻薄化的要求, 从而可以提高产品性能和使用时的舒适性;( 2) 在环境相容性方面, 镁合金能源消耗、温室气体的排放分别为塑料的 284. 91%、138. 46%。但其在资源消耗、酸化效应, 人体毒害以及回收利用上较塑料有较大优势。且镁合金生产过程的废渣置于专门的堆场。
26、废水的排放量很小, 主要是用于冷却的循环水, 基本无毒。而塑料的废渣为 171. 88kg、废水为 81. 5kg 326kg。因而, 在结合镁合金高性能的情况下以及我国的实际情况( 镁资源丰富而石油短缺) , 应加大对镁合金材料的应用;( 3) 从保护环境, 实现可持续发展的角度出发,在加大对镁合金研究和应用时, 尤其应加强其在能源消耗和温室气体排放方面的研究与应用, 减小其在环境方面的影响。三、结语( 1) 环境协调性评价(LCA) 是系统评价产品环境影响( 负担) 的良好方法, 也是工业环保的重要工具和基础。当前我国在科学发展观的指导下, LCA 方法已经成为新型工业化道路的重要组成部分
27、和国民经济与社会发展的保障, 最近的化工厂爆炸及污染事故给了我们很大的警醒和督促。( 2) 在数据收集、处理和代表性等关键问题上, 因技术和管理水平方面差异, 数据信息共享性较差, 建议各行业产业协会分工协作, 完成相关产品的数据收集与验证、数据库更新、软件研发和接口工作。( 3) 目前国内的 LCA 研究大都面向产品进行, 对工艺过程的研究较少, 即使面向工艺过程进行评价, 也并没有考虑将具体的工艺参数和环境性能进行结合, 这个现象值得重视。( 4) 目前国内 LCA 软件系统及其数据库开发的水平和国外相比尚有很大差距, 而这是 LCA 研究的重要方向和基础。我们必须在积极借鉴国外先进经验的
28、基础上实施本土化战略, 开发适宜我国国情、并能与现行财务体系匹配、以及物质资源管理信息系统、乃至计算机制造集成系统(CIMS) 融合的产品 LCA 系统及其环境信息管理系统。( 5) 中国企业把自身活动纳入社会的可持续发展总趋势中的意识较差, 如何让LCA 评价结果实现产业环境效益和经济效益的双赢是一个重要的研究方向。( 6) 国内领导层、学术界、产业界等相关领域的人士应当加强合作交流, 争取国内 LCA 技术从理论到应用都能早日达到国际先进水平。参考文献：题名 作者 类型 杂志名 年、卷 页码表面技术与环境协调性王金寅 J 材料保护 2002年 11 月 第 35卷 第 11 期18-20环境协调性评价及研究进展李贵奇 和敏 刘业翔J 武汉理工大学学报2002 年 2 月第 24 卷第 2 期79-82生态环境材料及环境协调性评价李 涛毕站英J 内蒙古科技与经济2004 年第 4 期67-68无铅焊料的环境协调性评价王晓霞 龚先政 王志宏J 节能与环保2008年 01期 40-43镁合金在笔记本电脑外壳材料替代中的环境协调性评价赵建华 尹冬梅 黄慧兰J 轻金属 2009 年第 3期 62-64钢铁生产的环境协调性评价李贵奇 聂祚仁 周和敏 刘业翔 左铁镛J 中南工业大学学报2002年 4月第33 卷第 2 期145-47
