提升陶瓷砖烧成阶段CO2排放评估可靠性：基于生命周期评价（LCA）的新方法

《Environmental Impact Assessment Review》：Toward a more reliable evaluation of CO 2 emissions from the firing stage of ceramic tiles within the life cycle assessment (LCA) methodology

为解决传统生命周期评价（LCA）在评估陶瓷砖生产环境 impacts 时忽略烧成阶段原料物理化学转化产生CO2排放的问题，研究人员开展了针对陶瓷砖烧成阶段CO2排放的可靠评估研究。通过整合化学与矿物组成、结构水损失（SWL）估算和烧失量（LOI）数据，提出新方法量化并纳入生命周期清单（LCI）。结果表明，考虑这些额外排放可使气候变化影响增加8.4%，并首次提出赋予以粘土矿物中有机质（OM）来源CO2的全球变暖潜能（GWP）值为1。该研究为更准确评估陶瓷制造业碳足迹提供了新框架。

　　

陶瓷制品，尤其是瓷砖，是现代建筑中不可或缺的材料。然而，其生产过程，特别是高温烧成阶段，是典型的能源密集型和高碳排放环节。为了实现欧盟（EU）到2050年碳中和的目标，对包括陶瓷制造业在内的"难减排"工业部门进行更真实的环境影响评估变得至关重要。目前，在陶瓷砖生产的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）研究中，对烧成阶段二氧化碳（CO₂）排放的核算通常仅考虑天然气燃烧产生的排放，这源于燃烧反应的化学计量计算。但烧成过程中，陶瓷坯体原料自身发生的物理化学变化，如无机碳酸盐（如方解石）的分解和有机质（Organic Matter, OM）的燃烧，同样会释放出相当量的CO₂。这些"材料相关"的排放源在当前的主流LCA实践中被普遍忽略，导致了陶瓷砖碳足迹的系统性低估。这种忽略主要源于烧成过程物理化学现象的复杂性，以及准确量化原料中有机质含量的困难。因此，开发一种可靠的方法来量化这些被忽视的排放，并将其整合到LCA框架中，对于提升环境评估的准确性、支持行业减排和欧盟碳中和目标的实现具有紧迫的现实意义。

为了更可靠地评估陶瓷砖烧成阶段的CO₂排放，来自意大利摩德纳和雷焦艾米利亚大学的Andrei Ungureanu、Antonella Sola、Paolo Neri、Roberto Rosa、Alessandro Gualtieri和Anna Maria Ferrari研究团队在《Environmental Impact Assessment Review》上发表了一项研究。该研究旨在开发一个稳健且可复现的计算协议，用于确定陶瓷原料中有机质和无机碳酸盐的含量，从而量化烧成过程中产生的CO₂排放，并将其纳入LCA框架。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键技术方法。首先，他们基于陶瓷坯体的化学和矿物学组成，建立了一套理论计算结构水损失（Structural Water Loss, SWL）的方法，以修正传统烧失量（Loss on Ignition, LOI）法在估算有机质含量时的误差。其次，通过化学计量学计算了无机碳酸盐（如方解石）分解产生的CO₂。接着，利用修正后的LOI数据（LOI = SWL + 无机碳（IC）含量 + OM含量）推算了坯体中的OM含量，并进一步估算了有机碳（Organic Carbon, OC）含量。然后，他们将计算得到的来自OM燃烧和IC分解的CO₂排放量纳入生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI），进行了对比性的LCA研究。最后，他们挑战了传统上对生物源CO₂的气候中性假设，首次应用基于Bern 2.5CC碳循环模型的脉冲响应函数（FIRF）模型，评估了赋存在粘土矿物中有机质燃烧所产生CO₂的全球变暖潜能（Global Warming Potential, GWP）值。

材料和方法

研究选取了意大利萨索洛陶瓷产区一家知名公司代表性的瓷器质瓷砖坯体配方，包含41.0%的粘土、44.5%的长石、12.6%的石英砂以及少量氧化铝和硅酸钠。研究人员从文献中检索了所用各种原料（如来自乌克兰、土耳其、德国、意大利的粘土和长石）的化学组成和矿物学组成数据。通过理论计算，确定了主要粘土矿物（如高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、白云母）在烧成过程中的结构水损失（SWL）百分比。进而，通过公式OM = LOI - SWL - IC，更准确地估算了坯体中的有机质（OM）含量，并假设OM中含有51.7%的有机碳（OC）。最终，计算了每平方米瓷砖（对应24.5 kg坯体）因原料物理化学转化产生的CO₂排放量。

结果：环境影响

传统的LCA（参考情景A）显示，生产1平方米瓷砖的烧成阶段导致4.93 kg CO₂当量的气候变化影响，其中87.2%来源于天然气燃烧产生的化石源CO₂。当将计算得到的原料转化产生的CO₂排放（0.41 kg CO₂/m²，其中来自IC分解的为0.10 kg，来自OC燃烧的为0.31 kg）纳入清单后（LOI情景B），气候变化影响增至5.35 kg CO₂当量，相较于参考情景增加了8.4%。

结果：比较生命周期评估——物理化学过程的作用

这项比较分析清晰地表明，忽略原料在烧成过程中的CO₂排放会导致对气候变化影响的显著低估。这8.4%的增长凸显了在陶瓷砖LCA中考虑这些额外排放源的必要性。

结果：敏感性分析

为了评估不同原料来源对结果的影响，研究人员进行了敏感性分析。他们保持坯体总配方不变，但替换使用具有不同OC和IC含量的粘土和长石组合。分析结果显示，气候变化影响的增加幅度（Δ_CC）可在2.5%到26.5%之间大幅波动，具体取决于所选原料的碳含量。这进一步证实，对于使用富含有机质和碳酸盐原料的陶瓷配方，传统LCA的低估程度会更为严重。

讨论：烧成阶段物理化学过程相关CO₂排放的全球变暖潜能（GWP）

本研究的一个核心创新点在于对生物源CO₂ GWP值的重新审视。传统的LCA方法通常假设生物质燃烧产生的CO₂是气候中性的（如0/0或1/-1方法），因为这被认为是短期碳循环的一部分。然而，本研究认为，对于赋存在粘土矿物中的有机质，情况则完全不同。粘土开采是一种导致土地长期转型的活动，严重破坏了当地的生态系统和地下水，使得植被在原址的自然再生极其困难甚至不可能。同时，与粘土矿物结合的有机碳在自然状态下具有极长的周转时间（可达数千年），意味着它本应被长期封存。陶瓷制造中的开采和烧成过程，实质上是将这部分长期封存的碳以单脉冲形式释放到大气中。通过应用成熟的碳循环模型（Bern 2.5CC）并考虑植被再生受阻的情况（即再生周期r趋于无穷大），研究人员论证了在这种情况下，这类生物源CO₂在大气中的衰变行为与化石燃料产生的CO₂（人为源CO₂）无异。因此，他们提出应赋予其GWP值为1。同样，来自无机碳酸盐分解的CO₂，其碳源同样是地质尺度的封存碳，在烧成时被一次性释放，也应赋予GWP值为1。

讨论：模型的意义、适用性、局限性与发展前景

本研究提出的方法学具有重要的实际意义。它提供了一个可适应不同陶瓷产品（如砖瓦、耐火材料、卫生洁具）的通用框架，能够支持更透明的环境报告和更有效的低碳生产实践转型。通过该模型，制造商可以在产品设计阶段筛选碳排放更低的原料配方。该方法的准确性依赖于对原料矿物学和化学组成的了解，其模块化结构便于整合新的原材料数据。研究的局限性在于，当前协议最适用于像瓷器质瓷砖这样的高温烧成陶瓷，其结构水损失近乎完全。对于低温烧成陶瓷，可能需要考虑不完全脱羟基化的情况。未来的发展前景包括将该方法整合到主流的LCA数据库中，并扩展其应用于更广泛的陶瓷产品和原料类型。

结论

本研究首次将陶瓷砖烧成阶段原料物理化学转化产生的CO₂排放系统性地纳入LCA评估。通过建立基于坯体化学和矿物学组成的新计算协议，有效克服了传统LOI法的局限，更准确地量化了有机质和碳酸盐分解带来的排放。对比LCA表明，忽略这些排放会导致气候变化影响被低估8.4%，且在原料碳含量高时低估程度更甚。研究首次提出并论证了应对粘土矿物中有机质来源的CO₂排放赋予GWP值为1，这对传统生物源碳中性的假设提出了挑战。该研究框架显著提升了陶瓷制造业碳核算的准确性，为制定更科学的环境政策、行业实践和未来LCA标准提供了重要依据，直接支持欧盟的碳中和战略。