新兴循环柔性塑料食品和非食品包装的生命周期评估与生命周期成本核算

《Resources, Conservation and Recycling》：Life cycle assessment and life cycle costing of emerging circular flexible plastic food and non-food packaging

闭环回收食品和非食品多材料多层柔性塑料包装的环境经济评估与技术创新

　　当前，食品（F）和非食品（NF）多材料多层（MuMu）柔性塑料包装的闭环回收仍然是一个具有挑战性的课题，尽管现有的技术已经取得了一定进展。目前，这类包装主要通过焚烧和填埋进行处理（即基准情景）。为了克服这些障碍，研究者提出并比较了两种创新的回收情景：一种是仅生产NF包装，另一种是通过示踪技术将F和NF包装分离，从而同时生产F和NF包装。这两种情景均采用先进的机械和物理回收技术，最终生产出新型聚乙烯（PE）基单材料多层包装，其原料来自PE后消费回收材料（PCR）。研究结果显示，与基准情景相比，这两种创新情景在气候变暖、化石资源使用、矿物和金属资源使用、淡水生态毒性、颗粒物排放和酸化等方面均实现了16%至52%的环境影响减少，经济成本评估（LCC）也呈现出相似的趋势（41–49%的降低）。然而，由于材料损失和包装设计的限制，这些循环并未完全闭合。

随着欧盟议会和委员会提出的《包装和包装废弃物法规》（PPWR）的实施，到2030年所有包装都必须可回收，这促使了柔性塑料包装（FPP）在设计上的创新，特别是设计用于回收和从回收中获取材料。然而，将PCR用于食品接触应用仍面临技术和法规的双重挑战，尤其是对于食品包装。根据欧盟法规2022/1616及其修正案2025/351，PCR的使用仅限于那些源自食品包装废塑料或经过欧洲食品安全局（EFSA）批准的回收过程。因此，PET、HDPE和PP在受控闭环系统中用于生产新的水果和蔬菜托盘时是被允许的。此外，EFSA还批准了航空餐厨用品（如聚丙烯（PP）、苯乙烯丙烯腈树脂和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）餐具的回收。这些限制表明，虽然PCR在某些领域被认可，但其在食品包装中的应用仍需谨慎对待。

多材料多层结构的出现是高性能包装发展的结果，这使得传统上难以回收的MuMu塑料包装成为了一个重点研究对象。由于缺乏足够的收集、分类和回收基础设施，MuMu包装通常被焚烧或填埋。这不仅造成了资源浪费，也增加了环境负担。由于其复杂的多材料组成，例如聚乙烯（PE）、PET、聚酰胺（PA）和PP，以及铝层的存在，MuMu包装的分离难度较大。此外，近红外（NIR）光谱等分类技术无法准确识别MuMu包装，也无法可靠地区分食品和非食品包装废弃物，从而阻碍了食品包装的闭环回收。与此同时，由于不同材料之间的不相容性，以及非有意添加物质（如污染物）的存在，导致PCR的再粒化行为不一致，产品质量问题频发，同时还存在异味问题。

在经济可行性方面，由于低经济吸引力和市场需求有限，使得MuMu包装的回收进一步受到限制。尽管如此，当前的回收系统主要设计用于单材料（即Mono-Material）的回收，这促使了机械、化学、热化学和生物化学回收技术的快速发展。然而，这些技术在实际应用中仍面临诸多挑战，包括如何有效提高PCR的适用性、如何降低回收成本以及如何确保材料的高质量再利用。

在研究方法上，本文采用了生命周期可持续性评估（LCSA）框架，结合生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）的方法，对两种创新回收情景进行了系统评估。研究的系统边界覆盖了从“废物到门”（waste to gate）的整个流程，包括收集、分类（包括使用示踪技术进行分类）、预处理、净化（通过选择性溶解和/或分层剥离与脱墨）、后处理（如复合和除臭）、以及最终的包装生产。此外，研究还应用了材料流分析（MFA）来量化不同情景下的材料损失，并通过Sankey图进行可视化，以支持LCA和LCC的分析。

在研究中，两种创新情景分别对应于S1和S2。S1情景中，食品和非食品包装废弃物仍然混合在PE富集的塑料包装废弃物流中，仅生产NF包装，其结构为双层MoMu，包含54%的PE PCR。而S2情景则利用示踪技术将食品和非食品包装分离，分别进行净化处理，最终生产出食品包装（三层数字MoMu结构，含50% PE PCR）和非食品包装（双层数字MoMu结构，含54% PE PCR）。这种设计上的创新不仅提高了材料的回收率，还通过减少对新原料的需求，降低了环境影响。

在经济评估方面，研究采用了成本生命周期评估（cLCC）方法，考虑了直接内部成本，如投资成本（CAPEX）和运营成本（OPEX），并排除了外部成本（如健康影响）。此外，还引入了“绿色溢价调整成本”（GPAC），以反映环保型产品（如包含PCR的包装）与传统产品（如100%新原料包装）之间的价值差异。研究发现，两种创新情景相比基准情景（S3）均实现了显著的经济和环境优势，其中S1情景的环境影响减少为16–33%，S2情景则为16–52%。从经济角度，S1情景的成本降低为41%，而S2情景为49%。然而，由于PE PCR的掺入比例限制以及材料损失的存在，闭环系统尚未完全实现。

在生命周期评估（LCA）中，研究涵盖了六个关键影响类别：气候变暖、化石资源使用、矿物和金属资源使用、淡水生态毒性、颗粒物排放和酸化。结果显示，与基准情景相比，创新情景在这些类别中均表现更优。特别是，在S2情景中，由于分离了食品和非食品包装，并且分别进行了脱墨和选择性溶解处理，使得PCR的使用效率显著提高，从而减少了对新原料的需求。这不仅降低了资源消耗，也减少了碳足迹和生态毒性。此外，通过引入绿色溢价概念，研究进一步增强了经济评估的全面性，反映了环保包装在市场上的溢价。

在方法论上，本文还探讨了LCA和LCC在可持续性评估中的结合问题。虽然LCA和LCC的结合在某些情况下具有优势，但LCC的方法仍处于发展阶段，标准化程度较低，不同研究之间的应用存在差异。因此，研究强调了方法论的一致性和透明度的重要性，并指出在某些影响类别（如酸化和淡水生态毒性）中，LCA模型的成熟度相对较低，需要进一步改进。此外，本文还提到，如果考虑社会生命周期评估（S-LCA），可以更全面地分析回收系统的社会影响，但目前的研究尚未涉及。

在情景分析中，研究探讨了不同选择对环境和经济结果的影响。例如，通过分析2050年欧盟的电力结构变化，研究发现，随着可再生能源比例的增加，电力相关的环境影响会显著降低。此外，通过调整PE和能源成本的±25%，研究还评估了经济上的敏感性。结果显示，PE价格的下降对经济结果有较大影响，特别是在基准情景中，其成本比创新情景低。然而，由于创新情景中的高绿色溢价，其总体经济优势更为显著。

在讨论部分，研究指出当前回收系统的主要局限性，包括材料损失、分类技术的不足以及法规对PCR在食品包装中的使用限制。这些因素共同影响了闭环回收的实现。此外，研究还强调了材料设计的重要性，特别是在确保PCR的高效利用和减少对新原料依赖方面。例如，通过将MuMu结构转换为MoMu结构，并使用无溶剂粘合剂和分层剥离剂，可以提高分层效率，减少材料损失。同时，这些设计改进也有助于提高包装的可回收性。

从长远来看，研究建议进一步探索化学回收技术以及生物基材料的应用，以提高PCR的适用性和减少对新原料的需求。此外，提高收集和分类效率也是实现闭环回收的关键。研究还提到，如果能够实现更高比例的PCR使用，可能会进一步降低环境影响和提高经济可行性。然而，目前的挑战在于如何平衡材料性能、成本效益和环保要求，特别是在食品包装等敏感领域。

总体而言，本文的研究为实现食品和非食品柔性塑料包装的闭环回收提供了重要的参考。通过结合LCA和LCC，研究不仅评估了环境影响，还考虑了经济成本，从而为政策制定者和行业提供了科学依据。然而，未来的研究仍需在材料流分析、分类技术优化、成本结构改进以及社会影响评估等方面进行深入探讨，以推动更加可持续的包装系统。