碳酸乙烯酯、二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮作为聚偏二氟乙烯-勃姆石复合膜制备溶剂的生命周期比较评估（从摇篮到大门）

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Comparative Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment of Ethylene Carbonate, Dimethylformamide, and N-Methyl-2-pyrrolidone as Solvents for Polyvinylidene Fluoride-Boehmite Composite Membrane Fabrication

　　

本研究采用实验室规模的方法，对PVDF-勃姆石复合膜的环境溶剂浇铸工艺进行了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA），重点量化了与溶剂生产相关的前端环境负担。研究使用碳酸乙烯酯（EC）作为有毒溶剂（如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和二甲酰胺（DMF）的环保替代品。评估遵循ISO 14040标准，功能单位为1000平方米的膜面积。环境影响分析涵盖了ReCiPe 2016（H）中的十个中间指标类别：全球变暖潜能（GWP）、电离辐射潜能（IRP）、颗粒物形成潜能（PMFP）、陆地酸化潜能（TAP）、陆地生态毒性潜能（TETP）、淡水生态毒性潜能（FETP）、海洋生态毒性潜能（METP）、人类致癌毒性潜能（HCTP）、人类非致癌毒性潜能（HNCTP）以及土地占用潜能（LOP）。研究结果表明，在假设各种溶剂体系的膜物理性质相同的情况下，基于NMP的体系每平方米膜的前端环境负担最高（GWP = 25,325千克CO?当量/1000平方米），其次是DMF（21,435千克CO?当量/1000平方米）和EC（19,914千克CO?当量/1000平方米），使用EC相比NMP可减少约21%的GWP。通过使用欧盟27国的Delft价格因子作为中间指标的权重，计算出的综合环境加权指标显示EC的环境影响较低（4022欧元/功能单位），而NMP为5126欧元/功能单位。不同溶剂体系在毒性相关指标上的差异反映了前端生产负担的差异，但由于缺乏特定场所的扩散数据，干燥过程中溶剂蒸汽的排放并未被纳入模型。比较性LCA结论仅限于在假设膜厚度、面积质量和孔结构相同的情况下评估的前端溶剂生产负担；虽然承认需要通过实验验证NMP、DMF和EC体系之间的性能等同性，但这被视为未来研究的建议。本研究无法证明使用EC、DMF和NMP生产的膜在渗透性、截留率、污染倾向、机械稳定性、清洁要求或使用寿命等方面具有同等性能。在配方恒定的假设下，EC每平方米膜的前端生产负担较低。仅考虑电力成本的敏感性分析显示，尽管制造过程中电力消耗不同（352千瓦时/功能单位 vs 27,540千瓦时/功能单位），但总GWP的变化仅为1.4–2.3%，这代表了电力对整个供应链影响的下限估计。在所考虑的实验室规模从摇篮到大门的系统中（1000平方米的膜，相同的掺杂配方和浇铸工艺），结果表明用碳酸乙烯酯替代NMP和DMF可以减少前端环境负担，并且电力成本对总体影响的影响较小。在假设各种溶剂体系的膜物理性质相同的情况下，EC在这三种溶剂中表现出最低的前端环境负担。本研究的经济评估仅限于使用环境成本指标对环境影响进行货币化。