纺织品废弃物亚临界与气相甲醇解增值的环境效益评估：过程建模与生命周期评价集成框架

《Waste Management》：Assessing the environmental benefits of textile waste valorization via methanolysis

　　

基于甲醇解（methanolysis）的纺织品废弃物增值（textile waste valorization）环境效益评估：该研究构建了集成过程建模（process modeling）与生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）的计算框架。研究表明，通过甲醇解工艺生产聚对苯二甲酸乙二醇酯（poly(ethylene terephthalate), PET）单体相较于原生（virgin）生产方式具有环境效益。研究人员在多种情景下分析了亚临界（subcritical）与气相（vapor phase）两种甲醇解工艺变体的环境影响。

纺织品行业是全球第二大污染行业，其废弃物、碳排放与废水排放分别约占全球总量的5%、10%和20%。全球纺织废弃物年产生量约为9200万吨，预计2030年将增至1.34亿吨；然而美国环保署估计仅有约15%的纺织废弃物被回收，闭环回收利用率不到1%。在各类纤维中，PET因广泛使用且回收率低而尤为突出。机械回收虽简单经济，但会缩短纤维长度、降低品质，且每轮回收都会增加微塑料释放。化学解聚可将PET分解为对苯二甲酸二甲酯（DMT）与乙二醇（EG）单体，再聚合成原生级聚合物，从而减少化石燃料依赖和废弃物产生，其中甲醇解因单体纯化简便、能处理低纯度原料而备受关注。目前文献中已有低温、超临界、气相和亚临界四种甲醇解变体，其中气相和亚临界变体操作条件适中、无需共溶剂且反应时间短。然而，现有研究仅针对单一变体开展分析，缺乏在统一建模假设和系统边界下对两种变体进行单元级环境贡献的交叉比较；同时，过程模拟和LCA虽分别被应用，却尚未在多分配方法下整合比较。为此，研究人员提出了一个集成过程建模与LCA的计算框架，系统评估亚临界与气相甲醇解两种工艺变体在两种分配情景下的环境表现，并识别影响贡献单元及关键工艺变量。

研究以美国年处理20万吨PET纺织废弃物的商业规模装置为对象，从产品视角出发，采用“截止法”（cut-off approach）处理废弃物输入，系统边界为“从摇篮到大门”（cradle-to-gate）。在质量分配情景中，以生产1 kg DMT和1 kg EG分别作为功能单位；在组合质量情景中，以生产1 kg EG与DMT作为功能单位。结果显示：在质量分配情景下，亚临界-DMT的气候变化影响比原生路线低36%，气相-DMT比原生低约23%；气相-EG比原生低35%，而亚临界-EG则因下游分离能耗过高而高于原生。在组合质量情景下，气相变体的气候变化影响低于原生路线，亚临界变体则略高于原生。两种甲醇解变体的能耗和水使用大多低于原生路线。影响贡献分析表明，蒸汽是两种变体最主要的环境影响驱动因素，亚临界工艺的加热器和蒸馏塔贡献约81%的气候变化影响，气相工艺的主要贡献来自加热器。敏感性分析显示，将蒸汽能源改为沼气和生物质可显著降低气候影响，使所有甲醇解路线均优于原生路线；甲醇回收率从约95%降至87%时，亚临界和气相变体的气候影响分别增加26%和21%，其中气相变体在87%回收率下仍优于原生，而亚临界变体须保持高回收率并采用替代燃料才能获得环境效益。该研究首次在多种分配情景下实现了两种甲醇解变体的单元级系统比较，为纺织废弃物化学回收工艺的可持续选型和优化提供了方法学支撑与数据基础。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）过程模拟：在UniSim Design中构建年处理20万吨PET纺织废弃物的亚临界（160 ℃）和气相（270 ℃）甲醇解全流程模型，选用扩展非随机双液（NRTL）流体包，设定完全解聚条件，并参照已发表的实验与模拟数据验证关键输出；（2）生命周期评估：遵循ISO 14040/14044标准，使用openLCA v1.10.3软件，采用环境足迹（EF 2.0）数据库及影响评价方法，评估气候变化、能源使用、水使用、酸化、淡水富营养化、土地利用、淡水生态毒性、人类毒性（癌症）和人类毒性（非癌症）等九类影响；（3）分配方法：分别采用质量分配和组合质量两种情景；（4）敏感性分析：针对蒸汽能源来源和甲醇回收率进行分析。样本队列来源为美国PET纺织废弃物年产生量462万吨，据此估算可布置约23座同等规模工厂；分选预处理库存数据来自文献，过程清单数据来自过程模拟结果。

**质量分配情景：气候变化影响。** 研究对两种甲醇解变体生产单位DMT和EG的气候变化影响进行量化，并与原生路线比较。亚临界-DMT比原生工艺减少36%的CO₂eq.排放，气相-DMT为1.06 kg CO₂eq./kg，仍低于原生的1.37 kg CO₂eq./kg。蒸汽消耗是亚临界-EG的88%排放来源，使其排放量高达气相-EG和原生EG的3.8倍和2.5倍；气相-EG（1.17 kg CO₂eq./kg）则低于原生EG（1.80 kg CO₂eq./kg）。差异源于反应温度、分离剂选择和下游工艺设计。

**质量分配情景：能源使用影响。** 两种变体生产DMT的能耗均低于原生路线（亚临界21.1 MJ/kg，气相23.8 MJ/kg，原生47.6 MJ/kg）；气相-EG能耗最低，亚临界-EG能耗最高（79.3 MJ/kg），原因是亚临界工艺以水为结晶剂，导致EG/水分离需要更大型蒸馏塔和更高蒸汽负荷。

**质量分配情景：水使用影响。** 亚临界-DMT和气相-DMT的水使用分别比原生低63%和41%；亚临界-EG和气温-EG分别比原生低28%和39%。冷却水是主要水耗来源，影响主要由下游分离和冷却设备设计决定，而非反应条件。

**组合质量情景：气候变化、能源与水使用影响。** 以生产1 kg EG+DMT为功能单位时，气相变体的气候变化影响为1.09 kg CO₂eq./kg，低于原生路线的1.48 kg CO₂eq./kg；亚临界变体为原生的1.15倍，蒸汽占其总影响的70%。在能源使用方面，亚临界和气相分别为34.6和24.1 MJ/kg，均低于原生的47.5 MJ/kg；两种甲醇解变体的水使用（0.170和0.188 m³/kg）也均低于原生路线