《Recycling》：The Energy and Environmental Tradeoffs of Upcycling Waste Plastics via 3D Printing
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自20世纪50年代以来，塑料产量已增长200倍，这归因于其多功能性和轻质特性，然而全球仅有9%的塑料废弃物得到回收。将废弃塑料升级再造为三维打印原料，提供了一种颇具前景的策略，可延长材料使用寿命、减少对原生材料的需求，并将废弃物从填埋场和焚烧设施中分流。本研究
自20世纪50年代以来，塑料产量已增长200倍，这归因于其多功能性和轻质特性，然而全球仅有9%的塑料废弃物得到回收。将废弃塑料升级再造为三维打印原料，提供了一种颇具前景的策略，可延长材料使用寿命、减少对原生材料的需求，并将废弃物从填埋场和焚烧设施中分流。本研究评估了通过熔融颗粒制造（FGF）三维打印对废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）进行本地升级再造，相对于美国传统PET回收系统和原生生产路径的能源与环境权衡。研究人员在OpenLCA v2.5.0软件中，使用Ecoinvent v3.12数据库，以1 kg PET原料的质量基准作为参考流以归一化不同产品间的输出，开展了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA）。研究评估了六种情景，包括原生PET瓶和再生PET瓶、原生聚酯纤维和再生聚酯纤维，以及使用美国平均电力结构或现场太阳能电力，通过三维打印将废弃PET薄片本地制造为家具。分析发现，与原生对应物相比，PET回收利用，或使用太阳能而非电网电力进行三维打印升级再造，可将能源需求和排放降低7%至80%。
论文解读
一、研究背景与问题
塑料因其多功能性和相对低廉的成本而成为广泛使用的制造材料，广泛应用于纺织、食品包装和医疗器械等众多行业。尽管最早的合成塑料于20世纪初问世，但大规模生产始于20世纪50年代。此后，塑料废弃物的产生量急剧增加，其中大部分最终进入填埋场。在美国，进入城市固体废弃物（MSW）流中的塑料从1960年的39万吨增加到2018年的3600万吨，其中75%最终被填埋。塑料被分为七大类，其中PET、高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP）是进入城市固体废弃物流最常见的塑料类型。尽管大部分废弃PET被填埋，但它是最广泛回收的塑料之一，美国废物流中近30%的PET瓶最终被回收。在美国，PET回收通常始于消费者将可回收物放入收集箱，随后运至材料回收设施（MRF），在那里通过人工和自动化相结合的方式进行分类，再打包运至回收加工商，加工成薄片作为制造原料。美国再生PET的主要终端用途是纤维产品和食品饮料容器。
尽管已有大量关于PET瓶制造、聚酯纤维生产和回收系统的生命周期评估研究，但据研究人员所知，尚无研究将这些路径与三维打印升级再造进行对比。此前的研究多评估含原生与再生原料混合物的系统，而本研究考察的情景完全由原生、再生或升级再造材料组成。该研究填补了美国原生生产、传统回收情景与增材制造升级再造之间在相对能源需求和环境权衡方面的认知空白。
二、研究内容与结论
本研究旨在评估美国PET原料最常见的终端用途与使用FGF三维打印本地制造再生PET产品之间的能源和排放影响。研究在从摇篮到大门（cradle-to-gate）边界内评估了六种情景：使用原生材料生产塑料瓶、使用再生材料生产塑料瓶、使用原生材料生产纺织品、使用再生材料生产纺织品、使用废弃PET薄片和美国平均电力结构进行本地FGF三维打印家具制造，以及使用废弃PET薄片和现场太阳能进行本地FGF三维打印家具制造。研究以1 kg PET原料输入的质量基准作为功能单位，以归一化不同几何形状和制造情景的产品输出。系统边界始于PET原料的生产或回收，止于最终产品的制造完成，不包括使用阶段和最终产品的寿命终结处理。
研究得出以下主要结论：回收PET相比其原生对应物，能源需求降低超过50%；太阳能驱动的三维打印情景相比电网驱动情景，能源需求降低近一半。在环境影响方面，再生PET情景的全球变暖潜势（GWP）比原生对应物低40%以上，而使用现场太阳能的二维打印情景比使用美国平均电网结构的情景低80%。颗粒物形成（PMF）和水消耗也呈现类似趋势。基线三维打印情景的累积能源需求比太阳能对应情景高约88%，这一差异主要归因于现场太阳能避免了传统电网中火电厂的能量损失。研究还发现，三维打印情景的GWP主要由电力使用驱动，表明其环境性能对电力来源高度敏感。
三、关键技术方法
研究人员使用openLCA v2.5.0软件和Ecoinvent v3.12 Cutoff Unit数据库开展了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA）。采用cutoff分配方法，即再生材料不承担先前生命周期的负担，仅包括其回收过程中的收集、运输、分选和再处理负担。影响评估方法采用累积能源需求（CED）和ReCiPe 2016 v1.03中点层次主义（H）方法。运输距离数据来自Thomasnet.com平台上的瓶制造商、地毯与地毯研究所（CRI）成员目录中的地毯制造商，以及美国PET容器资源协会（NAPCOR）的PET回收加工商，取平均距离构建LCA模型。三维打印情景的电力来源分别建模为美国平均电网结构和单晶硅倾斜屋顶太阳能光伏（PV）电力。
四、研究结果
4.1 能源需求
累积能源需求（CED）结果显示，两个现状回收情景的能源需求比其原生对应物低50%以上，太阳能驱动的三维打印情景的能源需求比电网驱动对应情景低近一半。情景间的能源结构发生变化，太阳能三维打印情景具有更多可再生能源来源，这归因于现场太阳能电力。其余五个情景使用美国平均电力结构。
4.2 环境影响
气候变化的全球变暖潜势（GWP）结果显示，再生PET情景的GWP比原生对应物低40%以上，使用现场太阳能的二维打印情景的GWP比使用美国平均电网结构的情景低80%。颗粒物形成（PMF）结果显示，原生产品和基线三维打印的PM2.5当量最高，基线三维打印因平均电网的烟囱排放而具有更高影响。水消耗结果显示，再生塑料的水消耗小于原生塑料，太阳能驱动的三维打印比电网驱动的水消耗更少。除这三个主要环境影响外，研究还使用ReCiPe方法计算了十八个中点类别。
五、讨论与结论
讨论部分指出，三维打印情景的环境性能对电力来源高度敏感，太阳能替代电网可大幅降低气候变化影响。三维打印情景的材料产率最低，为67%，即1 kg废弃PET薄片产出0.67 kg打印产品，而瓶制造的材料效率为87%，纺织制造约为95%。低产率表明随着技术成熟，三维打印的环境绩效有望改善，更大的打印能力可提高材料效率并降低电力消耗。研究使用cutoff分配方法，若采用APOS方法，再生与原生对应物之间的差异预计会缩小；若采用 consequential方法，差异预计会增大。研究的局限性在于使用三个独立的功能单位，因为有三对情景制造不同产品，且各情景具有不同的终端用途功能和寿命。
研究结论的关键要点为：将美国平均电网结构替换为太阳能电力可大幅改善本地化三维打印在工厂大门前的环境绩效；基线和太阳能驱动的三维打印情景相对原生材料生产可能具有环境优势；持续的技术改进，特别是提高材料效率和降低电力消耗，有望进一步改善三维打印的环境绩效。未来研究应扩展系统边界以涵盖包装、使用和处置阶段，由于本地化三维打印可在使用点或附近生产产品，可消除产品包装需求并大幅减少运输要求，扩展到从摇篮到坟墓的评估将提供更全面的比较。
