LCA的发展与应用.docx

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LCA的发展与应用

LCA的发展与应用

一、LCA的发展

1.1LCA的发展过程与概念

环境协调性评价起始于20世纪65年代末期的能源危机时期。

其基本思想起源于化学工程中的“物质-能量流平衡”方法,基本的理论依据是能量守恒和物质不灭定律,对产品的生产和使用过程中物质和能量的使用与消耗进行计算。

美国中西（Midwest）研究所于1969年用LCA对饮料容器的能耗进行评价；1990年国际环境毒理学和化学学会（societyofenvironmenttoxicologyandchemistry，简称SETAC）正式提出了“环境协调性评价”（LCA）术语，并将对产品或材料全过程的评估能耗思路推广到对其全过程能耗、资源消耗、废弃物排放等各个方面，既可对它们进行单项因素评估又可进行综合评价。

1993年6月成立的国际标准化组织环境管理标准化委员会（ISO/TC207）由6个分委会组成，其中：

SC5为“生命周期评定”委员会，它的任务就是研究产品的整个生命周期，即从开发、设计、制造、流通、报废到再利用的全过程中对环境的影响进行评价。

按照ISO14000定义,LCA是汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个寿命周期中所有的投入与产生对环境造成的和潜在的影响的方法。

自环境毒理学与化学学会（SETAC）于1990年正式提出LCA术语以来，其定义和规不断得到完善，10年来LCA的研究取得了巨大的进展，其研究围不断扩大，从传统的包装材料、容器等产品领域转向各种金属、高分子、无机非金属和生物材料，包括各类结构和功能材料。

LCA在我国一般称为环境协调性评价,它对一种产品、过程或活动的从原材料提取、材料制备直至最终废弃的整个生命周期因能源和资源消耗以与废物排放对环境所造成的潜在影响进行评价,并提出改善环境性能的建议和措施。

1.2LCA的特点

LCA区别于其它传统评价方法,有两个显著的特点。

首先,它具有全程性的特点,亦即它最大的优点在于扩展了系统的边界和研究围,对所研究系统在整个生命周期所造成的环境负荷或影响进行评价,而不仅仅对产生废物的生产过程进行评价,从而有效地防止了污染从生命周期的某一阶段转嫁到另一阶段的问题。

其次,它具有综合性的特点,不仅考虑废物对环境的影响,而且考虑因资源和能源的消耗而对环境造成的综合影响。

它的突出优点是以整体的观点来进行评价,从而避免了传统方法造成的因系统中某一过程环境负荷改善而造成另一过程环境负荷加重的污染转嫁问题。

1.2.1LCA的步骤

根据ISO和SETAC所制定的框架,LCA包括四个步骤:

（1）目标和围的界定:

确定研究的目的、围以与定义相应的功能单元。

（2）编目分析:

在物质平衡和能量平衡的基础上,对系统环境负荷进行数据收集的过程。

环境负荷包括资源、能源的消耗以与固体、液体和气体废弃物。

（3）影响分析:

在编目分析基础上,将环境负荷进行分类,对其潜在的环境影响进行评价特征化并进行量化处理的过程。

目前有多种对环境影响进行识别和定量评价的方法,但是,由Heigung等人提出的面向问题的方法是目前应用最广的一种方法。

这种方法的思路是,首先将不同环境负荷对特定的诸如温室效应,臭氧层破坏,酸雨等环境影响的相对贡献程度进行评价,例如,选用CO2作为众多环境负荷对温室效应的影响基准,根据它们对温室效应的损害程度,将对温室效应的综合结果表示为CO2当量值,然后再将酸雨、温室效应等不同的环境影响整合为一个总的环境影响值。

由于量化过程不是建立在科学的基础上,而是取决于决策者、专家或公众的意见,不同的价值取向和不同的人文背景将导致不同的量化值,因此这也是LCA评价中争议最多的一个阶段,目前,对于将不同的环境影响如何整合为一个具体的数值尚没有普遍可以接受的方法,而且对整合方法本身的可行性也没有统一的认识。

（4）环境改善（或环境解释）:

这是LCA研究的最终目的,根据编目分析或影响分析的结果,提出系统环境负荷改善的措施,或对不同系统的环境性能优劣进行评判。

1.2.2LCA方法的技术框架

LCA方法在不断地发展,从1990年SETAC会上的简单三角模型发展到ISO14040标准定义的技术框架（图1）可以充分体现出,其主要容包括以下几个方面：

（1）目标和围的确定，①功能单元②初始系统边界③地域和时间边界④数据质量要求；

（2）编目分析，在操作中要注意这3类问题:

①分配问题。

②能源问题。

在能源数据中要充分考虑能源的类型、转化效率等。

③所使用的数据应取尽可能长的一段时间。

（3）环境影响评估（4）环境解释，有以下3点共同特征:

①采取系统化的方法辨识、限定、检查、评价与提交最终解释结果;②无论是环境解释阶段部还是环境协调性评价或其他阶段之间,都是一种反复的过程;③提供LCA方法和其他环境管理技术的关联。

1.2.3LCA的局限性

从LCA研究的步骤可以明显看出,环境影响阶段的主观性对LCA的最终评价结果产生着很大的影响,严重影响着LCA结果的可信性。

实际上,影响LCA结果的可信性的原因是多方面的,这是由LCA方法自身特点和LCA方法论本身的不完善两个方面所决定的。

具体包括应用围的局限性、评估围的局限性、评估方法的局限性、时间和地域的局限性。

LCA中的环境影响评价具有地域性、时空性、滞后性、机理复杂以与影响因素多等特点,必须依靠专家的知识和经验才能解决,仅仅依靠数学模型和数据库这种定量方法已遇到许多难以克服的困难。

1.3LCA与MLCA的关系

1.3.1生态环境材料的介绍

人口膨胀、资源短缺、环境恶化是当今社会可持续发展面临的一大问题。

材料是人类赖以生活和生产的物质基础，新材料的不断出现和应用是人类文明进步的重要标志之一。

随着科学技术的发展，高质量、高性能的新材料不断出现。

但是由于对质量和性能的片面追求，伴随着材料的提取、制备、生产制造、使用和废弃过程，耗费了大量的资源、能源，并排放出大量的废气、废水和废渣。

各种统计数据表明材料与制品的制造使用与废弃过程是造成能源短缺、资源过度消耗和枯竭与环境污染的主要原因之一。

这就对材料科学家提出了一个新的课题，必须认真地对待资源、能源和环境问题，寻求材料的可持续发展途径。

生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料。

生态环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。

良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。

也就是说，这类材料对资源和能源消耗少、对生态和环境污染小，再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。

因此，所谓生态环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以优异环境协调性的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型材料，或改进、改造传统材料。

生态环境材料是一个全新的概念,尽管它的研究和开发刚刚起步,但是却显示了广阔的发展前景。

1.3.2MLCA与LCA

材料协调性评价（MLCA）体系，涉与到一个产品从原材料的采集获取到提炼，再到产品的加工、生产、储运、使用、废弃和回收的全过程，包括了对生态和环境影响的诸多方面。

因此，对不同品种的材料（如金属、瓷等），其评价的容和方法是不同的，即使是同一大类的材料，其评估的容和侧重点也是不同的。

MLCA的研究一直是生态环境材料研究中的重要组成部分。

材料的环境协调性设计是将LCA方法应用到材料设计过程中产生的新概念,它要求在设计时要充分兼顾性能、质量、成本和环境协调性,从环境协调性的角度对材料设计提出指标与建议。

材料的环境协调性设计主要研究材料在再生循环过程中的性能演变机理与其影响;研究再生循环过程中去除有害杂质技术和使杂质无害化技术;研究通用合金技术;材料的性能预测技术等。

例如：

光催化降解生态环境玻璃、膨胀石墨、生态水泥、抗菌瓷、降解塑料、固沙材料与沙漠植被技术、岩石边坡生态护坡材料与技术。

目前生态环境材料的研究大体可以划分为下面三个层次：

一是基础理论研究，二是材料制备技术研究，三是材料的表征与评价体系研究。

生态环境材料的评价体系研究的是生态环境与材料相互作用的程度和生态环境对材料的开发、应用、再生过程与其结果的负荷程度的评价方式和评价标准。

生态环境材料的概念自产生以来能否深入人心，能否将环境意识真正地引入材料科学与工程，其关键在于环境负荷的具体化、指标化、定量化。

材料的环境负荷评价涉与材料寿命周期中的环境问题，目前，国际上比较广泛应用的环境协调性评价方法是生命周期评价法（lifecycleassessment，简称LCA）。

1994年在日本召开的国际环境平衡会议以来，将LCA应用于环境材料而派生出来的材料环境协调性评价（MLCA-MaterialLCA）以被国际材料学会所认可。

MLCA是将LCA的基本概念、原则和方法应用到材料的环境负荷评价中去。

从方法论的角度来说，LCA主要包括以下4个部分。

（1）目标与研究围的确定。

是指评价的产品（或材料）目标的确定，评价目标围与其系统边界的确定。

（2）环境生态编目分析。

其关键在于数据的收集与计算，例如资源、能源、大气影响、水质影响、固体废弃物等都要在原料获取、加工、半成品与成品制备、运输、消费、回收再生、处理处置等子过程中分别采集、计算，然后再汇总综合处理，因此对各个子过程的数据都要详细研究，且需非常仔细、认真工作方可保证MLCA全过程的准确完善。

（3）环境损害分析。

在第2部分的编目分析中已取得大量数据，用这些数据在同行业或本企业历史数据中，进行单项环境负荷分析评价是可行的。

它可以检验本企业在同行业中某单项环境负荷（如：

能源、资源消耗或“三废”排放的环境负荷等）地位或采用某些技术管理改进后的效果等。

但是，这些单项“环境负荷”如做到“指标归一化”，采用某一数学模型进行叠加以获得一个综合环境负荷指标，在不同行业之间对比，或研究它对全球或某地区环境影响则是十分困难的。

同时，“三废”排出对环境的影响（如：

温室效应、酸沉降、生态破坏等）尚无统一评判标准。

因此，我国“863”计划所列的由工业大学等单位承担的《材料的环境协调性评价研究》（MLCA）项目，建立了材料生产、设计“双指标评价体系”，并建议采用“标准流程对照法”对MLCA结果进行对比和检验。

（4）环境改善综合评估。

综合评估是根据被评估生产工艺线各项环境负荷测定和计算结果，进行分项和综合评估。

与标准工艺线或同类工艺线、同类产品进行对比，以研究本工艺线或产品环境负荷达到的水平，寻求改进提高的途径。

对本工艺线或本产品采取某种技术、管理改进措施前后，环境负荷值变化状况进行对比分析，以研究技术或管理改进措施的效果。

为达到某种目标而对现有工艺或产品进行检查，对工艺与产品现状进行环境协调性分析，作为综合利用各种废弃物（如废渣、废料、工业与生活垃圾、再生能源与危险废弃物等）的指南。

二、LCA的应用

2.1无铅焊料的环境协调性评价

2.1.1无铅与锡铅焊料生命周期评价现状

目前,材料行业对无铅焊料的研制已经大力展开,出现了各种系列的无铅焊料,例如:

Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Ag-Cu系等。

比较有代表性的无铅焊料有Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Zn二元合金,Sn-Ag-Cu,Sn-Ag-Bi,Sn-Zn-Bi等三元系合金。

从研究现状看来,短期可以实现无铅替代的将是Sn-Cu、Sn-Ag二元合金系与Sn-Ag-Cu三元合金系焊料与以此为基础的多元系合金焊料。

国外一些焊接技术研究部门已经对主流无铅焊料的性能进行了比较,但目前对无铅焊料生命周期对环境的影响还是没有进行系统化研究。

虽然无铅焊料的使用减少了铅的毒害性,也减少了锡、铅两种不可