《Environmental Impact Assessment Review》：Process-level impact assessment of wood waste pre-treatments: Isolating environmental trade-offs through a gate-to-gate life cycle approach
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本研究针对木材废弃物在木塑复合材料生产中的关键预处理环节，通过门到门生命周期评估方法，系统量化了五种实验室尺度预处理路线（三种化学相容化、热机械造粒和热物理改性）的环境影响。研究发现化学密集型方案环境影响显著高于能源驱动方案，而生物基试剂替代并非总是更环保。该研究为木塑复合材料的早期生态设计提供了重要的工艺级环境决策依据。
在全球推进绿色转型和循环经济的大背景下，工业残留物的可持续管理成为关键挑战。木材废弃物作为一种宝贵的二次原材料，全球年产生量超过3亿吨，仅欧洲就贡献超过3700万吨，主要来自建筑和拆除活动。然而令人遗憾的是，约40-45%的消费后木材废弃物仍被填埋或焚烧，这种处理方式不仅产生可避免的环境负担，还阻碍了向更循环材料流动的转变。
将木材废弃物转化为木塑复合材料被视为一条有前景的价值化路径。欧洲WPC市场在2020年达到约61.2万吨，预计到2030年将以每年超过9%的速度增长。这些混合材料在建筑、汽车和消费品应用中日益增多，减少了对原始原料的依赖并促进了材料循环性。但未经处理的残留物不能直接融入聚合物基体：颗粒尺寸、水分含量和表面化学性质的变异性限制了可加工性并削弱了界面粘合力。
因此，预处理操作对于确保相容性和实现复合至关重要。过去二十年来，已开发出多种预处理策略来解决这些限制，最常用的是化学相容化、造粒和热改性。尽管这些路线解决了木塑界面设计中的不同技术障碍，但它们的环境影响仍未得到充分探索。现有的环境影响评估研究，特别是生命周期评估，通常侧重于产品级配方或从摇篮到坟墓的分析，从而将预处理纳入下游产品系统中，使其具体作用在很大程度上不可见。
为解决这一知识空白，来自意大利巴勒莫大学的研究团队在《Environmental Impact Assessment Review》上发表了最新研究，通过应用归因性、门到门的生命周期评估，量化了五种代表性实验室尺度预处理路线的环境影响。研究人员重建了从实验室尺度研究中记录参数范围的生命周期清单，并在SimaPro中建模了三种化学相容化途径（SA1-SA3）、热机械造粒（SB）和热物理热改性（SC）。影响评估使用三种互补方法进行：ReCiPe 2016中点（H）、EF 3.0和累积能量需求，以捕捉气候、资源和毒性相关负担。
主要技术方法包括：1）建立门到门系统边界，功能单位定义为1kg适合WPC复合的预处理木材废弃物；2）基于实验报告参数范围重建生命周期清单，使用ecoinvent 3.9.1市场数据集；3）应用ReCiPe 2016、EF 3.0和累积能量需求三种互补评估方法；4）开发替代情景评估试剂替换的环境效益。
3.1. 预处理情景的环境影响比较
研究结果显示，五种预处理方案的环境性能呈现出由所需投入的性质和强度驱动的清晰分层。化学相容化路线（SA1-SA3）通常表现出比能源驱动处理更高的影响，其中SA1在气候、毒性和资源相关类别中显示最高值（如0.91kg CO2-eq、4.09CTUe、2.76Pt）。贡献分析表明，在SA1中，电力单独占全球变暖的47%，而化学试剂如醋酸酐贡献全球变暖的19%和淡水生态毒性的58%以上。
SB和SC主要依赖电力和适度热输入，显示出相对较低的负担，尽管SC由于完全依赖电力而显示出更中间的环境特征。SB在所有方案中环境负担最低，全球变暖为0.44kg CO2-eq，这归因于化学试剂的完全缺失和仅由电力和适度热能组成的清单。SC则完全依赖中压电力，每个影响类别100%由电力生产的上游负担驱动，全球变暖为0.37kg CO2-eq。
3.2. 基于替代的情景
为探索替代试剂选择是否可能提供环境优势，研究基于实验文献中记录的选项开发了一套替代情景。结果显示出不同的效果：在SA1中用马来酸酐替代醋酸酐在几个类别中导致适度减少，而其他替代，如涉及柠檬酸的替代，则表现出混合效果。
在SA1中，用马来酸酐替代醋酸酐在大多数影响类别中产生适度减少，全球变暖从0.91降至0.81kg CO2-eq。然而在SA2中，用柠檬酸替代硫酸产生混合结果，几个类别的影响略有增加，因为柠檬酸成为相关热点，贡献高达土地使用的30%和淡水生态毒性的65%。在SA3中，用柠檬酸替代草酸产生最显著的偏差，虽然一些指标改善，但与土地占用和生态毒性相关的类别环境特征显著恶化。
3.3. 总结比较及对生态设计的意义
所有基线和替代情景的比较分析证实，预处理不是辅助步骤，而是木塑复合材料上游环境特征的决定性贡献者。化学路线总体上保持最高负担，由试剂生产、水纯化和电力需求的综合影响驱动，而能源驱动处理（SB和SC）始终保持较低强度，但仍对电力结构和热源敏感。
研究强调了三个生态设计见解：首先，只有当替代物的上游环境足迹明显较低时，试剂替代才是有效的杠杆，这一假设不能视为理所当然，特别是对于生物衍生化学品。其次，在SA2-alt和SA3-alt中观察到的负担转移效应表明，在采用"更环保"功能化路径之前，必须进行工艺级LCA。第三，能源驱动预处理可以提供平衡的环境性能，在某些配置中（如SB）可作为WPC设计中有信服力的低影响替代方案。
该研究证实了木材废弃物调理是木塑复合材料生产中的决定性环境关键阶段。通过将预处理隔离在门到门归因性LCA中，分析使通常被产品级考虑所掩盖的一系列上游影响变得明确。基线与替代情景之间的比较进一步阐明了可持续材料设计的一个核心点：不能假设"更环保"试剂的环境效益。虽然用马来酸酐替代醋酸酐在SA1中带来了可测量的改进，但在SA2和SA3中测试的替代产生了相反效果，由于生物基替代物的上游特性，增加了土地、水和生态毒性类别的负担。
能源驱动路线，特别是热改性和造粒，表现出更稳定的环境特征，在某些情况下，与化学密集型处理相比提供了有竞争力的性能。它们的相对简单性和可预测行为使它们成为特定配置中有信服力的低影响替代方案，并作为早期生态设计的稳健中间解决方案。该方法学为实验室尺度预处理的工艺级LCA提供了透明且可重现的框架，通过从统一文献范围重建清单并应用明确链接到调理的功能单位，加强了LCA对生物基复合材料发展的解释清晰度。
