《ACS Sustainable Resource Management》：Minimizing Plastic Use in Bottled Water: Quantifying Material Use and Design-Driven Reduction Strategies
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本文从包装减材视角出发，量化分析了美国市售15个品牌、容积0.24升至9.5升瓶装水包装的碳含量与聚合物构成。研究发现，大容量（如4升）瓶具更低的单位体积碳含量；而小容量瓶（如0.5升）因瓶壁厚度、瓶盖大小及瓶标覆盖面积等设计差异，其碳含量与材料用量差异显著。优化0.5升瓶包装设计，将聚合物使用量从38.62克/升降至11.58克/升，则在美国市场每年可减少约68万吨塑料消耗。文章强调了采用单一材料、标准化设计以降低塑料足迹的潜力。
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引言
瓶装水的消费量在过去二十年急剧增长，但其包装设计优化方面的指导却很有限。为弥补这一空白，本研究以碳含量作为表征指标，探究了包装设计、瓶体容量、组件构成及聚合物成分如何影响一次性塑料水瓶的塑料足迹。
研究背景显示，美国人均瓶装水消费量在过去二十年增长了约三倍。2022年，美国人购买了约500亿个塑料水瓶。目前，塑料约占瓶装水包装的97%，其中聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)占比达79%。尽管玻璃、铝和聚乳酸(PLA)等替代材料存在，但生命周期评估一致表明，PET瓶在瓶装水包装选项中总体环境影响最低。然而，美国塑料瓶的回收率很低，仅29%被收集，最终仅24%被回收，造成了巨大的资源浪费。为提高循环经济水平，优化PET瓶设计以提高可回收性和减少材料使用至关重要。
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材料与方法
2.1. 样品选择
研究从美国三家主要零售店购买了15个品牌、36种不同类型的瓶装水，容积覆盖0.24升至9.5升。样品分为小容量组（0.24-1升）和大容量组（1.5-9.5升）。清空干燥后，测量重量，并将包装分为瓶身、瓶盖和瓶标三个组件。使用电子游标卡尺测量瓶身壁厚（不包括更厚的瓶颈和瓶底），并根据厚度测量结果将瓶身分为“平滑”和“不均匀”两种设计。
2.2. 包装表征
使用衰减全反射模式的傅里叶变换红外光谱(FTIR)显微镜初步评估聚合物组成，并使用固体样品燃烧单元-总有机碳分析仪测量总碳含量。针对全球使用最广泛的0.5升瓶，进一步选择碳含量最高（平滑设计）和最低（不均匀设计）的样品进行热裂解-气相色谱/质谱联用(pyrolysis-GC/MS)分析，以精确定量和识别聚合物。聚合物质量按每毫克塑料的微克数计算，并按包装组件平均重量及瓶装水体积进行标准化，便于比较。
2.3. 质量控制与质量保证
为最大限度减少污染风险，采取了严格措施，包括使用100%棉质实验服、避免使用塑料材料、在层流罩内操作等。所有热裂解杯和陶瓷棉均在马弗炉中600℃预焙烧一小时。仪器空白和过程空白分析确认，目标塑料未检出或低于方法检出限(MDL)。
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结果与讨论
3.1. 瓶装水组件的傅里叶变换红外光谱表征
瓶装水包装主要由瓶盖、瓶身和瓶标三部分组成。FTIR分析显示：
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瓶盖主要由聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)构成（占比分别为83.3%和16.7%）。
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瓶身以PET为主（占86.1%），仅在3.79升和9升瓶中发现使用PE（占13.9%）。PET因其透明性和可完全回收性而被广泛应用。
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瓶标材料则更为多样，包含PP、PET、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和聚氨酯(PU)。其中PP最常见（58.3%），其次是PS（30.5%），PET仅占5.5%，PVC和PU各占2.7%。
这种聚合物多样性增加了回收过程中分拣和处理的复杂性。
3.2. 瓶体容量与组件对标准化碳含量的影响
大容量水瓶的单位体积碳含量相对稳定（例如，4升瓶平均为13.45 ± 0.84克碳/升），表明碳含量随体积增加而趋于平台期。相比之下，小容量瓶的碳含量变异性很大。例如，0.5升瓶的碳含量在9.48至30.99克碳/升之间，包装重量在15.64至51.66克/升之间。
从环境和经济角度看，选择大容量瓶更具效率。例如，选择一个3升瓶而非六个0.5升瓶或十二个0.24升瓶，可使标准化碳含量分别降低90.7%和92.8%，成本分别降低79.8%和41.2%。尽管包装尺寸影响环境足迹，但可重复使用的水瓶仍是比一次性包装更耐用、更环保的选择。
瓶身：其重量占包装总重的64.8%-95.7%，是碳含量的主要贡献者。壁厚是导致碳含量变化的关键因素，尤其在0.5升等小容量瓶中表现明显。例如，在0.5升瓶中，采用“不均匀”壁设计的瓶子壁更薄（0.10-0.16毫米），碳含量更低（7.64-12.27克碳/升）；而采用“平滑”壁设计的瓶子壁更厚（0.29-0.34毫米），碳含量显著更高（21.63-25.53克碳/升）。研究并未发现壁厚与产品定价相关，表明设计选择可能更多出于品牌差异化或功能偏好。
瓶盖：在小容量瓶中，笨重的瓶盖占包装总重的3.0%-28.4%，对总碳含量有显著影响。其中最不环保的是0.8升瓶上常见的运动瓶盖（主要由PP制成），其平均碳含量高达9.44 ± 5.73克碳/升。虽然瓶盖使用的聚合物类型（PE或PP）对碳含量影响很小，但两者化学性质不同，难以一同回收。大容量瓶的瓶盖标准化碳含量则低得多（4升瓶为0.53 ± 0.01克碳/升）。将瓶盖通过系带固定在安全密封圈上的设计，是减少误食风险和瓶盖丢失的实用方案。
瓶标：虽然仅占包装总重的0.4%-7.8%，但反映了显著的设计差异。采用“不均匀”壁设计的小容量瓶通常使用半瓶身热缩套标，碳含量较低（如0.5升瓶为0.34 ± 0.13克碳/升）。而“平滑”壁设计的瓶子使用全瓶身热缩套标，碳含量更高（如0.5升瓶为1.27 ± 0.17克碳/升）。这些复杂的瓶标主要由品牌区分和货架吸引力的营销策略驱动。瓶标聚合物类型对碳含量影响不显著，但使用的粘合剂会污染聚合物，阻碍回收。向无标签包装转变是改善可回收性和减少材料使用的关键趋势。
3.3. 0.5升一次性塑料水瓶的聚合物含量
对比碳含量最高和最低的0.5升瓶发现，优化包装设计是减少聚合物用量的关键机会。
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碳含量最低（“不均匀”壁设计）的瓶子平均含有：9.68克/升PET、1.19克/升PE、0.29克/升PP、0.40克/升PVC和0.03克/升PS。
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碳含量最高（“平滑”壁设计）的瓶子平均含有：31.14克/升PET、4.16克/升PE、1.35克/升PP、1.89克/升PVC和0.08克/升PS。
这种差异主要源于瓶身PET用量的激增，以及瓶盖PE用量的增加。值得注意的是，即使是痕量的PVC（如100 ppm）也可能严重破坏回收过程，导致回收PET降解和变色。假设美国每年售出的500亿个一次性塑料水瓶中有一半是0.5升瓶，那么将聚合物含量从38.62克/升降至11.58克/升，每年可减少约67.6万吨的塑料使用量。
3.4. 一次性塑料水瓶的包装设计优化
本研究表明，不同制造商不一致的设计选择导致了塑料使用量和聚合物组成的巨大差异。虽然大容量瓶（≥3升）在单位体积材料使用效率上更高，但其便携性有限。在所有分析的尺寸中，0.5升瓶被证明是最具效率的一次性选择，在便携性和材料效率之间取得了最佳平衡。在其最优化形态下，0.5升瓶塑料用量可低至11.58克/升，碳含量低于10克/升；而效率较低的变体塑料用量可达38.62克/升，碳含量超过30克/升。
在所有包装形式中，混合使用聚合物（主要是PET、PE、PP）以及痕量PVC和PS污染，对回收构成了重大障碍。笨重的运动瓶盖、过厚的瓶壁和全瓶身标签等设计特征增加了材料使用，但并未带来相应的功能提升。这些不一致性不仅增加了环境足迹，也损害了回收材料的质量和价值。
国际指南建议使用相容材料、最小化标签覆盖面积和采用可分离组件以改善可回收性。优化0.5升等广泛使用的瓶型设计，可以提高材料效率和可回收性，直接支持美国的生产者责任延伸(EPR)法规。此类设计改进也有助于制造商在保持功能性的同时实现碳减排目标。本研究结果为未来量化瓶装水包装中标准化聚合物使用对回收效率和材料回收率的影响奠定了基础。设定聚合物使用上限、消除不相容材料、鼓励标准化低影响包装，是迈向更可持续包装系统的关键步骤。
