通过对废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）进行生命周期分析和技术经济评估，研究由该废弃物制备的二辛基对苯二甲酸酯的环境与经济影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Environmental And Economic Assessment of Di-Octyl Terephthalate Produced from Waste PET Through Life Cycle and Techno-Economic Analysis

　　维卡斯·乔杜里（Vikas Choudhary）| 梅卡拉·洛凯什（Mekala Lokesh）| 卡图拉·纳雷什（Kathula Naresh）| 赛义德·穆罕默德·拉扎克（Syed Mohammed Razak）| 维尼特·阿尼娅（Vineet Aniya）
过程与聚合物工程实验室，化学工程与工艺技术系，CSIR-印度化学技术研究所，海得拉巴，特伦甘纳邦，500007，印度

**摘要**
聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）消费量的快速增长，尤其是在包装和应用作为聚酯纤维方面，加剧了人们对塑料废物管理和环境可持续性的担忧。同时，聚合物应用中对可持续绿色增塑剂需求的增加，促使人们开发更安全、更可持续的生产路线。在这种背景下，将废弃的PET转化为二辛基对苯二甲酸酯（DOTP）——一种非邻位邻苯二甲酸酯类增塑剂——提供了一种有前景的升级回收策略，能够应对这两大挑战。本研究对通过废弃PET酯交换反应生产DOTP的整个生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA）进行了全面分析，并将其与使用原始对苯二甲酸（TPA）的传统酯化路线进行了比较。LCA遵循ISO 14040/44指南，使用SimaPro v9.4.0.3软件进行，功能单位为1公斤DOTP。通过场景分析评估了产品产量对环境性能的影响。TEA评估了包括总投资、回收期、折现回收期和投资回报率（ROI）在内的关键经济指标。结果表明，酯交换反应路线使全球变暖潜力降低了13%（从5.735公斤CO?当量/公斤DOTP降至4.981公斤CO?当量/公斤DOTP），同时显著减少了非生物消耗和酸化潜力。从经济角度来看，该工艺是可行的，投资回报率为32.6%，回收期为2.79年。总体而言，这些结果凸显了将废弃PET升级为DOTP在环境和经济方面都具有吸引力的替代方案。

**引言**
塑料的广泛使用导致了聚合物生产和相关废物的显著增长，其中聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）由于其在包装、纺织品和消费品中的广泛应用而成为主要的污染物之一。尽管PET具有可回收性，但大量消费后废弃物仍被填埋或处理不当，给环境带来了严重威胁。因此，通过增值回收途径处理PET废弃物对于推进循环经济目标及减少塑料对环境的影响至关重要[1]。与此同时，聚氯乙烯（PVC）仍然是建筑、包装、汽车零部件等领域的最常用聚合物之一。PVC的柔韧性和加工性在很大程度上依赖于增塑剂，这些添加剂能够提升其机械性能和耐用性[2]。在这些增塑剂中，External增塑剂由于高效性和多功能性而在工业上占据主导地位[3]。历史上，二辛基对苯二甲酸酯（DOP）被大量使用；然而，对其毒性和干扰内分泌系统的行为的担忧引起了环保机构的关注，并提高了工业界对可持续增塑剂开发的意识[3]。
预计全球增塑剂市场将以5.7%的年复合增长率从2022年的170亿美元增长到2027年的225亿美元，而非邻位邻苯二甲酸酯类增塑剂的市场规模预计在2020至2025年间从31亿美元增长到39亿美元[4]。塑料通过添加增塑剂来提高其柔韧性和性能[5]。增塑剂分为内部和外部两种类型，其中外部增塑剂因不与聚合物发生化学结合而在PVC中最为常用[2]。一些研究表明DOP具有显著的渗漏特性[6]，这限制了其应用范围。因此，业界必须使用适当的增塑剂，并且该增塑剂在经济效益上也必须具有可行性，以满足利润驱动的利益相关者的需求。
为同时满足可持续性和废物管理的需求，二辛基对苯二甲酸酯（DOTP）作为一种邻位异构体，被提议作为DOP的替代品[8]和[9]。尽管这两种增塑剂在结构上相似，但研究表明，由于它们在体内产生的代谢物不同，DOTP并不会带来与DOP相同的健康风险[6]和[8]。如图1a所示，DOTP主要通过使用对苯二甲酸（TPA）作为原料进行酯化反应生产[10][11]。有研究使用布伦斯特（Br?nsted）和路易斯（Lewis）酸催化剂实现了TPA到DOTP的酯化转化，转化效率达99%[11][12]。另有研究探讨了在不同溶剂与TPA摩尔比下使用四丙氧基钛（TIPO）催化剂进行酯化的动力学和传质行为[12][13]。图1b展示了使用废弃PET通过酯交换反应制备DOTP的潜在工艺路线。目前PET因其广泛应用于纺织、饮料和包装行业而成为主要塑料[14]，因此有必要回收这种废弃PET以实现环境可持续性[14]。有研究利用亚临界和超临界流体在573 K和2.76 MPa条件下无需催化剂即可将PET单体化，产率可达97%[14][15]。还有研究报道了使用有机金属催化剂通过机械化学方法将消费后PET降解为DOTP增塑剂，用于PVC树脂成型[15]。Muszynski等人（2023年）研究了使用有机锡催化剂单丁基锡三(2-乙基己酸酯）从PET合成对苯二甲酸酯增塑剂，并将其物理化学性质与商业级DOTP进行了对比[16]。关于DOTP的生产研究主要集中在使用新型催化剂以提高产率和转化率方面。
多项研究探讨了使用2-乙基己醇（2-EH）通过不同催化系统对废弃PET进行酯交换反应生成DOTP[16-19]。Luo等人（2014年）使用醋酸锌作为催化剂，在200°C下反应5小时，2-EH与PET的比为2，产率为93.1%；Chen等人（2013年）使用酸性离子液体催化剂[Ho3S–(CH2)3–NEt3]Cl–FeCl3，在210°C下反应8小时，2-EH与PET的比为1.69，产率为97.6%；Liu等人（2019年）使用基于氯胆碱的深共晶溶剂（ChCl/Zn(OAC)2）作为催化剂，在180°C下反应1小时，2-EH与PET的比为5，产率为84.7%；Altun和Fellah（2010年）使用四丁氧基钛（Ti(OC4H9)4）作为催化剂，在190–200°C下反应4小时，产率为86.7%[10-12]。这些研究主要集中在催化剂开发和工艺优化上，以提高产率和转化率，而对整个生产过程的环境和经济可持续性关注较少，本研究旨在通过LCA和TEA框架对此进行深入分析。
关于DOTP生产的生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA）的研究相对较少。LCA从整体环境角度出发，考虑了产品或服务的整个生命周期，并提供有关环境影响的定量信息，有助于相关决策[17]。LCA使得可以通过比较新技术与新工艺的环境影响来评估它们[18]。TEA有助于分析新技术或项目带来的经济风险，并帮助投资者判断其盈利或亏损情况[18]。例如，有研究对比了使用废弃PET生产二元（2-羟基乙基）对苯二甲酸酯（BHET）与传统DMT（二甲基对苯二甲酸酯）路线的LCA和TEA，发现前者可使全球变暖潜力降低6.9倍[19]。另有研究指出，使用酶法处理TPA产生的温室气体排放量减少了43%，但生产成本较高，供应链能源消耗也降低了83%[20]。另有研究对PET的酶解过程进行了LCA，发现酶解效果远低于传统TPA[21]。
本研究将基于废弃PET生产的DOTP增塑剂工艺与商业TPA路线在整个生命周期内的整体环境影响进行了比较，从原材料提取到最终产品生产阶段。DOTP的生产使用了市售的丁基亚锡酸（BSA）催化剂，按照[15]报道的工艺在公斤级别进行。基于ISO 14040标准（ISO 14040: 2006）进行了生命周期评估（LCA），分析了不同产品产量水平对环境的影响。此外，还进行了TEA分析，以评估投资参数，如投资回报率（ROI）、回收期和折现回收期（DPP）。因此，本研究结合LCA和TEA方法，系统地对比了基于废弃PET酯交换反应与使用TPA的传统酯化路线生产DOTP的可持续性优势、权衡因素及经济可行性。

**材料**
废弃的PET瓶子从当地市场收集，使用粉碎机将其高效粉碎成5–7毫米大小的碎片。实验中使用的化学品包括2-乙基己醇（纯度99%）、对苯二甲酸（TPA，纯度>98%）、氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl，浓度37%），均购自印度Finar有限公司。纯度分析中使用的纯度≥96%的DOTP样品购自Sigma-Aldrich公司。

**DOTP的制备**
为了将PET转化为DOTP，采用了降解方法……

**研究目标与范围**
本研究旨在评估、分析并比较基于从原料提取到最终产品生产整个生命周期的DOTP生产过程的环境足迹（EFP），采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界条件。图2a和2b展示了PET和TPA生产DOTP的系统边界。选择1公斤DOTP作为环境影响的计算单位。对于废弃PET的使用，采用了ISO 14044标准（第4.3节）规定的切割分配方法。

**环境评估**
选择CML IA中期特征化方法，因为它直接且透明地将生命周期清单流量与 discrete 环境影响类别关联起来。这种方法避免了ReCiPe等终点聚合方法中的模型依赖性不确定性，这些方法将多种环境负担简化为较宽泛的损害类别，从而引入了不适合精确区分不同生产路线的复合不确定性。

**结论**
本研究对所提出的DOTP生产过程进行了全面的技术经济和环境评估。经过成本计算、工艺合成和优化后，整个过程的总体总投资（TCI）估计约为523.8万美元。投资回报率为32.6%，回收期（PP）和折现回收期（DPP）分别为2.79年和4.84年，表明该工艺具有很高的经济可行性。从环境角度来看，LCA结果显示……

**作者贡献声明**
卡图拉·纳雷什（Kathula Naresh）：数据整理
洛凯莎·梅卡拉（Lokesha Mekala）：形式分析、数据整理
维卡斯·乔杜里（Vikas Choudhary）：初稿撰写、验证
赛义德·穆罕默德·拉扎克（Syed Mohammed Razak）：撰写、审稿与编辑、形式分析
维尼特·阿尼娅（Vineet Aniya）：可视化、监督、项目管理、概念构思

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
感谢CSIR-IICT主任（文件编号：ICCT/Pubs./2025/243）提供开展本研究所需的一切设施。