塑料污染是21世纪最紧迫的环境挑战之一，2023年的全球产量约为4.36亿吨，预计到2025年将超过4.45亿吨。其中，每年约有1900万至2300万吨进入水生环境，以宏观和微塑料的形式存在，破坏生态系统、食物网和人类暴露途径。仅河流每年就向海洋输入115万至241万吨塑料，自20世纪50年代以来，累积的未管理塑料废物已超过50亿吨[1]、[2]、[3]、[4]。
膜工业在水净化、海水淡化和废水处理中起着关键作用。2025年，全球水处理膜市场的价值为97亿美元[5]，受到城市化和监管压力的推动，超滤（UF）和微滤（MF）部分占市政和工业领域应用的约40%[6]。假设安装的处理能力为每天2000万立方米，典型的渗透通量为100升/平方米·小时，所需的膜面积约为830万平方米。以150微米的代表性膜厚度和1.25克/立方厘米的聚合物密度计算，这相当于大约1250立方米的聚合物体积。
假设使用寿命为5年，并忽略更换效率，年化聚合物需求约为250立方米，相当于每年仅活性膜层就需要约313吨聚合物。当考虑到整个模块组件（包括外壳和间隔物）时，总材料需求和相关的废物产生量显著增加。尽管这个数量与估计的每年河流流入海洋的100万至200万吨塑料相比很小[1]，但它代表了一个重要的不可生物降解的废物流。虽然膜的计算直接贡献很小（约占总塑料废物的0.01%），但它们在循环经济中的普及加剧了局部污染热点，特别是在操作磨损和使用寿命结束时的处置过程中产生的微塑料，甚至成为颗粒的来源[7]、[8]、[9]。
尽管膜在全球塑料废物中的质量占比很小，但它们的工程脆弱性、较短的服务寿命（3-5年）和有限的回收性使它们与微塑料的产生相关[7]、[8]。本研究重点关注非溶剂诱导相分离（NIPS）制造UF/MF膜的方法。
NIPS制造方法支撑了约70%的商业聚合物UF/MF膜[10]、[11]，该方法包括将聚合物溶解在溶剂中（掺杂溶液，15-25%重量），浇铸到支撑上，然后浸入非溶剂浴（通常是水）中，通过溶剂/非溶剂交换诱导相变。这产生了具有选择性密集表层和渗透性多孔子结构的不对称结构，但严重依赖于有毒的石油衍生溶剂，如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、二甲基乙酰胺（DMAc）和二甲基甲酰胺（DMF），这些溶剂由于挥发性和水生毒性，在从摇篮到大门的整个生命周期中占50-70%的影响。常见的化石基聚合物包括聚砜（PSf）、聚醚砜（PES）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）和醋酸纤维素（CA，半化石），这些聚合物因其化学抗性而受到重视，但降解缓慢（在海洋/土壤中需要几个世纪）。生物基聚合物——聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA，例如PHB/PHBV）、聚丁烯琥酸酯（PBS）、聚己内酯（PCL）、淀粉衍生物、壳聚糖、纤维素、藻酸盐、果胶和木质素——提供了可再生性，但存在脆性和水解稳定性变化的问题。绿色溶剂[12]、[13]，如Cyrene（二氢左旋葡糖酮）、γ-戊内酯（GVL）、乳酸乙酯（EL）、PolarClean和二甲基异山梨醇（DMI）可以减轻毒性，通常可将GWP降低20-60%[7]、[8]、[14]、[15]、[16]，同时保持NIPS的形态，尽管它们的较高粘度会导致10-25%的能量损失[8]、[14]。
降解机制进一步区分了化石聚合物和生物聚合物，影响EoL污染。化石聚合物主要通过非生物光氧化（紫外线诱导的链断裂/交联）和机械磨损降解，产生在海洋沉积物中半衰期超过100年的持久性微塑料；在没有催化剂的情况下，水解可以忽略不计。生物聚合物通过酶促水解（例如，PLA/PBS的酯键被脂肪酶/羧酸酯酶切割）、热氧化和生物同化加速降解[3]、[17]，在受控的海洋/土壤条件下6-24个月内可实现40-80%的矿化[18]、[19]——然而，结晶度（更难降解）和亲水性（增加微生物接触）会导致变化[20]、[21]。在海洋无光区，由于沉积物中的微生物群落，生物聚合物的质量损失是水柱中的5倍；土壤掩埋有利于真菌对纤维素/壳聚糖的攻击，但在缺氧层中会减缓PHA的降解。混合物（例如PLA/PBAT/TPS）具有混合优势，但增加了添加剂的迁移，从而加剧了生态毒性[20]、[21]、[22]、[23]。
表1总结了2019-2025年关于NIPS膜生命周期评估（LCAs）的关键研究，突出了成对比较和EoL整合方面的差距。NIPS膜的LCAs揭示了热点：溶剂（30-50%的GWP/毒性）、聚合物合成（20-40%）和能源（15-25%），生物基聚合物对排放的减少幅度为25-60%，但在农业原料引起的富营养化方面表现不佳[24]。
当前膜LCA文献中的一个关键差距是缺乏在一致方法框架内对化石基、混合型和生物基材料系统的统一比较。此外，传统的LCA指标通常基于100年的时间范围，无法完全捕捉与持久性塑料材料相关的长期环境负担。为了解决这一限制，本研究引入了“持久性债务”的概念，定义为材料在其功能寿命结束后仍留在生态系统中的延长环境责任。
尽管在使用阶段由于能源需求和污染，膜系统在整个生命周期影响中占主导地位[25]，但本研究有意排除这一阶段，以隔离材料选择的影响。膜性能（渗透性、污染、清洁）高度依赖于材料和应用。因此，本研究采用了从摇篮到坟墓的部分视角，重点关注制造和使用寿命结束阶段（详见图1）。这项工作的具体贡献有三个方面：（1）对十二种从化石基到生物基的聚合物-溶剂系统进行了统一的LCA比较；（2）引入了“持久性债务”概念，将EoL LCA结果与长期微塑料污染风险联系起来；（3）确定海洋富营养化作为生物基膜不同处置途径之间的关键区分指标。目的是评估聚合物-溶剂选择如何影响制造负担、EoL影响和长期塑料持久性。
