J. Clean. Prod丨使用基于模块化的方法评估棉质牛仔裤的碳和水足迹：全生命周期的视角

论文内容

图形摘要：

研究背景：

牛仔裤在全世界消费者的衣橱里是不可缺少的。Just-Style发布的全球市场回顾显示，全球牛仔裤市场已经从2013年的526亿美元增长到2018年的573亿美元，预计2023年将达到近600亿美元。牛仔裤生产最传统和最主要的材料是棉花，尽管现在的牛仔裤可以由多种原材料制成，如聚酯、人造纤维素和弹性纤维。但有75%的中国消费者喜欢穿100%有机棉制成的牛仔裤。然而，由于对资源和材料的巨大需求，以及大量的废物排放，棉质牛仔裤的生产和消费过程产生了巨大的负面环境影响，特别是对气候变化和水资源的消耗。著名的牛仔裤制造商Levi Strauss & Co.发布了一份关于其产品的生命周期评估（LCA）报告，表明在一条棉质牛仔裤的整个生命周期中，大约消耗了3781升淡水，排放了33.4公斤二氧化碳当量的温室气体。

具有巨大市场需求的棉质牛仔裤对生态环境有很大的潜在负面影响，特别是在气候变化和水资源耗竭方面。由于纺织行业涉及大量的材料品种和生命周期过程，碳足迹和水足迹的评估非常复杂和困难，以前的研究人员采用了过程模块化（即把生命周期过程分解为各个组成部分）作为一种辅助技术。尽管模块化提高了整体的灵活性和评估效率，但在全面考虑产品生产和消费过程方面，缺少一个整体的观点。此外，现有的研究只把有限的甚至是单一的生产过程作为案例示范，而不是考察模块化方法在整个产品生命周期的适用性。因此，本研究将研究边界扩展到纺织产品的整个生命周期，并通过对一条棉质牛仔裤的计算案例研究，验证了该方法的可行性和实用性。结果发现整理、棉花种植和洗涤过程是造成这些环境影响的主要因素。

研究内容：

明确牛仔裤的生命周期过程，并在此基础上分解过程模块。本研究中的产品生命周期被延伸到报废阶段，其中包括原材料提取、工业制造、运输、消费者使用和报废处理。由于产品的多样性和技术的复杂性，每个阶段的工艺流程和技术选择因产品而异。

按照模块化理论，纺织品的CF和WF被分解为多个独立但相互关联的模块（即CFU和WFU），其特点是功能绑定、接口标准化和可分解性。而它们被定义为输入（包括淡水、能源和材料）、输出（包括废气、废水和固体废物）以及1吨纺织品（即纤维、纱线、织物或服装）直接或间接引起的与气候变化和水问题有关的潜在环境影响。

图2: 基于模块化的碳和水足迹评估的技术框架

图3: 棉质牛仔裤的系统边界

本研究选择的案例是一条100%纯棉的牛仔裤。其FU（单位碳足迹）被定义为1条牛仔裤，所有与该产品相对应的CFU和WFU被量化为既定的FU（单位碳足迹）。

原料提取阶段包括棉花种植和轧花，而纺纱、织布、整理、制作和牛仔布洗涤则包括在工业制造阶段。地点为新疆棉田（棉花种植和轧花）、江苏纺纱厂（纺纱）、广东织布厂（织布和整理）和广东服装厂（化妆和牛仔布洗涤）。

本研究考虑了长途运输，即不同生产厂之间的运输，包括四个部分：(i) 从棉田到纺纱厂的原棉运输；(ii) 从纺纱厂到织布厂的棉纱运输；(iii) 从织布厂到服装厂的牛仔布运输；(iv) 从服装厂到中国和国外不同零售店的成品牛仔裤运输，其中零售占60%和40%。内部运输全部采用轻型卡车，运输距离分别为3500公里、1400公里、100公里和900公里，而海外运输则采用货运飞机，平均运输距离为16000公里。消费者使用阶段包括洗衣、烘干和熨烫。对于洗涤，根据从以前的参考资料中收集的信息，假设牛仔裤在两年内每两周洗一次。因此，一条牛仔裤在其使用寿命内的总洗涤次数为52次。每次洗涤后都要进行烘干和熨烫。关于报废处理阶段，考虑到目前中国废旧衣物的回收率较低，假设棉质牛仔裤的废物处理采用焚烧发电的方式，不进行回收。在边界内，输入包括淡水、能源和材料消耗，输出包括废气、废水和固体废物的排放。此外，棉花种植过程中由于光合作用而从空气中固定的二氧化碳的影响也包括在CF的系统边界内。而人类劳动、机械设备的生产和维护、提供运输服务的牲畜、以及建筑和道路等基础设施投资，由于与所测量的环境状况无关，所以不在边界内。

图4: 棉质牛仔裤在不同生命周期过程中的碳足迹。

图4显示了棉质牛仔裤在不同生命周期过程中的碳足迹结果。工业制造阶段的碳足迹贡献最高，占总影响的95.51%。在这个阶段，精加工的贡献最大（32.20%），其次是牛仔布清洗（25.12%）和织造（21.79%）。追踪温室气体的排放源发现，电力、蒸汽和柴油等能源占了绝大部分。其中，与蒸汽有关的排放几乎是所有工艺的主要贡献者，除了纺纱。为了生产蒸汽，成吨的化石燃料被燃烧，引起了更大的温室气体排放。对于原料提取阶段，由于棉花生长过程中的光合作用需要吸收大气中足够的二氧化碳，并以生物质的形式固定下来，据估计，棉花植物的碳储存量约为18.04公斤二氧化碳当量/条牛仔裤，这远远大于所有碳源的总碳排放量，导致棉花种植过程中的CF为负。此外，废物处理过程中产生的热量被用于发电，可以产生0.849千瓦时/条牛仔裤的可再生能源，相当于减少约0.82公斤二氧化碳当量。结果表明，棉花的种植和焚烧发电都能在一定程度上帮助缓解全球变暖。

研究结论：

计算结果显示，一条棉质牛仔裤从棉花种植到最终处置的生命周期中，温室气体排放、水消耗、水富营养化和水生态毒性影响分别为90.37千克二氧化碳当量、13.74立方米水当量、1.67×10-2千克PO43-当量和112.41立方米水当量。通过对每个过程模块的分析，整理过程为碳足迹和水生态毒性足迹的主要贡献者，棉花种植和洗涤分别是造成水短缺和水富营养化的关键过程。

与传统工具的比较进一步强调了模块化在评估过程的灵活性和效率方面的优势，以及评估结果的可重复性和可比性。敏感性分析显示，生产阶段整理过程中蒸汽消耗量的变化对碳足迹（CF）和水生态毒性足迹的贡献影响最大。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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