NaA沸石的生命周期评价

车帅1陈显贺1朱英爱2刘彦超1俞小城1孙世海1

1.沈阳化工大学机械与动力工程学院  辽宁沈阳  110142

2.沈阳急救中心  辽宁沈阳 110142

摘要：为了评估沸石对环境的影响，采用生命周期评价（LCA）方法，定量分析了沸石合成过程中在11项中点类别（全球变暖、臭氧层损耗、非生物耗竭、人体毒性等）和4项终点类别（人类健康、气候变化、生态系统质量、资源消耗）上的影响。结果表明：NaA沸石在海洋生态毒性上的影响值最高，在臭氧层损耗上的影响值最低；二氧化硅在非生物耗竭、人体毒性、淡水生态毒性、富营养化上的影响占比较高，均超过80.00%；氢氧化钠在臭氧层损耗上的影响占比（59.86%）较大；氢氧化钠在非生物耗竭上的影响占比（0.034%）最小。硫酸铝在各项中点类别上的影响占比均低于10.00%，在非致癌物质上的影响占比仅为1.36%；在4项终点类别上，二氧化硅的环境影响最大，氢氧化钠次之，硫酸铝最小。

关键词：沸石；生命周期评价；环境影响

Life Cycle Assessment of NaA Zeolite Molecular Sieves

Che shuai1,Chen Xian-he1,Zhu Ying-ai2,Liu Yan-chao1,Yu Xiao-cheng1,Sun Shi-hai1

( 1.School of Mechanical and Power Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China;

2. Shenyang Emergency Center, Shenyang, Liaoning 110142,China)

Abstract: In order to evaluate the impact of zeolite on the environment, the Life Cycle Assessment (LCA) method was used to quantitatively analyze the impact of zeolite synthesis on 11 midpoint categories (global warming, ozone layer depletion, abiotic depletion, human toxicity, etc.) and 4 endpoint categories (human health, climate change, ecosystem quality, resource consumption). The results show that NaA zeolite molecular sieve has the highest impact value on marine ecotoxicity and the lowest impact value on ozone layer depletion; The impact of silica on non biological depletion, human toxicity, freshwater ecological toxicity, and eutrophication is relatively high, all exceeding 80.00%; Sodium hydroxide has a significant impact on ozone layer loss (59.86%); Sodium hydroxide has the smallest impact on non biological depletion (0.034%). The impact of aluminum sulfate on various midpoint categories is less than 10.00%, and the impact on non carcinogenic substances is only 1.36%; Among the four endpoint categories, silica has the greatest environmental impact, followed by sodium hydroxide and aluminum sulfate.

Keywords: zeolite; Life cycle assessment; environmental effect

1. 引言

近年来全球变暖、空气污染和水资源短缺等问题成为了焦点，碳中和成为全球范围内的共同挑战，迫切需要寻找可持续的方法来减少碳排放。沸石作为一类独特的多孔材料，近年来在吸附、催化和分离等领域引起了广泛的研究兴趣。其出色的性能使其在环境保护、能源利用以及碳中和等重要问题上发挥着越来越重要的作用。沸石的多孔结构和吸附

[1]能力使其在碳捕获和储存领域具有潜力，可以帮助将二氧化碳从工业废气中分离并储存，从而减少温室气体的排放，改善环境问题。虽然沸石有诸多优点，但是在合成过程它的原材料是否会对环境有影响，有哪些影响，什么性质和多大的影响，需要重点研究。所以本文通过生命周期评价方法[2-4]，深入分析沸石的整个生命周期内可能产生的环境和资源影响。我们旨在为决策者、生产商和消费者提供有关沸石生命周期的定量数据，以支持更可持续的生产和使用方式。通过揭示制造沸石阶段的不同成分的影响，我们希望为减少环境足迹、优化生产过程提供科学依据。

尽管生命周期评价在环境领域已有广泛应用，但在沸石领域的应用相对有限。现有研究主要关注特定应用领域中的生命周期评价，例如催化剂的生命周期[5]。这表明沸石的生命周期影响研究仍然相对薄弱，需要更全面和系统的分析。

2.沸石的LCA模型

2.1 生命周期评价在可持续发展中的作用

生命周期评价在可持续发展战略中扮演着关键角色，帮助识别和量化材料和产品的环境影响。通过将不同阶段的影响综合考虑，我们可以更好地理解材料的真实环境足迹，从而指导决策者制定更可持续的政策和企业实践。

2.2目标、范围、功能单元与研究方法

（1）目标：评估合成Na-A沸石各成分对环境的影响，明确其成分对多项环境类别的影响程度，为沸石的LCA研究提供参考。

（2）范围：对合成NaA沸石[6]的主要原材料（氢氧化钠，硫酸铝，二氧化硅）用量进行研究。

（3）功能单元：作为分析系统的参考单元，本文NaA沸石的环境影响根据1kg功能单元进行计算。

（4）研究方法：本文采用的LCA方法为CML-IA，分析软件为Simapro9.4[7-8]。

2.3生命周期清单分析

根据前期研究成果，确定了主要原材料的配比，（氢氧化钠：硫酸铝：二氧化硅为6：1：6）。占比分别为46.15%，7.69%，46.15%。其主要成分的分析数据来源于Ecoinvent3数据库。

3.NaA沸石的生命周期影响评估结果与分析

采用Simapro9.4软件中的CML-IA特征化模型对其进行环境影响的特征化分析。Na-A沸石在11项中点类别上的特征化分析结果见表1。

表1 NaA沸石在15项中点类别上的特征化分析结果

项目序号	中点类别	单位	氢氧化钠	硫酸铝	二氧化硅	总计
1	非生物耗竭	Kg Sp eq	0.0000003	4.97E-5	0.000826	0.000876
2	化石燃料消耗	MJ	95.3	5.8	101	202
3	全球变暖	Kg CO2 eq	6.65	0.558	9.85	17.1
4	臭氧层损耗	Kg CFC-11 eq	8.38E-7	1.9E-8	5.43E-7	1.4E-6
5	人体毒性	Kg 1,4-DB eq	1.73	1.13	28.5	31.4
6	淡水生态毒性	Kg 1,4-DB eq	0.45	1.28	16.2	17.9
7	海洋生态毒性	Kg 1,4-DB eq	4.9E3	1.95E3	2.51E4	3.2E4
8	陆地生态毒性	Kg 1,4-DB eq	0.0167	0.0028	0.0302	0.0497
9	光化学氧化	Kg C2H4 eq	0.00302	0.000301	0.0043	0.00762
10	酸化	Kg SO2 eq	0.0628	0.00755	0.108	0.178
11	富营养化	Kg PO4 eq	0.00185	0.00167	0.0193	0.0228

从表1可以看出，NaA沸石在海洋生态毒性上的影响值最高，为3.2×104kg 1,4-DB eq；在非生物耗竭、陆地生态毒性、光化学氧化、酸化和富营养化上的影响值较小；在臭氧层损耗上的影响值最小，为1.4×10-6kg CFC-11 eq。

图1NaA沸石在11项中点类别上的影响占比

根据表1计算出NaA沸石在11项中点类别上的影响占比，结果见图1。由图1可知，氢氧化钠在化石燃料、全球变暖、臭氧层损耗、陆地生态毒性、光化学氧化、酸化上的影响占比很大，分别为47.18%、38.89%、59.86%、33.60%、39.63%、35.28%，且在这6项中点类别上的影响占比均超过30%，说明相对其他组分，氢氧化钠对中点类别有一定影响。硫酸铝在各项中点类别上的影响占比均低于10.00%，在非致癌物质上的影响占比仅为1.36%，说明硫酸铝对中点类别的影响较低。二氧化硅在非生物耗竭、人体毒性、淡水生态毒性、富营养化上的影响占比较高，分别为94.29%、90.76%、90.50%、84.65%，在臭氧层损耗上的影响占比最小，但也达到了38.79%，在其余各项中点类别的影响占比均超过了50%，说明相对其他组分，二氧化硅对中点类别的影响最大。

表2 NaA沸石在4项终点类别上的评估结果

终点类别	单位	氢氧化钠	硫酸铝	二氧化硅	总计
人类健康	DALY	9.4E-6	7.88E-7	1.39E-5	2.41E-5
气候变化	PDF*m2*yr	9.45E-6	1.69E-6	1.99E-5	3.1E-5
生态系统质量	kg CO2eq	3.43E-15	4.15E-16	5.78E-15	9.63E-15
资源消耗	MJ primary	0.001	0.299	1.95	2.25

图2 NaA沸石在4项终点类别上的影响占比

NaA沸石在4项终点类别上的评估结果见表2，影响占比计算结果见图2。

结合表2和图2可知，在人类健康上，NaA沸石的环境影响值为2.41×10-5DALY，各原材料的影响占比大小顺序为：二氧化硅57.68%）＞氢氧化钠（39.00%）＞硫酸铝（3.32%）。在气候变化上，NaA沸石的环境影响值为3.1×10-5kgCO2eq，二氧化硅、氢氧化钠、硫酸铝的影响占比分别为64.19%、30.48%、5.33%，说明二氧化硅在CO2排放上占据主导地位。在生态系统质量上，NaA沸石的环境影响值为9.63×10-15PDF*m2*yr，各原材料的影响占比大小顺序为：二氧化硅（60.02%）＞氢氧化钠（35.67%）＞硫酸铝（4.31%）。在资源消耗上，碱式硫酸镁水泥的环境影响值为2.25MJprimary，二氧化硅、氢氧化钠、硫酸铝的影响占比分别为86.67%、0.04%、13.29%。

对比3种原材料在4项终点类别上的影响占比可知，二氧化硅在4项终点类别上的影响占比均最大；氢氧化钠在4项终点类别上的影响占比一般；硫酸铝在4项终点类别上的影响占比最小。硫酸铝在资源消耗上的影响占比大于氢氧化钠，但在其余3项终点类别上的影响占比明显小于氢氧化钠和二氧化硅。

为了更好地比较NaA沸石在不同环境类别上的影响程度，需对环境类别影响值进行归一化处理，结果见表3

表3 NaA沸石环境类别影响值的归一化结果

终点点类别	氢氧化钠	硫酸铝	二氧化硅	总计
人类健康	4.82E-6	4.04E-7	7.13E-6	1.24E-5
气候变化	4.85E-6	8.67E-7	1.02E-5	1.59E-5
生态系统质量	1.54E-15	0	2.75E-15	4.29E-15
资源消耗	5.13E-4	0.153	1	1.154

结合表3可知，碱式硫酸镁水泥在4项终点类别上的影响值大小顺序为：资源消耗（1.154）＞气候变化（1.59×10-5）＞人类健康（1.24×10-5）＞生态系统质量（4.29×10-15）。可见，NaA沸石对资源消耗的影响最大，其制备过程中对资源消耗产生的影响不可忽视，需采取有效措施进行控制，防止浪费。NaA沸石的3种原材料在4项终点类别上的影响值大小顺序为：二氧化硅＞氢氧化钠＞硫酸铝，二氧化硅对4项终点类别的影响最大。

4.结论

本文基于LCA理论[9-10]，运用SimaPro软件对NaA沸石合成中的三种主要原材料进行了生命周期评价；选用Eco-indicator 99的评价方法及理论模型进行分析，主要影响类别包括11个指标；对清单分析数据进行了特征化、归一化的计算。主要结论如下。

（1）NaA沸石在化石燃料消耗上的影响值最高，在臭氧层损耗上的影响值最低。

（2）在11项中点类别上，三种原材料中二氧化硅对环境的损害最大、影响范围最广，损害影响类别集中在非生物耗竭、人体毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、富营养化。硫酸铝在各项环境类别的影响最小。

（3）在4项终点类别上，三种原材料中二氧化硅对环境的影响最大，氢氧化钠次之，硫酸铝最小。

    说明沸石可以改善环境，但是合成沸石的过程中会有一些成分对环境产生影响甚至破坏环境。

参考文献

[1]陈志鹏. 多级孔沸石分子筛的结构和酸性调控及催化性能研究[D].广东工业大学,2020.

[2]满贺诚,段华波,李雪迎等.生命周期影响评价方法及本地化研究进展[J/OL].环境工程技术学报:1-12[2023-08-12].

[3]翟一杰,张天祚,申晓旭等.生命周期评价方法研究进展[J].资源科学,2021,43(03):446-455.

[4]赵振刚,张志强,马岚等.生命周期评价实践进展研究[J].今日财富(中国知识产权),2018(09):164.

[5]李雪迎. 介孔复合锰基催化剂净化VOCs及其生命周期评价[D].中国环境科学研究院,2019.

[6]房兴驰,鲁金明.湿凝胶转化制备NaA沸石膜及应用研究[J].现代化工,2023,43(04):119-124.

[7]汪雁,刘云,陈洁等.基于SimaPro软件的煤制甲醇生命周期法环境影响评价[J/OL].低碳化学与化工:1-6[2023-08-12].

[8]李云霞,杨润江,鞠立川.基于SimaPro的东北大豆碳足迹核算[J].质量与认证,2016(01):58-59.

[9]Hauschild M Z, Rosenbaum R K, Olsen S I. Life cycle assessment[M]. Springer International Publishing, Cham. https://doi. org/10.1007/978-3-319-56475-3 Book, 2018.

[10]Hellweg S, Milà i Canals L. Emerging approaches, challenges and opportunities in life cycle assessment[J]. Science, 2014, 344(6188): 1109-1113.