從洗滌劑全生命周期看濃縮洗滌劑產品設計

蔣 贊 馬觀鳳 袁 歡

（廣州藍月亮實業有限公司，廣東廣州，510760）

隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，人類活動對環境的影響越來越大，全球變暖、水體污染等環境問題日趨嚴重。生活水平的提高和環保意識的提升使得人們的消費習慣不斷變化，綠色環保成為消費者的新需求，洗滌劑在原材料獲取、生產、運輸、使用、回收和最終處理中對環境的影響成為洗滌劑產品開發過程中關注的重點。洗滌劑濃縮化既符合消費者對綠色環保的需求，也符合企業在資源能源消耗加劇和原材料成本上漲的局勢下的轉型需求，成為實現行業綠色可持續的發展趨勢之一。

1 洗滌劑濃縮化的環境益處

1.1 洗滌劑濃縮化趨勢

2015年9月25日，聯合國正式通過17個可持續發展目標，其中包括“采用可持續的消費和生產模式”和“采取緊急行動應對氣候變化及其影響”，對生產企業和各國政府提出了更高的環境要求。2020年9月22日，習近平總書記提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。洗滌用品行業與消費、環境密切相關，濃縮化是可持續發展的必然選擇。

發達國家很早就開始了洗滌產品結構的變革，目前，美國、日本的液體洗滌劑濃縮化率已經接近99%，歐洲的濃縮化率已經超過80%[1]，基本實現了液體化、濃縮化的主體產品市場。歐盟在AISE的領導下分階段開展了濃縮化項目，衣物洗滌劑在標準洗滌條件下單次推薦用量從1995年的150 g逐步降低至2018年的55 g，實現了衣物洗滌劑的濃縮化，取得了洗滌劑節省、包裝消耗量減少、CO2排放量降低、汽車運輸量降低等顯著的環境益處[2]。此外，以凝珠為代表，具備超濃縮、使用方便、準確計量等特點的單次計量洗滌產品，近年來在歐美日等發達國家的洗滌市場發展迅速，市場份額逐年擴大。

我國于1985年就開始了首款濃縮洗衣粉的生產和銷售，但由于政策推動不足、消費觀念等的影響，其后濃縮洗滌劑在我國的發展非常緩慢。2009年7月，中國洗滌用品工業協會在行業推廣“濃縮洗衣粉”標志，我國洗滌行業洗滌劑濃縮化進程開始逐步發展。2012年9月，中國洗滌用品工業協會開始推廣“濃縮洗滌劑”標志，旨在讓消費者更加直觀地識別濃縮化產品。中國洗滌用品行業發展“十三五”規劃提出了到2020年濃縮洗滌劑的發展目標：濃縮（高效）洗衣粉占洗衣粉總量的比重達到20%，衣用液體洗滌劑占衣用洗滌劑總量的比重達到60%，濃縮（高效）液體洗滌劑占液體洗滌劑總量的比重達到20%。但目前而言，我國濃縮洗衣液占比仍低于5%[3]，濃縮化進程的推進仍然任重道遠。

1.2 洗滌劑生命周期評估

生命周期評估（LCA）是對產品從原材料，到生產、包裝、運輸、使用，再到回收和最終處理的全生命周期過程對資源和環境影響進行分析和評價的一種定量方法。結合LCA方法可以使得濃縮洗滌劑的綠色環境屬性得以直觀展示和定量評估。

AISE在2003年發布了對濃縮洗衣粉的LCA分析，結果如圖1所示[4]。由圖1可知，產品在消費者使用過程中消耗的能量、產生的CO2和廢棄物占整個生命周期的絕大部分份額，因此提高消費者正確使用洗滌劑產品的意識是可持續發展的重要途徑。產品在生態環境中處理過程產生的COD占整個生命周期的絕大部分份額，因此選擇對環境影響小的原料、減少不必要的化學助劑是可持續發展的有效方法。

圖1 濃縮洗衣粉的全生命周期分析

AISE在2011－2013年開展了濃縮洗衣粉和洗衣塊的LCA對比分析，在5 kg洗滌負載條件下其單次洗滌用量分別為81.5 g和63.8 g，從CO2、P、氮氧化物、陸地使用、原材料使用等12個LCA參數出發，考察了洗滌劑人體毒性、氣候變化、農田或城市用地消耗、化石消耗等中點指標，以及人類健康、生態系統、資源過度消耗3個終點指標的環境影響。結果顯示，濃縮洗衣粉和洗衣塊對環境的影響基本接近，這可能歸因于濃縮洗衣粉和洗衣塊的化學物質組成相近，均需要大量固體填充劑，而這些填充劑的類型和用量接近。以洗衣塊為例具體分析洗滌劑在生命周期過程中對環境的影響，結果表明，產品的配方化學成分對農業用地占用、自然土地改造、金屬消耗中點指標的影響占絕大部分份額；產品在消費者使用過程中對氣候變化、顆粒物形成、城市用地占用、化石消耗終點指標的影響占絕大部分份額。對于中點指標，氣候變化主要與消費者使用時的水溫和產品用量密切相關，自然土地改造和化石消耗主要與表面活性劑的選擇和用量密切相關[5]。

中國洗滌用品工業協會共開展了兩輪生命周期評估，第一輪評估對象為中國市場上的普通洗衣粉、濃縮洗衣粉、普通洗衣液、濃縮洗衣液，并于2013年發表了評價成果。結果表明：與普通洗滌劑相比，濃縮洗滌劑在全球氣候變暖、酸雨及土壤酸化、水體富營養化、能源消耗、農業土地使用以及廢水水質等7個環境影響方面都有明顯的正面效應；敏感性分析和不確定性分析結果也表明，消費者對濃縮洗滌劑的使用習慣和洗滌劑生產廠商對表面活性劑的選擇對濃縮洗滌劑的整體環境影響也有非常重要的影響[6]；第二輪評估對象為普通洗衣液、濃縮洗衣液、濃縮+洗衣液、洗衣凝珠，評估結果尚未正式發布。

濃縮洗滌劑在其全生命周期過程中凸顯了優異的環境優勢，可大幅減少包裝的消耗量，降低洗滌劑配方成分對環境的影響。洗滌劑濃縮化符合洗滌用品行業可持續發展要求，也符合我國實現碳中和的長遠目標。

2 濃縮洗滌產品設計

產品的環境特性取決于產品的整個生命過程，產品設計是決定產品命運的關鍵環節，在產品開發中使用LCA，可以識別潛在的產品環境特性，企業將有機會避免或者最小化可預見的環境影響，而不影響整個產品的質量。圖2展示了產品開發過程中自由度與信息可利用度之間的關系，產品開發思想涉及構想、分析、目標定義、概念設計、詳細設計、實施等階段。在構想階段，研發人員具有最高的自由度，隨著需求分析、目標分析的深入，信息細節逐漸增大，但設計的自由度逐漸降低，產品的環境屬性受到局限。因此在產品開發初始階段，也即產品設計階段，產品環境屬性具有最大的改善潛力[7]。

圖2 產品開發思想

濃縮洗衣液如何實現用量少、效果好、準確計量、使用方便等功能的有機統一是濃縮洗衣液產品設計的一個關鍵技術問題。濃縮不是單純去掉配方中的水，而是配方和包裝的重新設計。在解決上述難點后，濃縮洗衣液活性物最佳選擇是關鍵。洗滌產品配方在濃縮以達到期望活性物含量的過程中，為保持配方相容性（比如高低溫穩定性、黏度、流變性能等），可能會添加無洗滌效果的化學助劑，這些化學助劑的增加在洗衣液使用和處理環節將增加對環境的影響。生物酶的使用顯著提高了洗滌劑對特定污垢的去污能力和效率，而酶活力與水含量和表面活性劑的類型、含量息息相關，因此對酶活力具有保持作用的最低有效量化學助劑可認為具有洗滌效果。如何設計合適濃縮倍數的產品，在保證洗滌去污效果前提下，盡量減少無洗滌功效成分的添加，這是濃縮洗衣液配方設計的主要挑戰。

去污力是評價洗滌劑效果的最關鍵指標，去污力評價有國標去污力和洗衣機去污力兩大指標，如表1所示。本文中提到的良好去污力定義為同時通過立式去污機的國標去污力和洗衣機去污力測試。

圖3展示了去污力（或潔凈力）與洗衣液活性物含量之間的關系，隨著活性物含量的增大，去污力并非等比例升高，因而當活性物含量從低濃度增加到高濃度過程中，洗衣液用量并非同比例降低。比如活性物從10%、20%增加到30%、40%、50%、60%，達到相同去污效果所需的洗衣液用量分別為X g、X/2 g、X/3+a g、X/4+b g、X/5+c g、X/6+d g，a、b、c、d 隨配方體系的差異可為正或負，即洗衣液用量并非等比例變化，潔凈力的增加隨活性物含量的增大存在一個拐點，該拐點對應的活性物含量即為濃縮效率最高點。

圖3 潔凈力與活性物含量的關系

表1 去污力評價指標

在產品設計的時候，要盡量使用具有洗滌效果的化學助劑而避免使用無洗滌效果的化學助劑，即在提升洗滌劑洗滌效果的同時減少產品潛在的環境影響。洗滌劑的濃縮效率最高與對環境影響最小之間沒有固定的重合點，而與當前掌握的產品設計和配方開發的技術水平動態相關。如何找到效率最高滿足需求的最佳配方，正是配方工程師孜孜以求的。基于上述產品設計理念，我們結合LCA分析方法對藍月亮兩款市售洗衣液對環境的影響開展了初步分析，以更好地指導日后濃縮洗滌劑的開發。

3 洗衣液LCA分析

3.1 評價方法和數據收集

3.1.1 評價對象

評價對象為藍月亮普通洗衣液（20%活性物）和濃縮洗衣液（47%活性物），所選擇的洗衣液去污力良好，配方相容性合格，符合QB/T 1224－2012 《衣料用液體洗滌劑》的要求，且獲得中國節水認證標識和中國環境標志認證，具有良好的環境屬性。LCA的功能單位以 g/單次洗滌用量來表示，單次洗滌用量參考背標邏輯：2.0 kg衣物負載下，普通洗衣液為40.0 g/次，濃縮洗衣液為13.3 g/次。

3.1.2 軟件和數據庫

由廣州賽寶認證中心服務有限公司提供技術支持，根據產品BOM、收集的生產過程的能源消耗數據和部分原料的文獻調研數據，采用GABI軟件系統建立產品生命周期模型，并計算得到LCA結果。GABI軟件系統由德國PE公司研發，支持全生命周期過程分析，并內置歐盟ELCD數據庫和瑞士的Ecoinvent數據庫。Ecoinvent數據庫適用于含進口原材料的產品或出口產品的LCA研究，在本研究中也用于代替中國本地缺失的數據。

3.1.3 系統邊界

系統邊界包括原材料獲取、生產、包裝與運輸、銷售及使用4個階段，如圖4所示。

采用氣候變化潛值（GWP）和水體富營養化潛值（EP）兩個指標，表征家用洗衣液產品生命周期原材料獲取階段、生產階段、運輸階段和使用階段4個過程產生的環境影響。根據清單因子的物理化學性質，將對某影響類型有貢獻的因子歸到一起，如表2所示。

3.1.4 數據取舍原則

普通物料質量分數＜1%時，以及含稀貴或高純成分的物料質量分數＜0.1%時，可忽略該物料的上游生產數據；總共忽略的物料質量分數不超過 5%。

圖4 系統邊界

低價值廢物作為原料，如粉煤灰、礦渣、秸稈、生活垃圾等，可忽略其上游生產數據。

大多數情況下，生產設備、廠房、生活設施等可以忽略。

在選定環境影響類型范圍內的已知排放數據不應忽略。

3.1.5 數據收集

基于LCA的信息中要使用的數據可分為現場數據和背景數據。主要數據盡量使用現場數據，如果現場數據收集不足，可以選擇背景數據。現場數據是在現場具體操作過程中收集來的，主要包括生產過程的能源與水資源消耗、產品原料的使用量、產品主要包裝材料的使用量和廢物產生量等。現場數據還包括運輸數據，即產品原料、主要包裝等從制造地點到最終交貨點的運輸距離。背景數據應當包括主要原料的生產數據、權威電力的組合數據（如火力、水、風力發電等）、不同運輸類型造成的環境影響以及洗衣液成分在環境中降解或在污水處理廠處理過程中的排放數據。

（1） 原材料獲取階段

原材料的獲取階段始于從大自然提取資源，結束于洗衣液產品進入產品生產設施，包括以下過程：資源開采和提取；所有材料的預加工，例如使化學組分變成陰離子表面活性劑等；轉換回收的材料；生物材料的光合作用；樹木或作物種植和收獲；提取或預加工設施內部或預加工設施之間的運輸。普通洗衣液和濃縮洗衣液的原材料成分及用量如表3所示。

原材料獲取階段的原材料運輸清單如表4所示。

表2 清單因子歸類

表3 洗衣液原材料成分及用量

表4 洗衣液的原材料運輸清單

（2） 洗滌劑生產階段

生產階段始于洗衣液產品進入生產場址，結束于成品離開生產設施，生產活動包括化學處理、制造、制造過程間半成品的運輸、材料組成包裝等。不同洗衣液生產過程的能耗如表5所示。

（3） 洗滌劑運輸階段

運輸階段應考慮的運輸參數包括運輸方式、車輛類型、燃料消耗量、裝貨速率、回空數量、運輸距離、根據負載限制因素（即高密度產品質量和低密度產品體積）的商品運輸分配以及燃料用量。洗衣液運輸過程清單如表6所示。

（4） 洗滌劑使用階段

使用階段始于消費者擁有產品，結束于洗滌后排入市政管網，包括使用/消費模式、使用期間的資源消耗等。普通洗衣液單次洗滌用量為40.0 g，濃縮洗衣液單次洗滌用量13.3 g。假定滾筒洗衣機標準洗滌模式下，一次洗滌用水33.3 L（含漂洗用水）。

洗滌劑的壽命終止階段始于用戶使用洗衣液排入市政污水處理站，結束于產品作為廢水排入自然水體的生命周期，研究假定洗滌廢水處理方式為自然降解。

3.2 洗滌劑生命周期評價結果分析

3.2.1 生命周期各階段LCA結果分析

通過LCA計算了普通洗衣液和濃縮洗衣液的GWP和EP指標，不同洗衣液生命周期各階段的GWP結果如表7所示。普通洗衣液的GWP指標值為0.37 kg CO2eq，濃縮洗衣液的GWP指標值為0.14 kg CO2eq，洗衣液濃縮后單次洗滌的環境負荷明顯降低。生命周期各階段中生產階段對GWP指標的貢獻占比最大，均在40%以上，普通洗衣液生產階段的占比高達54.63%。使用階段對GWP指標的貢獻占比次之，均在30%以上。而運輸階段對GWP指標的貢獻占比最小，基本可以忽略不計。

表5 不同洗衣液的生產過程清單

表6 洗衣液運輸過程清單

由圖5可以直觀看出濃縮化對洗衣液生命周期各階段GWP指標的影響。洗衣液濃縮化后，生產階段和使用階段的GWP指標值顯著降低，這主要是由于洗衣液濃縮化減少了單次洗滌用量，使單次洗滌分攤的生產和使用過程的能耗和排放減少，從而使GWP指標值變小。結合表7可知，洗衣液濃縮化后，原材料獲取階段以及運輸階段的GWP指標值同樣有所降低。

不同的洗衣液生命周期各階段的EP結果如表8所示。普通洗衣液的EP指標值為3.36×10-4kg CO2eq，濃縮洗衣液的EP指標值為1.31×10-4kg CO2eq，洗衣液濃縮后單次洗滌的環境負荷明顯降低。洗衣液生命周期各階段對EP指標的貢獻占比呈現與GWP指標相似的規律。生產階段對EP指標的貢獻占比最大，均在40%以上，普通洗衣液生產階段的占比高達54.24%。使用階段對EP指標的貢獻占比次之，均在30%以上。運輸階段對EP指標的貢獻占比最小。

濃縮化對洗衣液生命周期各階段EP指標的影響如圖6所示。洗衣液濃縮化后，生產階段和使用階段的EP指標值顯著降低，濃縮洗衣液單次洗滌用量的減少使得單次洗滌分攤的生命周期各過程的排放減少，從而使EP指標值變小。結合表8可知，洗衣液濃縮化后，原材料獲取階段以及運輸階段的EP指標值同樣有所降低，但變化幅度較小。

由上述分析可知，濃縮洗滌液具有明顯的環境優勢，在生命周期的各階段，濃縮洗衣液的GWP指標值和EP指標值均低于普通洗衣液，洗滌劑濃縮化能夠顯著降低生產階段和使用階段的環境負荷。

表7 不同洗衣液生命周期各階段對GWP指標的貢獻

圖6 不同的洗衣液各生命周期階段對EP指標的貢獻

3.2.2 原輔料對洗滌劑的環境影響

對原材料獲取階段環境負荷的影響因素進行進一步細化分析，普通洗衣液以及濃縮洗衣液原材料對GWP指標的影響如圖7所示。對普通洗衣液和濃縮洗衣液單次洗滌GWP指標貢獻較大的原材料是原料A、C和E。相對于普通洗衣液，濃縮洗衣液消耗的原料A、E的GWP指標值明顯降低，但原料C以及丙二醇的GWP指標值明顯增大。

原材料獲取階段普通洗衣液及濃縮洗衣液各原材料的EP指標值如圖8所示。對普通洗衣液單次洗滌EP指標貢獻較大的是原料A、C和D，對濃縮洗衣液單次洗滌EP指標貢獻較大的是原料C。相對于普通洗衣液，濃縮洗衣液原料A和D的EP指標值明顯降低，原料C的EP指標值明顯增大。

圖7 不同原材料對GWP指標的貢獻

圖8 不同原材料對EP指標的貢獻

表8 不同洗衣液生命周期各過程對EP指標的貢獻值

在表面活性劑中，原料A和C對GWP指標的影響更大，原料A、C和D對EP指標的影響更大，普通表面活性劑使用了更多的原料A，并且引入了原料D，濃縮洗衣液使用了更多的原料C。在助劑中，丙二醇對GWP和EP的影響較大，丙二醇可作為酶的穩定劑，也可作為調節黏度的助劑，或洗衣凝珠的填充劑。丙二醇是其他多元醇的一個典型代表，從僅添加最低有效量化學助劑出發，合理推測出產品活性物含量并非越高越好。表面活性劑的增加及助劑的引入會增大洗滌劑的GWP及EP指標值，降低洗滌劑對環境的影響在成分選擇上仍有很大的改善空間。

3.2.3 消費者使用習慣對洗滌劑環境影響分析

在全生命周期評價的基礎上進一步分析消費者使用習慣對環境的影響，正確使用情況下，由于濃縮化洗衣液活性物濃度較高，其洗滌用量比普通洗衣液要少，但如果消費者不遵循正確的使用量，那么可能導致嚴重的環境影響。

濃縮洗衣液超量使用的環境影響指標結果如圖9所示。超量使用洗衣液對GWP指標以及EP指標的影響規律相似，當消費者正確使用洗衣液時，濃縮洗衣液的GWP指標和EP指標遠遠低于普通洗衣液。當濃縮洗衣液被超量1倍使用時，GWP指標值和EP指標值仍低于普通洗衣液。但可以預見的是，消費者如果超量使用濃縮洗衣液，對全球變暖和水體富營養化的環境影響都會加重，因此應當做好消費者的引導工作。

綜上所述，濃縮產品具有明顯的環境優勢，在生命周期的各階段，高倍濃縮洗衣液的GWP指標值和EP指標值均低于普通型洗衣液。表面活性劑的增加和助劑的引入都會增大產品的環境影響，在產品配方設計階段，應當盡量減少無洗滌效果助劑的使用。

本研究LCA仍存在需要優化的地方：評價的樣本不足，研究僅對普通洗衣液（20%活性物）和濃縮洗衣液（47%活性物）進行了生命周期評價，研究的樣本僅代表藍月亮的濃縮化成果，不具備市場代表性；評價指標不足，研究的生命周期評價僅包括GWP和EP兩個指標；評價范圍不足，研究假定洗滌廢水處理方式為自然降解，但根據AISE及中國洗滌用品工業協會的研究結果，洗滌廢水處理過程對環境影響指標的影響較大，因此廢水處理及最終處置階段的環境影響應進一步探討，以在產品設計階段更全面地評估和選擇產品配方。

圖9 不同消費者使用習慣對環境的影響

4 結論

在產品設計階段使用LCA，可最小化可預見的環境影響，而不犧牲整個產品的質量。以獲得均一穩定的配方和達到相同的良好去污力為出發點，采用LCA評估模型，對比產品對環境的影響隨活性物增加的變化趨勢，發現不管是在生命周期各個階段，還是細化分析原輔料消耗以及消費者使用層面，高倍濃縮洗衣液的GWP指標值和EP指標值均低于普通型洗衣液。從濃縮效率和僅添加最低有效量化學助劑出發，合理推測出產品活性物含量并非越高越好。在開展濃縮洗滌劑的產品設計時，需依據配方技術水平，開發最高效、環境影響最小且方便消費者使用的產品。