基于環境績效的煙草商業物流可降解薄膜包裝優化研究

韓笑，李榮國，黃山，楊莉，李潔，靳曉曼，姜曉雪

基于環境績效的煙草商業物流可降解薄膜包裝優化研究

韓笑1，李榮國2，黃山2，楊莉3*，李潔3，靳曉曼3，姜曉雪3

（1.陜西省煙草專賣局，西安 710061；2.陜西省煙草局西安市公司，西安 710199； 3.長安大學 水利與環境學院，西安 710064）

在兼顧環境影響和經濟效益的基礎上，運用科學的分析手段為煙草商業物流可降解薄膜優選及包裝工藝升級提供決策參考。本文從可降解薄膜的力學性能及其包裝方式入手，以生命周期評價法所確定的可降解薄膜環境影響潛值和相關經濟指標作為基礎數據，運用基于松弛測度的非徑向、非角度的數據包絡分析模型（SBM-DEA）開展煙草商業物流可降解薄膜包裝的環境績效評價及冗余度分析。根據8種可降解薄膜的力學性能確定了3種包裝方式，不同包裝薄膜的生命周期環境影響潛能總值從大到小依次為C、D、E、LDPE、A、B、G、F、H。根據環境績效測算所確定的可降解薄膜包裝優選方案為A+纏繞包裝I和G+纏繞包裝I。生命周期環境影響評價有助于全面分析可降解薄膜的環境友好性，可降解薄膜的纏繞包裝具有突出的環境績效優勢，工藝升級和包裝效率改進是提升煙草商業物流可降解薄膜包裝環境績效的入手點。

煙草商業物流；可降解薄膜；環境影響；生命周期法；環境績效

煙草商業物流是煙草物流中心根據訂單將不同品類的卷煙進行倉儲、分揀、包裝并配送至客戶的服務活動。其中，商業物流包裝在煙草商業流通環節中發揮著集中、穩固和保護卷煙產品的重要作用。傳統的煙草商業物流包裝采用低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）薄膜的熱縮包裝工藝實現，具有能耗高且LDPE薄膜難以降解等問題。近年來，大力推廣綠色包裝已成為煙草商業物流綠色化轉型的重要舉措。可降解薄膜具有質輕透明、原料來源廣泛和包裝性能良好的優勢，在滿足煙草商業物流包裝要求的同時，能夠在廢棄后被降解并回歸自然，有助于顯著減少傳統卷煙商業包裝所使用的LDPE薄膜造成的白色污染[1]。煙草商業物流企業在卷煙分揀配送環節開展可降解薄膜包裝的應用和優化的研究中，所面臨的主要困擾在于科學選取環境友好性突出且經濟效益顯著的可降解薄膜包裝。基于此，如何借助科學的環境影響評價手段，系統而全面地評估可降解薄膜的低碳環保優勢，繼而在兼顧經濟和環境效益的基礎上，通過可靠的定量分析指導可降解薄膜包裝工藝優化，已成為卷煙物流可降解薄膜包裝研究探索中亟待解決的關鍵問題。

環境績效評價是反映企業或組織由于環境治理而取得的成績或效果的監督手段[2]，其測算結果是指導企業管理發展和決策研究的重要參考指標。近年來，學者們針對不同的研究對象探索了多種環境績效評價體系和方法[3-6]。目前，國內外關于環境績效的測算方法主要包括主成分分析法、模糊綜合評價法、平衡計分卡法、層次分析法和數據包絡分析法等。其中，數據包絡分析法（Data Envelopment Analysis，DEA）具有無需預估參數和假設權重、無需考慮輸入輸出指標之間是否存在函數關系、可為無效單元提供改進方向等優點，在評價多投入、多產出的復雜體系中具有明顯的優勢[7-9]。傳統的DEA模型包括規模收益不變的CCR模型和規模收益可變的BBC模型，這2種模型都是在不考慮指標松弛的情況下，需要假定輸入或輸出成比例變化，使得評價結果與實際有所偏差。為了彌補上述缺陷，2001年Tone[10]提出了基于非徑向、非角度的松弛測度模型（Slacks-Based Measure，SBM），在傳統模型的基礎上將松弛變量加入目標函數中，同時又將非期望產出引入評價體系，解決了傳統DEA方法中所有輸入或輸出只能等比例增加或縮減的問題，能夠更真實地衡量各決策單元的效率。Cheng等[8]兼顧經濟和環境因素，采用SBM-DEA模型評估了681個農村污水處理設施的環境績效，其評價結果不僅可以指導地方政府加強設施的監管和運營，還能為我國農村污水處理設施的建設、運營和管理提供參考。趙艷等[11]以資本和能源為投入指標，GDP和環境負荷為產出指標，運用SBM-DEA模型分析了江蘇省13個地級市的環境效率。

因此，本文以綠色低碳理念為指導，根據可降解薄膜的力學性能確定適用的包裝工藝。對可降解薄膜開展生命周期環境影響評價（Life Cycle Assessment，LCA），繼而以總投資和電耗為投入指標，以環境影響潛值和煙垛包裝數為產出指標，構建可降解薄膜包裝的環境績效指標體系。借助考慮非期望產出的SBM-DEA模型開展可降解薄膜包裝的環境績效測算及冗余度分析，旨在為煙草商業物流企業優選可降解薄膜及實現包裝工藝升級提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 可降解薄膜研究對象

《2021—2023中國快遞業綠色包裝碳減排潛力研究報告》指出，快遞包裝的全生命周期碳排放在較大程度上受到原料階段的影響。在眾多的可降解薄膜原料中，聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）是以玉米為原料，經淀粉生產、葡萄糖生產、乳酸生產和丙交酯生產等工序制成的可降解高分子聚合物，在碳減排方面具有明顯優勢[12]，但PLA韌性差、斷裂伸長率低、質地硬而脆且價格高[13]；聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（Poly (butyleneadipate-co-terephthalate)，PBAT）是由1,4-丁二醇（Butane-1,4-diol，BDO）、己二酸（Adipic Acid，AA）和對苯二甲酸（P-phthalic Acid，PTA）聚合而成，具有優異的柔韌性和較高的斷裂伸長率[14]，加工性能與LDPE比較接近，產能大且價格低廉，具有廣泛的應用前景。因此，本文選擇了8種由PLA和PBAT為主要原料的可降解包裝薄膜作為研究對象，各薄膜的成分及市場售價見表1。同時將傳統卷煙商業包裝所使用的LDPE薄膜作為對照，其售價為1.58萬元/t。

表1 8種可降解包裝薄膜的成分及售價

1.2 薄膜力學性能測試

薄膜的包裝方式一般由薄膜的熱收縮性以及穿刺強度、拉伸強度、斷裂伸長率等力學性能測試結果確定。薄膜力學性能測試方法如下：

1）拉伸強度和斷裂伸長率的測試。使用DR-5010A萬能試驗機，參照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》對薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率進行測試。

2）穿刺強度的測試。依據GB/T 10004—2008《包裝用塑料復合膜、袋干法復合、擠出復合》對薄膜的穿刺強度進行測試[15]。

1.3 基于生命周期的可降解薄膜環境影響評價

生命周期評價通過收集產品從“搖籃到墳墓”整個生命周期中的投入（物質和能源）與產出（污染物排放）評估其對環境產生的影響[16]，該方法已納入ISO 14040環境管理系列標準[17]，并被廣泛應用于不同產品、過程或服務的環境影響評價[18-19]，可為行業精準減排提供依據和方向。由德國斯圖加特大學和PE公司共同研發的GaBi軟件是廣泛應用于產品環境影響評價的分析軟件之一[20]。GaBi軟件具備全面、高質量的數據庫系統[21]，是目前全球各行業以及高校進行環境影響評估的主要工具[22-23]。

因此，本文首先確定了可降解薄膜的生命周期環境影響評價的系統邊界（見圖1），并將其劃分為原料階段、生產階段、使用階段和處置階段，共計4個主要階段，各階段運輸過程所造成的環境影響均不考慮在系統邊界之內。同時，將系統的功能單元定義為1 t包裝薄膜，并選擇GaBi 9.0（教育版）軟件對所關注的薄膜的環境影響進行量化評價。所得到的環境影響潛能總值將作為薄膜包裝的環境績效測算的產出指標之一。

1.4 環境績效研究方法

環境績效的概念普遍以ISO 14001的定義“一個組織基于環境方針、目標和指標，控制其環境因素所取得的可測量的環境管理系統成效”為權威和參考，學者們在此基礎上提出自己的看法和見解[24-26]，其關注點始終圍繞與企業發展相關的環境治理取得的成效，是兼顧環境影響與經濟效益實踐決策的重要參考。

1）模型的測算方法。本文采用考慮非期望產出的、基于松弛測度的非徑向、非角度SBM-DEA模型評價可降解薄膜包裝的環境績效，選用DEA- SOLVER pro5.0軟件開展環境績效測算。

圖1 煙草商業物流包裝薄膜的生命周期系統邊界

2）環境績效指標體系的構建。環境績效指標的選取一般需遵循科學性、系統性、可行性、可比性和成本性的原則[27]。本文依據ISO 14031中環境績效指標框架結構及指標選取原則，構建的煙草商業物流可降解包裝的環境績效指標體系見表2，其中總投資包括包裝設備投資、薄膜經濟成本、設備運行費用（電費）和人員工資。

表2 環境績效指標體系

Tab.2 Environmental performance indicator system

2 結果與討論

2.1 薄膜力學性能測試及包裝工藝選擇

本文測試了LDPE和8種可降解薄膜的力學性能，具體包括穿刺強度、拉伸強度、斷裂伸長率，測試結果如表3所示。具體包括：傳統的煙草商業物流包裝采用LDPE薄膜熱縮包裝工藝；C、D和E 3種可降解薄膜具有一定的耐穿刺性和熱收縮性，適用于熱縮包裝；其他可降解薄膜則采用纏繞包裝方式，其中，A、B和G可降解薄膜較薄、拉伸強度較大、斷裂伸長率較低、穿刺強度相對較高，在承受一定拉力的同時不易變形，可起到固定保護商品的作用，因而適用于橫向一圈、縱向三圈的纏繞包裝I的包裝模式，見圖2a；F和H可降解薄膜較厚、韌性好、穿刺強度適中，適用于橫向一圈、縱向一圈的纏繞包裝Ⅱ的包裝模式，見圖2b。

2.2 基于生命周期的可降解薄膜環境影響評價

結合煙草商業物流包裝薄膜全生命周期評價模型，本文主要結合相關報告、調研數據及GaBi 9.0（教育版）數據庫開展可降解包裝薄膜的環境影響評價和比較分析。評價模型中涉及到的包裝薄膜生命周期各階段的基礎數據見表4。

表3 可降解薄膜的力學性能及包裝方式

Tab.3 Mechanical properties of degradable films and corresponding packaging manners

圖2 纏繞包裝方式示意圖

表4 可降解包裝薄膜生命周期各階段的基礎數據

Tab.4 Basic data of degradable packaging film at different stages of life cycle

注：環評報告①來源于http://111.6.107.78:18080/portal/hjgs/hjyxpjgs/webinfo/2021/11/1637366721641451.htm；*表示由GaBi 9.0（教育版）軟件內置數據庫提供；能源消耗和直接排放均為每噸膜的相關數據；根據《中國統計年鑒2021》和《中國統計年鑒2022》中我國生活垃圾處理方式確定LDPE薄膜的處置方式為30%填埋和70%焚燒。

通過生命周期環境影響評價得到9種煙草商業物流包裝薄膜的環境影響潛能總值，如圖3所示。可以看出，不同薄膜生命周期環境影響潛能總值從大到小的排序依次為C、D、E、LDPE、A、B、G、F、H。總體而言，原料階段和使用階段是總環境影響潛值中貢獻較大的2個階段。從原料階段的環境影響來看，LDPE薄膜原料階段的環境影響貢獻較小，主要是由于LDPE的生產原料（乙烯）較為單一，該石油基原料的制備工藝較為成熟；而可降解薄膜的原料階段環境影響貢獻則較大，且影響程度與薄膜中PBAT的含量相關。原因是作為可降解薄膜中重要組分的PBAT目前是由3種石油基原料（BDO、AA和PTA）經過復雜的制備工藝獲得的，具有較大的環境影響潛值。隨著生物技術的不斷發展，生物法制備BDO[28]等生產技術升級將有望在不久的將來有效降低PBAT/PLA可降解薄膜的環境影響潛值。從使用階段的環境影響來看，采用熱縮包裝的可降解包裝薄膜C、D和E的環境影響潛能總值明顯大于LDPE薄膜的，而采用纏繞包裝的可降解薄膜A、B、F、G和H的環境影響潛能總值則小于LDPE薄膜的，說明不同的包裝方式是造成薄膜使用階段環境負荷差異的主要原因。熱縮包裝的環境影響潛值大與加熱包裝設備的高耗能關系密切，而纏繞包裝具有節能降碳的突出優勢，符合“雙碳”背景下煙草商業物流綠色發展的需求。從環境影響潛能總值來看，可降解包裝薄膜A、B、F、G和H的環境影響均低于LDPE薄膜的，具有更好的環境友好性。

圖3 可降解包裝薄膜的環境影響潛能總值

2.3 基于SBM-DEA的可降解薄膜包裝環境績效測算

1）研究對象及數據來源。選取“10 t包裝薄膜+一條包裝生產線”作為薄膜包裝的決策單元，基于DEA-SOLVER pro5.0軟件對煙草商業物流包裝場景下可降解薄膜包裝的環境績效進行測算。指標數據（總投資、電耗、煙垛包裝數）均來源于陜西省煙草公司西安市公司卷煙物流配送中心的實地調研，環境影響潛值來源于薄膜生命周期環境影響評價結果（見圖3），環境績效評價指標的具體數值見表5。

表5 煙草商業物流包裝的環境績效評價指標數值

Tab.5 Values of environmental performance evaluation indicators of tobacco commercial film packaging

2）環境績效測算結果分析。從表6可以看出，9種薄膜包裝中A+纏繞包裝I和G+纏繞包裝I的環境績效處于有效狀態（=1），而其他薄膜包裝（B+纏繞包裝I、C+熱縮包裝、D+熱縮包裝、E+熱縮包裝、F+纏繞包裝Ⅱ、H+纏繞包裝Ⅱ和LDPE+熱縮包裝）的環境績效處于非有效狀態（＜1）。因此，在兼顧環境影響和經濟因素的基礎上，確定A+纏繞包裝I和G+纏繞包裝I是煙草商業物流可降解包裝的優選方案。另外，從圖4中薄膜不同包裝方式的環境績效對比可以看出，可降解薄膜纏繞包裝的環境績效均高于其他薄膜的熱縮包裝，表明包裝工藝的改進升級有助于環境績效的顯著提升。

表6 可降解薄膜包裝的環境績效測算結果

Tab.6 Environmental performance measurement results of degradable film packaging

圖4 可降解薄膜包裝的環境績效

3）環境績效非有效分析。SBM-DEA模型通過將松弛變量引入目標函數中，可為環境績效非有效的決策單元提供冗余度信息，用于辨析無效決策單元非有效性的可能原因。因此，本文以7個可降解薄膜包裝非有效決策單元為研究對象，結合冗余度分析進一步識別煙草商業物流薄膜包裝環境績效的非有效原因。旨在探究影響可降解薄膜包裝環境績效的潛在因素，揭示出包裝薄膜實現低碳目標的改進方向和潛力。

由表7可知，環境績效較低的7種薄膜包裝環境績效非有效的原因主要涉及投入過剩或產出不足2個方面。從投入指標來看，B+纏繞包裝I、H+纏繞包裝Ⅱ和F+纏繞包裝Ⅱ可降解薄膜包裝存在經濟成本較高的問題，源于可降解薄膜B的價格較高，以及H和F可降解薄膜包裝效率低等；同時，電耗也是LDPE、C、D、E薄膜采用熱縮包裝環境績效非有效的主要原因。從產出指標來看，包裝效率低是制約薄膜包裝環境績效的主要因素。因此，基于冗余度分析對薄膜包裝環境績效非有效原因的深入剖析，推測限制可降解薄膜包裝進一步發展和推廣的主要因素為經濟成本和包裝效率。上述結果可為可降解薄膜包裝進一步優化的研究提供理論參考。

表7 環境績效較低的可降解薄膜包裝的環境績效冗余度分析

Tab.7 Redundancy analysis of environmental performance for degradable film packaging with poor environmental performance

注：表中負號表示達到環境績效有效前沿面需要減少的數量。

3 結語

本文運用科學的評價和分析手段，開展可降解薄膜的生命周期環境影響評價，有助于全面分析可降解薄膜的環境友好性，證實由熱縮包裝到纏繞包裝的工藝改進升級有利于顯著降低環境影響；在兼顧環境影響和經濟因素的基礎上，通過環境績效測算確定A+纏繞包裝I和G+纏繞包裝I為煙草商業物流可降解薄膜包裝的優選方案；分析了可降解薄膜包裝進一步優化發展的主要因素，降本增效是可降解薄膜包裝優化研究的重要方向。研究結論可為煙草商業企業可降解薄膜包裝的應用提供決策參考，有利于充分挖掘可降解薄膜包裝的環境效益和社會價值，助力煙草物流低碳路徑的研究和新發展格局的構建。

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Optimization of Degradable Film Packaging for Tobacco Commercial Logistics Based on Environmental Performance

HAN Xiao1,LI Rongguo2,HUANG Shan2,YANG Li3*, LI Jie3,JIN Xiaoman3,JIANG Xiaoxue3

(1. China Tobacco Shaanxi Industrial Co., Ltd., Xi'an 710061, China; 2. Xi'an Company, China Tobacco Shaanxi Industrial Co., Ltd., Xi'an 710199, China; 3. School of Water and Environment, Chang'an University, Xi'an 710064, China)

The work aims to employ scientific analysis methods to provide decision-making reference for degradable films selection and packaging process upgradation in tobacco commercial logistics with consideration to environmental impact and economic benefits. Based on the matching of film mechanical properties and packaging ways, the environmental performance measurement and redundancy analysis of degradable film packaging were carried out with a non-radial and non-angular SBM-DEA model based on relaxation measurement, using the environmental impact potential via life cycle inventory and related economic indicators as basic data. The results indicated that three packing manners were determined for eight kinds of degradable films according to mechanical properties. The total environmental impact potential of different packaging films followed a descending order of C, D, E, LDPE, A, B, G, F and H. In addition, the wrapping packaging I of film A and wrapping packaging I of film G were preferable with effective environmental performance. It is concluded that life cycle environmental impact assessment contributes to a comprehensive analysis of the environmental friendliness of degradable films. Wrapping packaging of degradable films has outstanding environmental performance advantages. The upgrading of packing technology and the enhancement of packaging efficiency are the starting points to improve environmental performance of degradable film packaging.

tobacco commercial logistics; degradable film; environmental impact; life cycle assessment (LCA); environmental performance

TB489

A

1001-3563(2024)03-0276-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.03.032

2023-10-09

陜西省煙草公司2021年度揭榜掛帥科技項目（KJ-2021-10）；中國煙草總公司2022年度科技項目（110202202035）