Tài liệu tổng hợp môn Hóa học xanh

 Đặc trưng của LCA: phân tích tất cả  Các giai đoạn của vòng đời sống sản phẩm: − Khai thác nguyên liệu thô − Sản xuất − Vận chuyển − Sử dụng − Tái chế hay phân hủy  Đầu vào của sản p

CHƯƠNG 3

ĐÁNH GIÁ VÒNG ĐỜI SẢN PHẨM (LCA)

So sánh ảnh hưởng đối với môi trường của Biodiesel

và Diesel dầu khoáng

Kết quả so sánh khí phát thải của Biodiesel với Diesel

Vậy ai làm ô nhiễm môi trường hơn?????

Biodesel

OR

Diesel

Nội dung

3.2 Lịch sử của LCA

3.4 Mối liên hệ giữa LCA và sản xuất sạch hơn 3.5 Những hạn chế của LCA

3.1 Định nghĩa LCA

 Các giai đoạn trong vòng đời sản phẩm

− Thu nhận nguyên liệu thô

− Sản xuất nguyên liệu

Vòng đời sản phẩm của T-shirt

Vòng đời của sản phẩm dầu khí

− Các giai đoạn đều:

o Nhận năng lượng

o Phát thải rác, khí, nước vào môi trường

− Bài toán đặt ra: Làm thế nào để so sánh ảnh hưởng đến môi trường

của các sản phẩm khác nhau ????

Nguyên liệu thô Gỗ (tái tạo được) Dầu/khí (không tái tạo được)

Tổng khí thải ra môi trường 2.6 kg 1.1 kg

Tác động làm nóng ấm khí hậu

toàn cầu (quy đổi ra CO2) 0.23 kg 0.53 kg

• Bao bì plastic: ít chất thải, nguyên liệu không tái tạo

• Bao bì giấy: ít xanh nhưng nguyên liệu tái tạo

Cái nào tác động đến môi trường

hơn???

 Ví dụ bao bì giấy và bao bì plastic có số liệu sau:

 Định nghĩa LCA

 United Nations Environment Programme:

Life Cycle Assessment (LCA) is a tool for the systematic evaluation of the environmental aspects of a product or service system through all stages of its life cycle

LCA là một công cụ định lượng toàn hệ thống về tác động của một sản phẩm hay dịch vụ đối với môi trường thông qua các giai đoạn trong «đời sống» của nó

 Ý nghĩa của LCA

− A life cycle assessment allows the environmental impact of a product

to be measured

− It allows specific values to be put to the raw materials used, energy required and also the wastes produced

− LCA đo được tác động đến môi trường của sản phẩm

− Các thông số đặc trưng được gắn cho (put to) nguyên liệu thô, năng lượng cần thiết và rác tạo ra

 Đặc trưng của LCA: phân tích tất cả

 Các giai đoạn của vòng đời sống sản phẩm:

− Khai thác nguyên liệu thô

− Sản xuất

− Vận chuyển

− Sử dụng

− Tái chế hay phân hủy

 Đầu vào của sản phẩm

 Tác động môi trường của sản phẩm ở mỗi giai đoạn trong vòng

Sử dụng phosgen

Không sử dụng phosgen

Cái nào XANH hơn ?

 Quy trình tổng hợp diphenyl cacbonat từ phosgen: độc

 Mục đích của LCA:

− Tối thiểu ô nhiễm

− Bảo tồn nguồn tài nguyên không thể tái tạo

− Bảo tồn hệ sinh thái

− Phát triển và tận dụng kỹ thuật sạch hơn

− Tối đa tái chế nguyên liệu và chất thải

− Áp dụng những kỹ thuật ngăn chặn hoặc lọai

bỏ ô nhiễm môi trường

− So sánh tác động đối với môi trường của các

sản phẩm hay quá trình cạnh tranh

Dấu chân sinh thái

 Lợi ích của LCA:

 Nhà sản xuất:

− Phát triển và tiếp thị sản phẩm

thân thiện với môi trường

− Cung cấp thông tin cần thiết để

ra quyết định sản xuất, thiết kế

hoặc tái sắp xếp quy trình giảm tác động xấu đến môi trường

− So sánh sản phẩm cùng chức năng vì nó định lượng được các

yếu tố đầu vào, đầu ra của sản

xuất và tác động đối với môi trường tại mỗi giai đoạn của

vòng đời sản phẩm

• Bảo tồn nguồn tài nguyên

• Giảm dấu chân sinh thái «ecological footprint»)

Một số nhãn sản phẩm sinh thái (eco-label) trên thế giới

 Dấu chân sinh thái (Ecological Footprint – EF)

̵ 1980s: tiêu thụ vượt quá khả năng tự tái tạo của Trái đất

̵ 2003: mất 1 năm 3 tháng để Trái Đất tái tạo cho 1 năm sử dụng

Trái Đất tự tái tạo để tiếp tục cung cấp cho con người

C on người tiêu thụ các

nguồn từ tự nhiên

 Dấu chân sinh thái (eco-footpint: EF): diện tích cần thiết cung

cấp cho con người bao gồm:

̵ Đất: sản xuất lương thực, chăn nuôi

̵ Mặt nước: nuôi trồng thủy sản, lâm sản

̵ Đất xây dựng: nhà ở, thương mại, công trình công cộng,…

̵ Rừng: hấp thụ chất thải (CO2) do con người thải ra

 Đơn vị đo của EF:

̵ Diện tích quy đổi về cùng một đơn vị hecta toàn cầu (gha/ha)

̵ Số trái đất: bằng tỷ số giữa số đo dấu chân sinh thái và sức tải sinh thái khu vực vào cùng thời điểm tính toán EF nhỏ hơn hay bằng một trái đất thì phát triển là bền vững

 S ức tải sinh thái toàn cầu (biocapicity): giới hạn của EF con người

được phép sử dụng mà không gây tổn thương hệ sinh thái

• EF toàn cầu tăng rất nhanh từ 1961 - 2003

• EF carbon thải ra từ đốt nhiên liệu hóa thạch tăng mạnh nhất

• EF năm 2008 của Việt Nam: 1,4 ha

• EF toàn cầu năm 2003: 2,2 gha/người

• S ức tải sinh thái trung bình toàn cầu năm 2003: 1,8 gha/người

• Nếu mỗi người dân sống như nhu cầu của một người:

̵ Pháp: EF = 2,5 Trái Đất

̵ Mỹ: EF = 4,1 Trái Đất

̵ Tiểu vương quốc Ả rập thống nhất: EF = 5,4 Trái Đất

 Cảnh báo xu hướng hiện nay:

• Tăng dân số

• Tăng tiêu thụ

• Tăng phát thải CO2

• Nếu kiểm soát chặt chẽ nhất thì

2040, EF mới cân bằng được với sức tải sinh thái toàn cầu

 Dấu chân sinh thái đã vượt quá sức tải của Trái đất

 Nhu cầu càng tăng sức chịu đựng của Trái đất càng giảm

 Nước giàu đang lấy đi dấu chân sinh thái của các nước nghèo

 Unilever :

̵ January 2015: 100% không có rác thải chôn lấp

̵ 2020: giảm 50% dấu chân sinh thái

Tập đoàn SONY

Tập đoàn HP

 1994: Tổ chức quốc tế ISO (The International Standards Organization) bắt đầu xây dựng tiêu chuẩn cho LCA như là một phần trong loạt tiêu chuẩn quản lý về môi trường ISO14000

3.3 Các giai đoạn/bước của LCA

 Xác định mục tiêu (ISO 14041)

Xác định mục tiêu và phạm vi đánh giá

The goal and scope definition of the LCA

 Phân tích thống kê (ISO 14041)

Vẽ sơ đồ toàn bộ các quá trình khép kín, cân bằng năng lượng và khối lượng của tất cả các nguồn tiêu thụ và phát thải

Create a process tree in which all processes from raw material extraction through waste water treatment are mapped out and connected and mass and energy balances are closed (all emissions and consumptions are accounted for)

 Dán nhãn sinh thái

Cấu trúc của LCA (framework)

3.3.1 Phạm vi và mục tiêu

 Mục tiêu của LCA

− Xác định và mô tả sản phẩm, quá trình hay hoạt động

− Kế hoạch, giải pháp giảm lượng chất thải

− Quản lý kiểm soát rủi ro

− Cải tiến thiết kế sản phẩm thân thiện môi trường

− Cấp nhãn sinh thái

− Nhận dạng các vấn đề môi trường đưa vào kế hoạch quản lý

− Xác định thuế môi trường

 P hạm vi của LCA

− Xác định phạm vi đánh giá:

o Toàn bộ vòng đời

o Giới hạn một phần vòng đời

o Vẽ sơ đồ khối của phạm vi đánh giá

− Đơn vị đo của đơn vị chức năng

− Các loại tác động đến môi trường

Định nghĩa mục đích (goal):

– Ứng dụng của nghiên cứu

– Nghiên cứu phục vụ cho ai

Định nghĩa phạm vi (scope):

– Xác định hệ thống sản phẩm được nghiên cứu

– Xác định các đơn vị chức năng

– Xác định ranh giới của các hệ thống sản phẩm

– Xác định các giả định và những hạn chế của nghiên cứu – Chọn loại tác động đến môi trường

Ví dụ: Bạn sở hữu một cửa hàng tạp hóa và khách hàng bắt đầu yêu cầu bạn bán túi mua hàng có thể tái sử dụng Bạn cân nhắc xem loại túi nào có thể sử dụng lại nhưng ít ảnh hưởng đến môi trường Để so sánh có tính định lượng bạn sẽ thực hiện LCA.

 Mục đích của LCA:

Xác định loại túi nào của tiệm tạp hóa có tác động môi trường thấp nhất gồm:

• Túi giấy sử dụng một lần

• Túi nhựa sử dụng một lần

• Túi nhựa tái sử dụng

• Túi sợi bông tái sử dụng

 Phạm vi:

• Tất cả túi được sản xuất trong bán kính 100km từ khách hàng

• Túi được sử dụng trong bán kính 10km từ khách hàng

• Một nửa túi giấy được tái chế, một nửa được chôn lấp ở bãi rác

• Cuối vòng đời sản phẩm túi nhựa và túi sợi bông được chôn lấp ở bãi rác

Tái sản xuất Tái sinh

Tái sử dụng

Xử lý chất thải

Thu hoạch

nguyên liệu Sản xuất thành phần Sản xuất sản phẩm Sản xuất phân phối Đóng gói Sử dụng Kết thúc sử dụng

Xác định rõ các giai đoạn của vòng đời sản phẩm

Định nghĩa quá trình của hệ :

– Tập hợp các hoạt động liên quan hay tương tác với nhau

mà biến đổi đầu vào (input) thành đầu ra (output)

Định nghĩa đơn vị chức năng của quá trình :

– Phần tử nhỏ nhất trong vòng đời sản phẩm cần phân tích được định lượng bằng các dữ liệu ở đầu vào và đầu ra

Ví dụ quá trình sản xuất túi giấy và túi nhựa

 Túi nhựa sử dụng một lần hoặc tái sử dụng

Sản xuất túi

Đóng gói phân phối

Sử dụng Chôn lấp

Sử dụng 50% tái sử dụng 50% chôn lấp

45 Xác định các đơn vị của quá trình

Định nghĩa đơn vị đo chức năng (functional unit):

̵ Dùng để đánh giá hiệu suất hoạt động các đơn vị của quá trình

̵ Phải đo lường được

̵ Tham chiếu đến đầu vào, đầu ra của các đại lượng

̵ Có thể để so sánh kết quả của 2 hệ khác nhau

Ví dụ đơn vị đo chức năng của:

 Hệ thống sơn: diện tích bề mặt sơn bảo vệ được 10 năm

 Máy in: số trang in có chất lượng in có thể chấp nhận được

 Hệ thống điện: 1kW/h

 Sản xuất biodiesel: kg BD

 Máy lạnh: 5m3 vuông được làm lạnh dưới 20oC

 …

Đơn vị đo chức năng của bài toán túi xách:

• Khối lượng của mỗi loại túi khác nhau

• Vật liệu sản xuất mỗi loại túi khác nhau

Dạng túi Túi plastic sử

dụng 1 lần

Túi giấy sử dụng

1 lần

Túi plastic sử dụng nhiều lần

Túi cotton sử dụng nhiều lần Vật liệu HDPE Giấy Kraft Polypropylene Cotton

Khối lượng/túi 7g 42.6g 95g 85g

Khả năng sử dụng 1 0.9 1.1 1.1

Số lượng túi/năm 520 578 4.55 4.55

Khối lượng túi/năm 3640g 24622.8g 432.25g 386.75g

Chọn đơn vị đo chức năng: Lượng túi của hộ gia đình mua sắm 70 mặt hàng tạp hóa về nhà mỗi tuần trong 52 tuần

Định nghĩa ranh giới của hệ (boundary system):

− Tất cả các giai đoạn trong vòng đời sản phẩm

− Ranh giới về thời gian

− Ranh giới về địa lý của hệ

Sản xuất nguyên liệu Thu nguyên liệu thô

Nguyên liệu thô

Chất thải & khói xả

Ranh giới khảo sát của LCA sợi cotton và vải

Các chỉ số đo lường tác động môi trường

Nguồn lực

Fossil fuel depletion

Cạn kiệt nguồn lực không thể tái tạo được kg nguồn lực khan hiếm

kg eten (quy đổi)

Dinh dưỡng của đất và nước

Eutrophication

− Ví dụ: mục tiêu và phạm vi LCA của biodiesel (BD)

o Đơn vị tính của đơn vị chức năng: kg BD

o Ranh giới hệ thống:

o Kỹ thuật: BD từ dầu cải

o Xưởng sản xuất: Ballestra

o Công suất: 200.000 tấn/năm

o Biodiesel trộn lẫn: blend: B20

o Ranh giới địa lý: Italy

o Ranh giới thời gian: nay – 2020

o Thời gian của cây trồng: 10 năm

o Loại dữ liệu: loại 2

Ví dụ: LCA của quá trình lên men cacbohydrat sản xuất biodiesel

 Mục tiêu của LCA

 Phát triển bền vững:

o Phát thải khí nhà kính

o Sử dụng năng lượng

o Thiếu oxy trong nước

 Xây dựng dữ liệu thống kê vòng đời sản phẩm

o Sản xuất nguyên liệu

o Vận chuyển nguyên liệu

o Chuyển hóa cuối cùng

 So sánh quá trình lên men cacbohydrat của mía và lúa miến ngọt ở

LA và si rô bắp, củ cải đường ở Mỹ và mía đường ở Brazin

o Phát thải khí nhà kính (quy đổi ra kg CO 2 )

o Sử dụng năng lượng (MJ/nhiên liệu)

o Thiếu oxy trong nước (quy đổi kg PO 4 )

 Phạm vi:

o Nông nghiệp đến chuyển hóa cuối cùng

o Phân tích một quá trình (cradle to gate)

Ví dụ: LCA so sánh xe chạy bằng pin điện và xe chạy bằng gaz tuyền thống

Lifecycle Analysis Comparison of a Battery Electric Vehicle (BEV) and a Conventional Gasoline Vehicle (CV)

 Mục tiêu: kiểm tra trong suốt vòng

đời sản phẩm của tác động môi

trường của BEV, CV và xe lai trong

việc sử dụng năng lượng và khí phát

thải quy đổi ra CO2

 Phạm vi: các loại xe ở California

(CA), tác động của sạc BEV ở Mỹ và

ở Trung Quốc

 Ranh giới hệ thống: tất cả các yếu

tố đầu vào, đầu ra trực tiếp từ khai

thác tài nguyên , thải bỏ và tái chế, tất

cả các khâu vận chuyển

 The main purpose of this study:

quantifying lifecycle energy requirements and emissions of a battery electric vehicle (BEV), a hybrid vehicle, and a

conventional gasoline vehicle (CV)

 Scope: the vehicles in California (CA), the

effects of charging the BEV with a United States (U.S.) average electricity mix and a Chinese average electricity mix

 System boundary: all direct inputs and

outputs from resource extraction to waste and recycling, the transportation needed

to move the vehicle components from the manufacturing facilities, to the vehicle assembly factories, and to the dealership

 Đơn vị đo chức năng

(CO2eq) in our final calculations of total CO2eq emitted

63

Ví dụ: Tiến hành LCA cho máy pha café nội địa

64

– Xác định giải pháp để cải thiện môi trường khi sử dụng máy pha café

Determine how to improve the environmental performance of a coffee maker

– Tổng năng lượng tiêu thụ quy đổi ra CO2

Total energy consumed, equivalent CO2 produced (eco-indicator 99 score)

– Cốc café được rót ra, thời gian café được làm ấm

Cups of coffee poured, Time coffee is warmed

– 5 năm sử dụng, châu Âu, giai đoạn sản xuất, sử dụng và vứt bỏ

Five years of use, Europe, production, use & end-of-life stages

65

̵ Nguyên liệu và các thành phần của máy pha café

̵ Xác định hệ khảo sát: quá tình xay cafe

Simplified process tree for coffee maker

Đúc vòi phun

Lifecycle inventory for coffee maker

Vỏ màu trắng không nằm trong khảo sát LCA

Vận chuyển

Hạt cafe 7,3 kgGiấy

Màng lọc

Nhựa polystyren

1 kg

Đúc vòi phun

Nhôm 0,1 kg

Dao nghiền

Thép 0,3 kg

Bộ phận ép

và tạo hình

Thủy tinh 0,4 kg

máy pha

− Ví dụ khảo sát LCA của khí phát thải của etanol từ bắp

o Đơn vị chức năng: quy đổi về khí CO2

o Sơ đồ khối các giai đoạn sản xuất

o Xác định các giai đoạn có khí phát thải

3.3.2 Phân tích thống kê

− Mục đích: thu thập dữ liệu của ranh giới hệ khảo sát

− Số liệu là số lượng:

o Đầu vào của nguyên liệu, năng lượng

o Đầu ra của chất thải vào nguồn nước, không khí, chất thải rắn

và các môi trường khác

− Năng lượng của đầu vào và đầu ra phải cân bằng

− Phương pháp thu nhận số liệu:

o tấn hoặc lít BOD và COD đối với nước

o tấn CO2 đối với khí quyển: phổ biến

Đầu ra

Phát thải ra không khí, nước và đất

Đầu vào Năng lượng

Nguyên liệu thô

THẢI LOẠI

SỬ DỤNG PHÂN PHỐI SẢN XUẤT NGUYÊN LIỆU

Dữ liệu

Số liệu thống kê được thu nhận từ nhiều nguồn

Giấy Kraft chưa tẩy ở nhà máy 24622.8g

Vận chuyển 100km từ chỗ sản xuất đến người dùng 2.4623tkm Vận chuyển, thu nhặt rác, 10km từ người dùng đến bãi rác/tái sử dụng 0.24623tkm Rác, túi giấy ở bãi chôn lấp rác 12311g

Dữ liệu thống kê của các loại túi xách

Ref: A.Ahmadi,et.al, J.Clean.Prod., 2003

Vận chuyển 100km từ chỗ sản xuất đến người dùng 0.043225 tkm

Vận chuyển và thu nhặt rác 10km từ người dùng đến bãi rác 0.0043225 tkm

Rác, nhựa polyethylene ở bãi chôn lấp rác 432.25g

Vận chuyển 100km từ chỗ sản xuất đến người dùng 0.03867 tkm

Vận chuyển và thu nhặt rác 10km từ người dùng đến bãi rác 0.0038675 tkm

Rác, phụ kiện của túi ở bãi chôn lấp rác 386.75g

General fuel → RFG Ethanol Ethanol Methanol Natural gas Biodiesel

Fuel specification → crude

oil

E90 (corn)

E90 (grass)

M85 (wood)

CNG (wood)

SD100 (soy) Net CO 2 from

Tổng tác động môi trường của các loại túi xách

So sánh tác động môi trường của các loại túi xách

3.3.3 Đánh giá tác động môi trường

− Sử dụng thông tin thu được từ phân tích thống kê để xác định tác động lên môi trường

− Số hoá các tác động đến môi trường

− Xác định các tác động ảnh hưởng thực tế, tiềm ẩn đến môi trường

và sức khoẻ con người liên quan đến việc sử dụng năng lượng, nguyên vật liệu, các chất thải vào môi trường

− Phân loại tác động:

• Mô tả đặc trưng tác động

• Đánh giá trọng số tác động

− Lập bảng đánh giá tác động hai chiều: giai đoạn – tác động

− Định lượng và xếp hạng các tác động bằng cách cho điểm

− Các loại tác động sau đây được dùng:

o Làm cạn kiệt tài nguyên

o Nóng lên toàn cầu

o Khói bụi

o Axít hóa