基于Fe?O?的纳米洗涤剂在环境影响缓解方面的比较：生命周期视角与情景分析

《Sustainable Production and Consumption》：Comparison of environmental impact mitigated for Fe 3O 4-based nano-detergents: A life cycle perspective & scenario analysis

　　纳米洗涤剂Fe3O4-NDGs全生命周期环境影响评估及减排路径研究。摘要：基于安全可持续设计（SSbD）原则，结合生命周期评估（LCA）与情景分析，系统评估了两种Fe3O4基纳米洗涤剂的环境影响。结果表明生产阶段贡献最大，NDG-1和NDG-2的FETP、PHO、HTP分别达93.69%-97.76%、75.37%-75.97%。情景分析显示提高使用效率（S1）可使NDG-2指标降低22.06%，优化能源结构（S2）对两者均有减排作用，优化配方（S3）使NDG-1指标下降超40%。建议优先采用绿色原材料和清洁能源。

　　纳米洗涤剂是一种通过将纳米材料融入传统洗涤剂中而开发出的新型清洁产品，因其卓越的清洁性能和优良的理化特性而受到广泛关注。然而，为了确保其在环境中的可持续性，有必要进一步分析其潜在的风险和环境影响。本研究基于“安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design, SSbD）的理念，结合生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）与情景分析，对两种以磁铁矿（Fe?O?）为基础的纳米洗涤剂（Fe?O?-NDGs）进行了综合评估，覆盖了原材料与能源、生产、使用和排放四个阶段。此外，还构建了四个不同的情景，以探索可能的缓解路径：使用效率（S1）、能源结构（S2）、配方优化（S3）以及纳米洗涤剂的回收（S4）。通过分析，研究发现海洋水生生态毒性潜力（Marine Aquatic Ecotoxicity Potential, MAEP）、淡水生态毒性潜力（Freshwater Ecotoxicity Potential, FETP）、化石燃料的非生物消耗（Abiotic Depletion of Fossil Fuels, ADFP）和全球变暖潜力（Global Warming Potential, GWP）是主要的环境影响指标。两种Fe?O?-NDGs的环境影响主要集中在生产阶段。对于NDG-1，生产阶段分别对FETP、PHO（磷酸盐潜在排放）和HTTP（含磷化合物潜在排放）的贡献率达到97.50%、93.69%和75.37%。其GWP为0.726 kg CO? eq。对于NDG-2，生产阶段分别对FETP、PHO和HTP的贡献率达到了97.76%、94.32%和75.97%。其GWP为0.628 kg CO? eq。在生产过程中，关键的影响因素包括化学材料的使用和电力消耗。情景分析显示，NDG-2对使用效率（S1）的情景更为敏感，其环境影响指标降低了22.06%。能源结构（S2）情景在两种Fe?O?-NDGs中均表现出一定的缓解效果。配方优化（S3）情景对NDG-1的FETP和PHO分别减少了超过40%。基于这些研究结果，为降低纳米洗涤剂的环境影响，建议未来研发应优先考虑在生产阶段使用绿色替代材料。清洁的能源供应可以有效缓解纳米洗涤剂的环境影响。本研究为环保型清洁产品的可持续发展提供了科学证据。

洗涤剂广泛应用于各种生活场景，是家庭化学产品中最被消费的类别之一。全球洗涤剂市场预计将在2028年达到2825.33亿元人民币的规模。作为全球最大的洗涤剂生产与消费国之一，中国在2022年的市场占有率约为766.44亿元人民币。这一数字预计在未来几年将继续增长，反映出市场持续扩张和需求的增加。然而，洗涤剂的使用也带来了显著的环境问题。传统洗涤剂的配方通常包含复杂的化学成分，如表面活性剂、洗涤剂助剂以及多种功能性添加剂。其中，表面活性剂作为主要的活性成分，负责清洁效果。它们通常根据化学性质被分为阴离子、阳离子和非离子类型，而阴离子表面活性剂是最常用的（Hedberg et al., 2012; Braga and Varesche, 2013）。随着洗涤剂的广泛使用，它们最终进入市政污水处理厂（WWTP）或直接排放到环境中（O et al., 2021）。在中国，每年洗衣废水的排放量估计约为11亿吨（Luo et al., 2022）。在自然水体中检测到的阴离子表面活性剂线性烷基苯磺酸（LAS）浓度可以高达14450 μg/L，远超过某些水生生物的急性毒性阈值（Ying et al., 2023）。此外，表面活性剂通常会增加污染物的溶解性，从而促进富营养化并加剧污染物的溶出，进而导致水体富营养化（Bajpai and Tyagi, 2007）。这会对水生生态系统造成重大威胁（Wang et al., 2014），并严重破坏生态平衡（European Environment Agency, 2021）。

除了对水体造成污染，传统洗涤剂在生产和使用过程中通常伴随着温室气体（Greenhouse Gas, GHG）的排放（Shahmohammadi et al., 2018）。在洗涤剂的生产过程中，由于使用复杂的化学化合物，原材料会产生碳排放（Golsteijn et al., 2015）。大多数主要成分，如表面活性剂和助剂，都来源于石油化工原料。它们的合成和加工过程会释放大量的二氧化碳和其他温室气体。这些排放占总碳足迹的约46%（Market Research Future, 2023）。在使用阶段，电力消耗和加热进一步增加了GHG的排放（Moura et al., 2024）。洗衣活动产生的能源消耗每年导致约6200万吨二氧化碳当量的排放（Matlhoko et al., 2025），进一步加剧全球变暖（Zhu et al., 2019）。因此，推动洗涤剂配方的绿色转型至关重要。这不仅有助于缓解水污染，还支持全球温室气体排放的减少目标。

目前，纳米技术在洗涤剂领域的应用已成为清洁技术研究的热点（Ye, 2019）。纳米技术能够在纳米尺度上改性材料结构，显著提升其功能性能（Wu et al., 2007; Wagner et al., 2006）。作为一种新兴的创新，纳米洗涤剂提供了一种提高洗涤效率同时减少环境负担的有前景的解决方案。然而，对其潜在的环境和健康风险的担忧仍然存在。SSbD的理念在欧盟的可持续化学战略中占据核心地位。该框架旨在在整个化学品生命周期中，从设计阶段开始，最大程度地降低对人类健康和环境的风险，同时促进资源效率和环境可持续性（Caldeira et al., 2023）。将SSbD理念应用于纳米洗涤剂的开发，并结合全面的生命周期评估（LCA），是确保其安全使用和可持续部署的关键。这一方法对于减少环境影响和实现更广泛的生态安全与负责任创新目标具有重要意义。

在本研究中，开发了两种高效新型的Fe?O?-NDGs。基于SSbD的原则，研究结合了LCA和情景分析，建立了一个综合的方法论框架。该框架系统地评估了两种Fe?O?-NDGs在原材料与能源、生产、使用和排放四个阶段的环境影响。此外，还构建了四个不同的情景，以量化评估Fe?O?-NDGs的环境影响缓解潜力：使用效率（S1）、能源结构（S2）、生产配方优化（S3）以及纳米洗涤剂的回收（S4）。研究结果从定性讨论转向定量比较，旨在为纳米材料在洗涤剂开发中的应用提供实证数据和设计指导。研究发现为纳米清洁产品的绿色设计提供了科学依据。本研究的目标是支持开发更加环保和可持续的洗涤剂产品，为未来绿色创新提供科学基础。

本研究的结构安排如下：第二部分呈现了文献综述，综合了先前的研究，识别了现有研究的不足，并明确了当前研究的贡献和创新点。第三部分详细介绍了研究方法，包括LCA框架、情景设定和敏感性分析。第四部分提供了实证研究结果，深入分析了纳米洗涤剂的生命周期环境影响和关键指标。同时，比较了影响减排的情景，并讨论了研究发现的意义。第五部分总结了研究的主要发现，概括了关键见解。通过这一研究，希望能够在洗涤剂的绿色开发方面提供有价值的参考，推动环保型清洁产品的可持续发展。