基于环境绩效的烟草商业物流可降解薄膜包装优化研究

韩笑，李荣国，黄山，杨莉，李洁，靳晓曼，姜晓雪

基于环境绩效的烟草商业物流可降解薄膜包装优化研究

韩笑1，李荣国2，黄山2，杨莉3*，李洁3，靳晓曼3，姜晓雪3

（1.陕西省烟草专卖局，西安 710061；2.陕西省烟草局西安市公司，西安 710199； 3.长安大学 水利与环境学院，西安 710064）

在兼顾环境影响和经济效益的基础上，运用科学的分析手段为烟草商业物流可降解薄膜优选及包装工艺升级提供决策参考。本文从可降解薄膜的力学性能及其包装方式入手，以生命周期评价法所确定的可降解薄膜环境影响潜值和相关经济指标作为基础数据，运用基于松弛测度的非径向、非角度的数据包络分析模型（SBM-DEA）开展烟草商业物流可降解薄膜包装的环境绩效评价及冗余度分析。根据8种可降解薄膜的力学性能确定了3种包装方式，不同包装薄膜的生命周期环境影响潜能总值从大到小依次为C、D、E、LDPE、A、B、G、F、H。根据环境绩效测算所确定的可降解薄膜包装优选方案为A+缠绕包装I和G+缠绕包装I。生命周期环境影响评价有助于全面分析可降解薄膜的环境友好性，可降解薄膜的缠绕包装具有突出的环境绩效优势，工艺升级和包装效率改进是提升烟草商业物流可降解薄膜包装环境绩效的入手点。

烟草商业物流；可降解薄膜；环境影响；生命周期法；环境绩效

烟草商业物流是烟草物流中心根据订单将不同品类的卷烟进行仓储、分拣、包装并配送至客户的服务活动。其中，商业物流包装在烟草商业流通环节中发挥着集中、稳固和保护卷烟产品的重要作用。传统的烟草商业物流包装采用低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）薄膜的热缩包装工艺实现，具有能耗高且LDPE薄膜难以降解等问题。近年来，大力推广绿色包装已成为烟草商业物流绿色化转型的重要举措。可降解薄膜具有质轻透明、原料来源广泛和包装性能良好的优势，在满足烟草商业物流包装要求的同时，能够在废弃后被降解并回归自然，有助于显著减少传统卷烟商业包装所使用的LDPE薄膜造成的白色污染[1]。烟草商业物流企业在卷烟分拣配送环节开展可降解薄膜包装的应用和优化的研究中，所面临的主要困扰在于科学选取环境友好性突出且经济效益显著的可降解薄膜包装。基于此，如何借助科学的环境影响评价手段，系统而全面地评估可降解薄膜的低碳环保优势，继而在兼顾经济和环境效益的基础上，通过可靠的定量分析指导可降解薄膜包装工艺优化，已成为卷烟物流可降解薄膜包装研究探索中亟待解决的关键问题。

环境绩效评价是反映企业或组织由于环境治理而取得的成绩或效果的监督手段[2]，其测算结果是指导企业管理发展和决策研究的重要参考指标。近年来，学者们针对不同的研究对象探索了多种环境绩效评价体系和方法[3-6]。目前，国内外关于环境绩效的测算方法主要包括主成分分析法、模糊综合评价法、平衡计分卡法、层次分析法和数据包络分析法等。其中，数据包络分析法（Data Envelopment Analysis，DEA）具有无需预估参数和假设权重、无需考虑输入输出指标之间是否存在函数关系、可为无效单元提供改进方向等优点，在评价多投入、多产出的复杂体系中具有明显的优势[7-9]。传统的DEA模型包括规模收益不变的CCR模型和规模收益可变的BBC模型，这2种模型都是在不考虑指标松弛的情况下，需要假定输入或输出成比例变化，使得评价结果与实际有所偏差。为了弥补上述缺陷，2001年Tone[10]提出了基于非径向、非角度的松弛测度模型（Slacks-Based Measure，SBM），在传统模型的基础上将松弛变量加入目标函数中，同时又将非期望产出引入评价体系，解决了传统DEA方法中所有输入或输出只能等比例增加或缩减的问题，能够更真实地衡量各决策单元的效率。Cheng等[8]兼顾经济和环境因素，采用SBM-DEA模型评估了681个农村污水处理设施的环境绩效，其评价结果不仅可以指导地方政府加强设施的监管和运营，还能为我国农村污水处理设施的建设、运营和管理提供参考。赵艳等[11]以资本和能源为投入指标，GDP和环境负荷为产出指标，运用SBM-DEA模型分析了江苏省13个地级市的环境效率。

因此，本文以绿色低碳理念为指导，根据可降解薄膜的力学性能确定适用的包装工艺。对可降解薄膜开展生命周期环境影响评价（Life Cycle Assessment，LCA），继而以总投资和电耗为投入指标，以环境影响潜值和烟垛包装数为产出指标，构建可降解薄膜包装的环境绩效指标体系。借助考虑非期望产出的SBM-DEA模型开展可降解薄膜包装的环境绩效测算及冗余度分析，旨在为烟草商业物流企业优选可降解薄膜及实现包装工艺升级提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 可降解薄膜研究对象

《2021—2023中国快递业绿色包装碳减排潜力研究报告》指出，快递包装的全生命周期碳排放在较大程度上受到原料阶段的影响。在众多的可降解薄膜原料中，聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）是以玉米为原料，经淀粉生产、葡萄糖生产、乳酸生产和丙交酯生产等工序制成的可降解高分子聚合物，在碳减排方面具有明显优势[12]，但PLA韧性差、断裂伸长率低、质地硬而脆且价格高[13]；聚对苯二甲酸-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）和对苯二甲酸（P-phthalic Acid，PTA）聚合而成，具有优异的柔韧性和较高的断裂伸长率[14]，加工性能与LDPE比较接近，产能大且价格低廉，具有广泛的应用前景。因此，本文选择了8种由PLA和PBAT为主要原料的可降解包装薄膜作为研究对象，各薄膜的成分及市场售价见表1。同时将传统卷烟商业包装所使用的LDPE薄膜作为对照，其售价为1.58万元/t。

表1 8种可降解包装薄膜的成分及售价

1.2 薄膜力学性能测试

薄膜的包装方式一般由薄膜的热收缩性以及穿刺强度、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能测试结果确定。薄膜力学性能测试方法如下：

1）拉伸强度和断裂伸长率的测试。使用DR-5010A万能试验机，参照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的试验条件》对薄膜的拉伸强度和断裂伸长率进行测试。

2）穿刺强度的测试。依据GB/T 10004—2008《包装用塑料复合膜、袋干法复合、挤出复合》对薄膜的穿刺强度进行测试[15]。

1.3 基于生命周期的可降解薄膜环境影响评价

生命周期评价通过收集产品从“摇篮到坟墓”整个生命周期中的投入（物质和能源）与产出（污染物排放）评估其对环境产生的影响[16]，该方法已纳入ISO 14040环境管理系列标准[17]，并被广泛应用于不同产品、过程或服务的环境影响评价[18-19]，可为行业精准减排提供依据和方向。由德国斯图加特大学和PE公司共同研发的GaBi软件是广泛应用于产品环境影响评价的分析软件之一[20]。GaBi软件具备全面、高质量的数据库系统[21]，是目前全球各行业以及高校进行环境影响评估的主要工具[22-23]。

因此，本文首先确定了可降解薄膜的生命周期环境影响评价的系统边界（见图1），并将其划分为原料阶段、生产阶段、使用阶段和处置阶段，共计4个主要阶段，各阶段运输过程所造成的环境影响均不考虑在系统边界之内。同时，将系统的功能单元定义为1 t包装薄膜，并选择GaBi 9.0（教育版）软件对所关注的薄膜的环境影响进行量化评价。所得到的环境影响潜能总值将作为薄膜包装的环境绩效测算的产出指标之一。

1.4 环境绩效研究方法

环境绩效的概念普遍以ISO 14001的定义“一个组织基于环境方针、目标和指标，控制其环境因素所取得的可测量的环境管理系统成效”为权威和参考，学者们在此基础上提出自己的看法和见解[24-26]，其关注点始终围绕与企业发展相关的环境治理取得的成效，是兼顾环境影响与经济效益实践决策的重要参考。

1）模型的测算方法。本文采用考虑非期望产出的、基于松弛测度的非径向、非角度SBM-DEA模型评价可降解薄膜包装的环境绩效，选用DEA- SOLVER pro5.0软件开展环境绩效测算。

图1 烟草商业物流包装薄膜的生命周期系统边界

2）环境绩效指标体系的构建。环境绩效指标的选取一般需遵循科学性、系统性、可行性、可比性和成本性的原则[27]。本文依据ISO 14031中环境绩效指标框架结构及指标选取原则，构建的烟草商业物流可降解包装的环境绩效指标体系见表2，其中总投资包括包装设备投资、薄膜经济成本、设备运行费用（电费）和人员工资。

表2 环境绩效指标体系

Tab.2 Environmental performance indicator system

2 结果与讨论

2.1 薄膜力学性能测试及包装工艺选择

本文测试了LDPE和8种可降解薄膜的力学性能，具体包括穿刺强度、拉伸强度、断裂伸长率，测试结果如表3所示。具体包括：传统的烟草商业物流包装采用LDPE薄膜热缩包装工艺；C、D和E 3种可降解薄膜具有一定的耐穿刺性和热收缩性，适用于热缩包装；其他可降解薄膜则采用缠绕包装方式，其中，A、B和G可降解薄膜较薄、拉伸强度较大、断裂伸长率较低、穿刺强度相对较高，在承受一定拉力的同时不易变形，可起到固定保护商品的作用，因而适用于横向一圈、纵向三圈的缠绕包装I的包装模式，见图2a；F和H可降解薄膜较厚、韧性好、穿刺强度适中，适用于横向一圈、纵向一圈的缠绕包装Ⅱ的包装模式，见图2b。

2.2 基于生命周期的可降解薄膜环境影响评价

结合烟草商业物流包装薄膜全生命周期评价模型，本文主要结合相关报告、调研数据及GaBi 9.0（教育版）数据库开展可降解包装薄膜的环境影响评价和比较分析。评价模型中涉及到的包装薄膜生命周期各阶段的基础数据见表4。

表3 可降解薄膜的力学性能及包装方式

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

图2 缠绕包装方式示意图

表4 可降解包装薄膜生命周期各阶段的基础数据

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

注：环评报告①来源于http://111.6.107.78:18080/portal/hjgs/hjyxpjgs/webinfo/2021/11/1637366721641451.htm；*表示由GaBi 9.0（教育版）软件内置数据库提供；能源消耗和直接排放均为每吨膜的相关数据；根据《中国统计年鉴2021》和《中国统计年鉴2022》中我国生活垃圾处理方式确定LDPE薄膜的处置方式为30%填埋和70%焚烧。

通过生命周期环境影响评价得到9种烟草商业物流包装薄膜的环境影响潜能总值，如图3所示。可以看出，不同薄膜生命周期环境影响潜能总值从大到小的排序依次为C、D、E、LDPE、A、B、G、F、H。总体而言，原料阶段和使用阶段是总环境影响潜值中贡献较大的2个阶段。从原料阶段的环境影响来看，LDPE薄膜原料阶段的环境影响贡献较小，主要是由于LDPE的生产原料（乙烯）较为单一，该石油基原料的制备工艺较为成熟；而可降解薄膜的原料阶段环境影响贡献则较大，且影响程度与薄膜中PBAT的含量相关。原因是作为可降解薄膜中重要组分的PBAT目前是由3种石油基原料（BDO、AA和PTA）经过复杂的制备工艺获得的，具有较大的环境影响潜值。随着生物技术的不断发展，生物法制备BDO[28]等生产技术升级将有望在不久的将来有效降低PBAT/PLA可降解薄膜的环境影响潜值。从使用阶段的环境影响来看，采用热缩包装的可降解包装薄膜C、D和E的环境影响潜能总值明显大于LDPE薄膜的，而采用缠绕包装的可降解薄膜A、B、F、G和H的环境影响潜能总值则小于LDPE薄膜的，说明不同的包装方式是造成薄膜使用阶段环境负荷差异的主要原因。热缩包装的环境影响潜值大与加热包装设备的高耗能关系密切，而缠绕包装具有节能降碳的突出优势，符合“双碳”背景下烟草商业物流绿色发展的需求。从环境影响潜能总值来看，可降解包装薄膜A、B、F、G和H的环境影响均低于LDPE薄膜的，具有更好的环境友好性。

图3 可降解包装薄膜的环境影响潜能总值

2.3 基于SBM-DEA的可降解薄膜包装环境绩效测算

1）研究对象及数据来源。选取“10 t包装薄膜+一条包装生产线”作为薄膜包装的决策单元，基于DEA-SOLVER pro5.0软件对烟草商业物流包装场景下可降解薄膜包装的环境绩效进行测算。指标数据（总投资、电耗、烟垛包装数）均来源于陕西省烟草公司西安市公司卷烟物流配送中心的实地调研，环境影响潜值来源于薄膜生命周期环境影响评价结果（见图3），环境绩效评价指标的具体数值见表5。

表5 烟草商业物流包装的环境绩效评价指标数值

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

2）环境绩效测算结果分析。从表6可以看出，9种薄膜包装中A+缠绕包装I和G+缠绕包装I的环境绩效处于有效状态（=1），而其他薄膜包装（B+缠绕包装I、C+热缩包装、D+热缩包装、E+热缩包装、F+缠绕包装Ⅱ、H+缠绕包装Ⅱ和LDPE+热缩包装）的环境绩效处于非有效状态（＜1）。因此，在兼顾环境影响和经济因素的基础上，确定A+缠绕包装I和G+缠绕包装I是烟草商业物流可降解包装的优选方案。另外，从图4中薄膜不同包装方式的环境绩效对比可以看出，可降解薄膜缠绕包装的环境绩效均高于其他薄膜的热缩包装，表明包装工艺的改进升级有助于环境绩效的显著提升。

表6 可降解薄膜包装的环境绩效测算结果

Tab.6 Environmental performance measurement results of degradable film packaging

图4 可降解薄膜包装的环境绩效

3）环境绩效非有效分析。SBM-DEA模型通过将松弛变量引入目标函数中，可为环境绩效非有效的决策单元提供冗余度信息，用于辨析无效决策单元非有效性的可能原因。因此，本文以7个可降解薄膜包装非有效决策单元为研究对象，结合冗余度分析进一步识别烟草商业物流薄膜包装环境绩效的非有效原因。旨在探究影响可降解薄膜包装环境绩效的潜在因素，揭示出包装薄膜实现低碳目标的改进方向和潜力。

由表7可知，环境绩效较低的7种薄膜包装环境绩效非有效的原因主要涉及投入过剩或产出不足2个方面。从投入指标来看，B+缠绕包装I、H+缠绕包装Ⅱ和F+缠绕包装Ⅱ可降解薄膜包装存在经济成本较高的问题，源于可降解薄膜B的价格较高，以及H和F可降解薄膜包装效率低等；同时，电耗也是LDPE、C、D、E薄膜采用热缩包装环境绩效非有效的主要原因。从产出指标来看，包装效率低是制约薄膜包装环境绩效的主要因素。因此，基于冗余度分析对薄膜包装环境绩效非有效原因的深入剖析，推测限制可降解薄膜包装进一步发展和推广的主要因素为经济成本和包装效率。上述结果可为可降解薄膜包装进一步优化的研究提供理论参考。

表7 环境绩效较低的可降解薄膜包装的环境绩效冗余度分析

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

注：表中负号表示达到环境绩效有效前沿面需要减少的数量。

3 结语

本文运用科学的评价和分析手段，开展可降解薄膜的生命周期环境影响评价，有助于全面分析可降解薄膜的环境友好性，证实由热缩包装到缠绕包装的工艺改进升级有利于显著降低环境影响；在兼顾环境影响和经济因素的基础上，通过环境绩效测算确定A+缠绕包装I和G+缠绕包装I为烟草商业物流可降解薄膜包装的优选方案；分析了可降解薄膜包装进一步优化发展的主要因素，降本增效是可降解薄膜包装优化研究的重要方向。研究结论可为烟草商业企业可降解薄膜包装的应用提供决策参考，有利于充分挖掘可降解薄膜包装的环境效益和社会价值，助力烟草物流低碳路径的研究和新发展格局的构建。

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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

陕西省烟草公司2021年度揭榜挂帅科技项目（KJ-2021-10）；中国烟草总公司2022年度科技项目（110202202035）