全 文 ：第 38卷
工业产品生产和应用过程中温室气体的排放量
已成为产品环境影响评价中的一项重要指标[1-2]。生命
周期评价（LCA）是对一个产品系统的整个生命周期
中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价[3]。目
前，LCA已在材料的全生命周期温室气体排放方面得
到广泛应用[4-5]。
活性炭作为一种具有丰富孔隙结构和巨大比表
面积的吸附材料，具有吸附能力强、化学稳定性好、再
生方便等优点，在工业、农业、医药卫生、环境保护等
领域应用广泛。目前国内外有关活性炭全生命周期温
《环境科学与技术》编辑部：（网址）http://fjks.chinajournal.net.cn（电话）027-87643502（电子信箱）hjkxyjs@vip.126.com
收稿日期：2015-01-21；修回 2015-03-31
基金项目：浙江省科技厅公益项目（2013C33005）
作者简介：窦鑫（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为生物质能源工程与温室气体捕集，（电子信箱）863142310@qq.com；*通讯作者，（电话）0571-
88320870（电子信箱）aining@zjut.edu.cn。
Environmental Science & Technology
第 38卷 第 12期
2015年 12月
Vol. 38 No.12
Dec. 2 0 1 5
窦鑫，曾淦宁，艾宁，等.铜藻基活性炭全生命周期温室气体排放分析[J].环境科学与技术，2015，38（12）：262-266.DouXin，ZengGanning，AiNing，et
al. Life cycle assessment of greenhouse gas emissions ofSargassum Horneri-ba d ctivated carbon[J]. Environmental Science & Technology，2015，38（12）：
262-266.
铜藻基活性炭全生命周期温室气体排放分析
窦鑫 1， 曾淦宁 2， 艾宁 1，3*， 伍希 1，3， 武晓 1，3， 屠美玲 1， 王铁杆 4
（1.浙江工业大学化学工程学院； 2.浙江工业大学海洋学院；
3.浙江省生物燃料利用技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014； 4.浙江省海洋水产养殖研究所，浙江 温州 325005）
摘 要：运用生命周期评价（LCA）的方法，以原料生长、原料运输、活性炭制备和活性炭吸附 CO2 4个阶段为系统边界，对 2种不同
方法制备的铜藻基活性炭系统进行分析，计算其全生命周期温室气体（GHG）排放量。结果表明：每生产 1 kg活性炭，ZnCl2活化法活性炭
（ZAC）和水热炭化-KOH活化法活性炭（HKAC）全生命周期温室气体净排放量（以 CO2-eq计）分别为 5.926 kg和 7.734 kg；活性炭制备
阶段电力消耗带来的间接温室气体排放是最大的排放源；提高活性炭得率和活性炭中碳元素含量有利于减少制备阶段的直接温室气
体排放。最后，依据计算和分析结果给出相应建议，以期对活性炭生产与应用过程的碳减排研究提供参考。
关键词：铜藻； 活性炭； CO2吸附； 生命周期； 温室气体
中图分类号：X820.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2015.12.046 文章编号：1003-6504(2015)12-0262-05
Life Cycle Assessment of Greenhouse Gas Emissions of
Sargassum Horneri-based Activated Carbon
DOU Xin1， ZENG Ganning2， AI Ning1，3*， WU Xi1，3，
WU Xiao1，3， TU Meiling1， WANG Tiegan4
（1.College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology；2.Ocean College，Zhejiang University of
Technology；3. Zhejiang Province Key Laboratory of Biofuel，Hangzhou 310014，China；4.Zhejiang Mariculture
Research Institute，Wenzhou 325005，China）
Abstract：The method of life cycle assessment （LCA） was applied to calculate greenhouse gas （GHG） emission of
Sargassum Horneri-based activated carbon which was prepared by two different methods. The system boundary includes
growth of Sargassum Horneri，transportation of Sargassum Horneri，preparation of activated carbon and CO2 adsorption
using activated carbon. The results indicate that the net GHG emission per kg of ZAC and HKAC is 5.926 kg CO2-eq and
7.734 kg CO2-eq，respectively. The largest emission source is the indirect GHG emission caused by power consumption in
the stage of activated carbon preparation. Improving the yield of activated carbon and the carbon content in activated carbon
is conductive to reducing the direct GHG emission. Finally，in order to provide a reference for the study of GHG emission
reduction in activated carbon industry，some suggestions are put forward according to the results.
Key words：Sargassum Horneri；activated carbon；absorption；LCA；greenhouse gas
第 12期
室气体排放的研究并不多。见诸报道的有 Bayer等[6]
对煤基活性炭的生产过程进行了温室气体排放计算，
结果表明每生产 1 kg 活性炭，温室气体排放量为 11
kg CO2-eq；Hjaila等[7]以实验室数据为支撑，评价了橄
榄油废渣基活性炭制备过程的温室气体排放，结果表
明温室气体排放主要发生在浸渍、活化和产品烘干 3
个阶段；罗来盛[8]评价了实验室小试中 2种方法（KOH
微波活化法和 KOH电加热活化法）制备的加拿大一
枝黄花基活性炭的温室气体排放量，表明 KOH微波
活化法的温室气体排放量较小。现有的研究只评价了
活性炭制备阶段的温室气体排放，并未涉及原料的生
长与运输以及活性炭的最终应用过程。
本课题组曾以浙江省一种优势大型海藻铜藻为
原材料，用 2 种不同的方法（ZnCl2活化法和水热炭
化-KOH活化法）制备了高比表面积活性炭，并将所
得炭材料用于 CO2的吸附捕集[9-10]，但活性炭系统整
个生命周期的碳减排效果如何仍需进行进一步的分
析评价。本文将原料生长、原料运输、活性炭制备和活
性炭吸附 CO2等阶段纳入评价范围，通过建立完整的
LCA评价支撑数据库，对活性炭系统进行全生命周期
温室气体排放评价，以期对活性炭生产与应用过程的
碳减排研究提供建议和参考。
1 研究方法
1.1 研究对象、系统边界与功能单位
本文以铜藻基活性炭系统为研究对象。铜藻基活
性炭全生命周期系统边界包括原料生长、原料运输、
活性炭制备和活性炭吸附 CO2 4个主要阶段。活性炭
的制备阶段包括原料预处理和炭化活化 2个过程，本
文考察了 ZnCl2活化法和水热炭化-KOH活化法 2种
不同的活性炭制备方法，所得活性炭分别记作 ZAC
和 HKAC。在活性炭吸附 CO2阶段，设置了不考虑活
性炭再生和活性炭进行多次吸附与再生循环 2种不
同的情景。其系统流程图如图 1所示。
本文的计算对象为铜藻基活性炭全生命周期中
温室气体的净排放量。活性炭整个生命周期是一个相
对较复杂的系统，为了使模型简化，将以下 2项排除
在计算边界之外：（1）与铜藻生长与运输、活性炭制备
与应用过程中所使用的设备（货车、反应装置、干燥箱
等）和试剂（ZnCl2、KOH、HCl 等）制造相关的温室气
体排放；（2）整个过程中人工劳动所产生的温室气体
排放。
在此基础上，温室气体的净排放量涉及 CO2的生
物吸收和物理捕集以及温室气体的直接和间接排放，
具体包括：（1）铜藻生长过程中 CO2的净吸收量（光合
作用和呼吸作用的共同结果）；（2）活性炭制备阶段直
接排放的 CO2；（3）活性炭吸附阶段捕集的 CO2；（4）4
个阶段中化石燃料和电力等能源的消耗所带来的间
接温室气体排放。生命周期分析研究需要引入功能单
位的概念，以使不同研究的结果具有可比性，本文以
“1 kg活性炭”为功能单位。
1.2 计算模型
将直接排放和间接排放的各种温室气体依据全
球增温潜势值转化为二氧化碳当量（CO2-eq）[11]。由于
实验室小试中能量利用率相对较低，本文在计算中保
持电力设备数据不变，其他数据依据功能单位的选择
做相应放大。
1.2.1 全生命周期温室气体净排放量计算模型
GHGLC＝GHGin－GHGf－GHGad （1）
GHGin =∑（EFi×Ai） （2）
GHGf =1 kg×Ci×44/12 （3）
式（1）~（3）中，GHGLC为全生命周期温室气体净
排放量；GHGin为能源间接排放量；GHGf为活性炭自
身固定的 CO2量，即铜藻生长过程中 CO2的净吸收量
减去活性炭制备过程中直接排放的 CO2量，GHGf的
计算假设活性炭中的碳元素全部来源于铜藻吸收的
CO2；GHGad为活性炭的 CO2吸附量；EFi为所需能源 i
的排放因子，表示消耗每单位量能源物质所排放的温
室气体量的统计平均值，其中的温室气体量以二氧化
碳当量计；Ai为所消耗能源 i的量；Ci为活性炭中碳
元素含量（%）；44/12为 C-CO2的转换系数。
1.2.2 各阶段温室气体吸收、吸附或排放计算模型
铜藻生长阶段：本研究所用铜藻来源于浙江省南
麂列岛近岸藻场，人工培养采用张力型筏架，铜藻生
长过程包括幼苗培育期、快速生长期、繁殖期、人工收
窦鑫，等 铜藻基活性炭全生命周期温室气体排放分析 263
第 38卷
获期等阶段。依据 1.1节中为使模型简化所做的假设，
本文将铜藻人工养殖过程中有关设备的制造和人工
劳动所产生的温室气体排放排除在计算范围之外，只
考虑铜藻自身在光合作用和呼吸作用共同作用下
CO2的净吸收量。其计算模型为：
GHG1=M1×（MCO2/MSH）=（1/Y）×（MCO2/MSH） （4）
式（4）中，GHG1为铜藻生长阶段 CO2的净吸收量；
M1为生产 1 kg活性炭所需原料铜藻的质量，可根据
活性炭的得率 Y计算；MCO2/MSH为铜藻生长过程中固
定的 CO2量与自身质量之比。
铜藻运输阶段计算模型为：
GHG2=EFt×M1×S （5）
式（5）中，GHG2为铜藻运输阶段消耗化石燃料带
来的间接温室气体排放量；EFt为我国公路运输排放
因子，表示货车运输单位质量货物行驶单位距离所排
放的温室气体量（以二氧化碳当量计）；M1为生产 1 kg
活性炭所需原料铜藻的质量；S为铜藻产地与实验室
之间距离。
活性炭制备阶段计算模型为：
GHG3=GHG3d＋GHG3in （6）
GHG3i=GHG1－GHGf （7）
GHG3in=EFe×Ae1 （8）
此阶段温室气体排放（GHG3）包括制备过程中
的直接排放（GHG3d）和电力消耗带来的间接排放
（GHG3in）。假设在此阶段，1.2.2节中铜藻生长所吸收
的 CO2一部分经过炭化活化等过程直接排放到大气
环境中，一部分仍然固定在活性炭中，因此，直接排放
量可用差值法计算而得，等于铜藻生长过程中 CO2的
净吸收量与活性炭中固定的 CO2量之差；间接排放量
的计算用排放因子法，EFe为电力排放因子，Ae为此阶
段的耗电量。
活性炭吸附 CO2阶段：在不考虑活性炭再生的情
况下，1 kg活性炭吸附的二氧化碳量可由实验室数据
经线性放大而得。在考虑活性炭的多次吸附与再生循
环时，计算模型为：
GHG4=GHG4in－GHG4ad （9）
GHG4in=EFe×Ae2 （10）
这种情况下，此阶段的温室气体净排放量（GHG4）
等于再生耗能所带来的间接温室气体排放量（GHG4in）
与活性炭吸附捕集 CO2量（GHG4ad）之差。间接温室气
体排放量计算方法与前面所述相同，为电力排放因子
（EFe）与此阶段耗电量（Ae2）之积。
1.3 数据收集与整理
铜藻生长过程中固定的 CO2量与自身质量之比
MCO2 /MSH＝1 ∶1
[12]；假设铜藻生长地与实验室距离为
10 km；用 2种不同方法所制得活性炭的得率、碳元素
含量和 CO2的吸附容量如表 1所示；公路货运和电力
排放因子数据如表 2所示；活性炭制备阶段与活性炭
再生过程中所用电力设备的功率数据如表 3所示。电
力设备在不同阶段的运行时间已在系统流程图（图 1）
中标注出，这里不再赘述。以上有关活性炭制备和活
性炭吸附 CO2的数据虽然来自实验室小试，但通过后
续的计算与分析，找出温室气体排放的关键排放源，
对铜藻基活性炭生产与应用系统从实验室小试到中
试乃至工业化生产的过程中更好的实现节能减排具
有一定指导意义。
2 结果与讨论
2.1 全生命周期温室气体净排放量
以“1 kg活性炭”为功能单位，在不考虑活性炭再生
的情况下，按照 1.2.2节的计算模型，2种不同方法制得
活性炭的全生命周期温室气体净排放量如表 4所示。
表 1 ZAC和HKAC的得率、碳元素含量和CO2的平衡吸附容量
Table 1 Yield，carbon content and CO2 adsorption capacity of ZAC
and HKAC
活性炭
种类
活性炭
得率/%
活性炭中
碳元素含量/%
活性炭吸附 CO2的
平衡吸附容量/mg·g-1
ZAC 30.0 76.76 50.6
HKAC 25.8 70.10 108.7
表 2 公路货运与电力排放因子数据
Table 2 Emission factor of transportation and power
类型 排放因子 数据来源
公路货运
9.11 kg×10-2
CO2·t-1·km-1
[13]
电力 0.81 t CO2·MW-1·h-1
国家发展和改革委员会
《2013中国区域电网基准线排放因子》
表 3 相关电力设备功率数据
Table 3 Power of related equipments
设备 鼓风干燥箱 粉碎机 真空管式炉 电炉 热再生设备
功率/kW 1 1.2 2 1.5 0.4
表 4 2种不同方法制得活性炭的全生命周期温室气体净排放量
Table 4 Net GHG emission of ZAC and HKAC in life cycle
活性炭种类 能源间接排放量/kg CO2-eq 活性炭固定 CO2量/kg 活性炭吸附 CO2量/kg 全生命周期净排放量/kg CO2-eq
ZAC 8.792 2.815 0.051 5.926
HKAC 10.413 2.570 0.109 7.734
264
第 12期
ZAC 和 HKAC 全生命周期温室气体净排放量
（以 CO2-eq 计）分别为 5.926 kg 和 7.734 kg，能源
消耗带来的较多间接温室气体排放是导致活性炭
系统向环境排放温室气体的主要原因。HKAC较低
的碳元素含量导致其自身固定的 CO2较少。HKAC
的 CO2吸附容量是 ZAC CO2吸附容量的 2倍多，但
由于前者较大的能源间接排放量和较小的活性炭
固定 CO2量，致使 HKAC全生命周期的温室气体净排
放量较大。
2.2 各阶段温室气体吸收、吸附或排放量
不考虑再生的情况下，活性炭系统各阶段的温室
气体吸收或排放情况如表 5所示。
表 5 各阶段温室气体吸收、吸附或排放量
Table 5 GHG absorption，adsorption or emission in different stages
活性炭种类 原料生长 原料运输 活性炭制备 活性炭吸附 CO2 /kg
ZAC 吸收 3.333 kg CO2 间接排放 0.003 kg CO2-eq
排放 9.307 kg CO2，其中间接排放 8.789 kg
CO2-eq，直接排放 0.518 kg CO2
0.051
HKAC 吸收 3.876 kg CO2 间接排放 0.004 kg CO2-eq
排放 11.715 kg CO2，其中间接排放 10.409 kg
CO2-eq，直接排放 1.306 kg CO2
0.109
与 ZAC 相比，HKAC 较低的活性炭得率使生产
1 kg活性炭所需的原料量较大，导致原料生长过程
中吸收的 CO2量和原料运输过程中排放的 CO2量略
大。与农业废弃物（稻壳、秸秆等）为原料制备的活性
炭相比，铜藻基活性炭在原料生长阶段不需要施加氮
肥，从而避免了因氮肥效应产生 N2O而带来的温室气
体排放，这在一定程度上减少了温室气体排放总量。活
性炭制备阶段的 CO2排放量很大，这是导致全生命周
期温室气体净排放量较大的原因。HKAC较复杂的制
备工艺导致其在制备阶段的温室气体间接排放量较
ZAC大。与目前工业上常用的醇胺法等溶液吸收法相
比，活性炭吸附阶段的 CO2吸附容量仍有待提高。
如果不考虑原料生长阶段吸收的 CO2量和活性
炭吸附阶段捕集的 CO2量，只考虑原料运输和活性炭
制备阶段排放的 CO2量，ZAC和 HKAC排放量分别
为 9.310 kg CO2-eq和 11.719 kg CO2-eq，其中能源间
接排放量分别为 8.792 kg CO2-eq和 10.413 kg CO2-eq，
占比分别为 94.4%和 88.8%。而在间接温室气体排放
中，原料运输阶段消耗化石燃料带来的间接温室气体
排放量很小，活性炭制备阶段电力消耗带来的温室气
体排放为最主要的排放源。因此，减少活性炭制备过程
中的电力消耗是活性炭工业碳减排研究的主要方向。
ZAC和 HKAC制备阶段不同过程的电力消耗带
来的间接温室气体排放如图 2所示，电力消耗主要集
中在活化反应和产品烘干过程中，因此改进活化和干
燥工艺、提高能源利用率是未来的研究方向。
ZAC和 HKAC在制备阶段直接的温室气体排放
分别为 0.518 kg CO2-eq和 1.306 kg CO2-eq，ZAC的
直接温室气体排放量较小与其活性炭得率和活性炭
中碳元素含量都较高有关。因此，提高活性炭得率和
活性炭中碳元素含量不仅可以节约资源、提高活化程
度，还能减少活性炭制备过程中的直接温室气体排放，
取得经济效益与环境效益的“双赢”。
2.3 再生情景下的温室气体排放
活性炭用于吸附 CO2的一个优点是吸附剂易于
再生，因此本文考察了活性炭多次吸附与再生循环情
景下的温室气体排放。活性炭脱附再生是在脱附温度
（120 ℃）下热脱附 10 min，进行 4次吸附与再生循环
后，活性炭吸附能力基本保持不变。在一次吸附与
脱附过程中，消耗电力带来的间接温室气体排放量为
0.054 kg CO2-eq，与 ZAC吸附捕集 CO2的量基本持
平，而 HKAC净捕集 CO2的量为 0.055 kg，活性炭捕
集 CO2能力还不是很理想。因此，还需要通过活性炭
表面化学改性等方法提高活性炭吸附 CO2的吸附容
量并通过改进工艺、提高能源利用率等方法进一步减
少再生能耗。
2.4 与相关研究结果的比较
一些相关研究只涉及活性炭制备阶段的温室气
体排放量，因此本文选取活性炭制备阶段的温室气体
排放量进行比较分析，如表 6所示。与其它研究结果
相比，本研究中 ZnCl2活化法活性炭温室气体排放量
相对较低，具有一定碳减排优势；水热炭化-KOH活
化法活性炭温室气体排放量较文献[6]和文献[7]报道
数据略高，仍有一定碳减排潜力。
窦鑫，等 铜藻基活性炭全生命周期温室气体排放分析 265
第 38卷
原料 制备方法 温室气体排放量/kg CO2-eq 参考文献
硬煤 水蒸气活化法 11 [6]
橄榄油废渣 H3PO4活化法 11.096 [7]
加拿大一枝黄花 KOH微波活化法和 KOH电加热活化法 24.987（微波法），34.939（电加热法） [8]
铜藻 ZnCl2活化法和水热炭化-KOH活化法 9.307（ZnCl2活化法），11.715（水热炭化-KOH活化法） 本研究
表 6 不同活性炭温室气体排放比较
Table 6 Comparison of GHG emission of different activated carbons
3 结论与建议
（1）ZAC和 HKAC全生命周期温室气体净排放量
（以 CO2-eq计）分别为 5.926 kg 和 7.734 kg，活性炭
制备阶段的温室气体排放量分别为 9.307 kg 和
11.715 kg，与其他结果相比，ZnCl2活化法铜藻基活性
炭具有一定碳减排优势。
（2）活性炭制备阶段电力消耗带来的间接温室气
体排放是最大的排放源。因此，减少电力消耗、提高能
源利用率是活性炭工艺优化的研究方向。
（3）较高的活性炭得率和活性炭碳元素含量不仅
在经济上有优势，还有利于减少活性炭制备过程中直
接的温室气体排放量。因此，优化活性炭制备工艺，以
提高活性炭得率和活性炭碳元素含量，可实现经济效
益和环境效益的“双赢”。
（4）由于活性炭吸附 CO2的吸附容量有限，导致
其在吸附再生循环中的温室气体减排效果不佳。因
此，通过活性炭表面化学改性等方法提高 CO2吸附容
量并在现有基础上进一步降低再生能耗是未来的研
究方向。
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