美国PET包装材料在循环经济中的环境与社会经济帕累托前沿权衡分析

《Sustainable Production and Consumption》：Environmental and socio-economic Pareto-front trade-off analysis of U.S. PET packaging material in a circular economy

循环经济中PET包装供应链的环境与社会经济权衡研究，通过系统分析模型结合生命周期评估和优化技术，量化了回收技术转型及管理决策对全球变暖潜力、能源消耗和化石原料依赖的影响，揭示了多目标优化下的帕累托前沿贸易-offs，提出可持续解决方案需兼顾决策者目标与系统指标。

　　

乌特卡什·S·乔杜里（Utkarsh S. Chaudhari）| 大卫·W·沃特金斯（David W. Watkins）| 罗伯特·M·汉德勒（Robert M. Handler）| 芭芭拉·K·雷克（Barbara K. Reck）| 安妮·T·约翰逊（Anne T. Johnson）| 塔斯明·侯赛因（Tasmin Hossain）| 达蒙·S·哈特利（Damon S. Hartley）| 维基·S·汤普森（Vicki S. Thompson）| 大卫·R·肖纳德（David R. Shonnard）

密歇根理工大学化学工程系，美国密歇根州霍顿市，邮编49931

摘要

为了在塑料供应链系统中实现循环经济，各种回收技术正在不断涌现。然而，循环经济中塑料所涉及的环境和社会经济权衡在系统层面尚未得到充分理解。特别是，如何根据产品生命周期（EOL）管理决策来量化这些权衡，包括回收技术的转变、系统层面的指标（如循环利用率、回收材料占比）以及对化石基塑料的需求，目前仍不明确。本研究通过应用系统分析建模方法，结合物质流分析、生命周期评估、社会经济数据及系统优化技术，针对美国的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）包装供应链进行了探讨。利用ε约束方法，研究了相互冲突的环境与社会经济影响之间的帕累托前沿权衡，以及社会经济影响与循环利用率之间的权衡。帕累托前沿分析揭示了PET包装系统在EOL管理策略上的转变，包括回收技术选择的变化，从而为决策过程提供了量化依据。从环境最优系统向社会经济最优系统的转变带来了就业增加（17%）、工资增长（26%）和收入增加（6%），但同时也导致了全球变暖潜力（GWP）上升（65%）、能源消耗增加（59%）以及对化石PET依赖度提高（78%）。最终结果表明，实现PET包装系统的可持续循环经济并非依赖单一的回收技术组合，而是取决于决策者的目标及系统评估的指标。

术语表

<>玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic）<>温室气体（Greenhouse Gases）<>全球变暖潜力（Global Warming Potential）<>政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）注射拉伸吹塑（Injection Stretch Blow Molding）生命周期评估（Life Cycle Assessment）生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment）线性（Linear）

缩写	定义
ABM	基于代理的建模（Agent-based Modeling）
BFA	暴力搜索算法（Brute Force Algorithm）
BHET	双羟乙基对苯二甲酸酯（Bis-2-hydroxyethyl Terephthalate）
CED	累积能源需求（Cumulative Energy Demand）
CFR	回收收集（Collection for Recycling）
CO2-eq	二氧化碳当量（Carbon Dioxide Equivalent）
DMT	对苯二甲酸二甲酯（Dimethyl Terephthalate）
EOL	产品生命周期结束（End-of-Life）
EPA	环境保护署（Environmental Protection Agency）
GFRP
GHG
GWP
IPCC
ISBM
LCA
LCIA
LP

文献综述

联合国环境大会（UNEA）通过的决议（5/14）呼吁采取全面的方法，并强调了对塑料供应链进行环境和社会经济评估的必要性（联合国环境规划署，2022年）。以往关于循环塑料废物管理系统的研究主要集中在可持续性的环境和经济维度（De Oliveira等人，2021年；Sandoval-Reyes等人，2024年），而缺乏社会经济方面的分析。

方法

本研究借鉴了Chaudhari等人（2025b）的研究方法，将物质流数据与环境生命周期影响评估（LCIA）及社会经济影响评估因素相结合，以优化和评估美国PET包装供应链的可持续性影响及权衡。研究考虑了两个常见的环境指标：全球变暖潜力（GWP）和累积能源需求（CED）（Zanghelini等人，2018年；Zhao等人，2021年）。

最优循环PET包装系统：收益表

优化结果的总结以收益表的形式展示在表S1中。该收益表有助于了解每个目标函数的最优解范围、相关的系统层面可持续性指标、选定的决策变量以及各指标之间的权衡情况。关于物质流Sankey图的优化结果已在我们之前的研究中讨论过（Chaudhari）。

结论

通过系统分析和优化技术，本研究严格量化了美国PET包装材料流在循环经济中相互冲突的环境与社会经济影响之间的帕累托前沿权衡，以及社会经济影响与系统循环利用率之间的权衡。此外，研究还揭示了回收技术的转变、EOL管理决策的变化，以及系统中V-PET树脂的最优需求。

作者贡献声明

乌特卡什·S·乔杜里（Utkarsh S. Chaudhari）： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化呈现、方法论构建、数据调查、形式化分析及概念化设计。 大卫·W·沃特金斯（David W. Watkins）： 负责撰写、审稿与编辑、结果验证及方法论指导。 罗伯特·M·汉德勒（Robert M. Handler）： 负责撰写、审稿与编辑及监督工作。 芭芭拉·K·雷克（Barbara K. Reck）： 负责撰写、审稿与编辑及监督工作。 安妮·T·约翰逊（Anne T. Johnson）： 负责撰写、审稿与编辑及监督工作。 塔斯明·侯赛因（Tasmin Hossain）： 负责撰写、审稿与编辑及监督工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

乌特卡什·沙伊莱什·乔杜里（Utkarsh Shailesh Chaudhari）感谢密歇根理工大学研究生院在2024年春季学期提供的奖学金，该奖学金支持了本研究工作的撰写部分。作者还感谢项目顾问委员会（ABE）以及Chemstations的Alejandra Peralta提供的有益意见与建议，这些帮助提升了研究质量。同时，作者也感谢REMADE研究所的资助。