Advances in life cycle assessment of plastics with mineral fillers in packaging applications

A la portada: UNESCO Chair in Life Cycle and Climate Change ESCI-UPFPremi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit d’Enginyeria Civil i AmbientalMineral masterbatches, in other words mineral fillers, are concentrates of calcium carbonate or talc in a polymer base. In addition to their optimal cost, their use improves mechanical properties of materials and reduce energy consumption during the processing. Finally, their use may help to reduce the carbon footprint of the final product, since they include (at some percentages) naturally existing minerals (calcium carbonate and talc) instead of virgin petrochemicals. Due to the increasing environmental pollution that the world is recently facing, concerns over using plastic have also increased. Plastic packaging, origin of 30% of the total annual plastic production, is one of the major areas which requires special attention. Therefore, the main focus of this thesis is the environmental assessment of the use of masterbatches, with calcium carbonate and talc, in different plastic packaging applications by using life cycle assessment (LCA) methodology, as being the commonly accepted tool in estimating the potential environmental impacts of products or systems. While doing this, it is also aimed to provide advancements in the LCA methodology of plastic compound materials. In this thesis, through a collaboration with a producer of mineral masterbatches, different studies were performed based on real market cases. The outcomes of this thesis are: i) a deep and extended literature review on environmental impacts of functional fillers (including masterbatches) used in the industry; ii) two LCA case studies (“plastic compound vs eucalyptus wood storage sheets” and “virgin polyethylene (PE) vs eco-designed cosmetic tubes with mineral fillers and recycled content”), in which the use of plastics with mineral fillers is compared to virgin plastic alternatives; iii) introduction of methods, within the inventory phase, to calculate the quality loss (also known as Qs/Qp factors) of compound materials in open-loop and closed-loop recycling; and iv) introduction of a littering indicator, within the impact assessment phase, which estimates the probability of a supermarket bag contributing to the littering problem (in land and marine environments).Els masterbatch minerals, en altres paraules, les càrregues minerals, són concentrats de carbonat de calci o talc en una base de polímer. A més dels seus avantatges econòmics, el seu ús millora les propietats mecàniques dels materials i redueix el consum d'energia durant la seva fabricació. Finalment, la seva utilització com a matèria primera per a la fabricació de productes pot ajudar a reduir la petjada de carboni dels mateixos. Això és així perquè inclouen (en diferents percentatges) minerals naturals (carbonat de calci i talc) en lloc de petroquímics verges. A causa de la creixent contaminació ambiental a la qual el món s'enfronta recentment, també ha augmentat la preocupació per l'ús del plàstic. L'envàs de plàstic, origen del 30% de la producció total anual de plàstic, és una de les àrees principals que requereix atenció especial. Per tant, l'enfocament principal d'aquesta tesi és l'avaluació ambiental de l'ús de masterbatch, amb carbonat de calci i talc, en diferents aplicacions d'envasos de plàstic mitjançant l'ús de la metodologia d'avaluació del cicle de vida (ACV). Aquesta eina és comunament acceptada per estimar els impactes ambientals de productes o sistemes. A part de l'avaluació mediambiental, també es té com a objectiu proporcionar avenços en la metodologia de l'ACV de materials compostos de plàstic. En aquesta tesi, a través d'una col·laboració amb un productor de masterbatch minerals, es van realitzar diferents estudis de cas reals de mercat. Els resultats d'aquesta tesi són: i) una revisió bibliogràfica profunda i extensa sobre els impactes ambientals de les càrregues funcionals (incloent masterbatch) utilitzats en la indústria; iii) dos estudis de cas d'ACV ("làmines d'emmagatzematge de plàstic contra de fusta d'eucaliptus" i "tubs de cosmètics de polietilè (PE) verge versus de disseny ecològic amb càrregues minerals i contingut reciclat"), en els quals l'ús de plàstics amb càrregues minerals es compara amb l’ús alternatiu de plàstics verges; iii) la introducció de mètodes, dins de la fase d'inventari, per a calcular la pèrdua de qualitat (també coneguda com a factors Qs / Qp) dels materials compostos en cicles obert i tancat de reciclatge; i iv) introducció d'un indicador d'escombraries en ambients terrestre i marí, dins de la fase d'avaluació d'impacte, que estima la probabilitat que una bossa de supermercat contribueixi a aquesta problema.Los masterbatches minerales, en otras palabras, las cargas minerales, son concentrados de carbonato de calcio o talco en una base de polímero. Además de sus ventajas económicas, su uso mejora las propiedades mecánicas de los materiales y reduce el consumo de energía durante su fabricación. Finalmente, su utilización como materia prima para la fabricación de productos puede ayudar a reducir la huella de carbono de los mismos. Esto es así porque incluyen (en algunos porcentajes) minerales naturales (carbonato de calcio y talco) en lugar de petroquímicos vírgenes. Debido a la creciente contaminación ambiental a la que el mundo se enfrenta recientemente, también ha aumentado la preocupación por el uso del plástico. El envase de plástico, origen del 30% de la producción total anual de plástico, es una de las áreas principales que requiere atención especial. Por lo tanto, el enfoque principal de esta tesis es la evaluación ambiental del uso de masterbatches, con carbonato de calcio y talco, en diferentes aplicaciones de envases de plástico mediante el uso de la metodología de evaluación del ciclo de vida (ACV). Esta herramienta es comúnmente aceptada para estimar los impactos ambientales potenciales de productos o sistemas. A parte de la evaluación medioambiental, también se tiene como objetivo proporcionar avances en la metodología del ACV de materiales compuestos de plástico. En esta tesis, a través de una colaboración con un productor de masterbatches minerales, se realizaron diferentes estudios casos reales de mercado. Los resultados de esta tesis son: i) una revisión bibliográfica profunda y extensa sobre los impactos ambientales de los cargas funcionales (incluyendo masterbatches) utilizados en la industria; iii) dos estudios de caso de ACV ("láminas de almacenamiento de plástico contra de madera de eucalipto" y "tubos de cosméticos de polietileno (PE) virgen versus de diseño ecológico con cargas minerales y contenido reciclado"), en los cuales el uso de plásticos con cargas minerales se compara conel uso alternativo de plásticos virgenes; iii) la introducción de métodos, dentro de la fase de inventario, para calcular la pérdida de calidad (también conocida como factores Qs / Qp) de los materiales compuestos en ciclos abierto y cerrado de reciclaje; y iv) introducción de un indicador de basura en ambientes terrestre y marino, dentro de la fase de evaluación de impacto, que estima la probabilidad de que una bolsa de supermercado contribuya a esa problema.Postprint (published version

Life cycle assessment of carrier bags and development of a littering indicator

Increased plastic consumption has resulted in high amounts of plastic waste ending up in the environment. Recently, the European Commission (EC) has identified a list of single-use plastics, including plastic bags, most commonly found in the European beaches. As a response, alternatives for plastic carrier bags have been more of a concern. Many life cycle assessment (LCA) studies have been performed to evaluate the environmental profile of different carrier bags; however, without considering the possibility of contribution to the littering problem. Therefore, in this study, an indicator has been introduced, based on an LCA study of carrier bags which was performed in Spain. The indicator is influenced by parameters such as: number of bags to fulfill the functional unit, weight, surface, fee, and biodegradability. In this paper, a comparative LCA of HDPE, LDPE, PP, paper and biodegradable plastic bags is presented. Following that, a littering indicator is introduced to allow a comparison of the risk of littering of the different carrier bags in marine environment. The results given by the Littering Potential indicator rank the bags oppositely to the results given by the LCA as usual. Further research is needed to refine the model and include additional contributing variables

Are functional fillers improving environmental behavior of plastics? A review on LCA studies

The use of functional fillers can be advantageous in terms of cost reduction and improved properties in plastics. There are many types of fillers used in industry, organic and inorganic, with a wide application area. As a response to the growing concerns about environmental damage that plastics cause, recently fillers have started to be considered as a way to reduce it by decreasing the need for petrochemical resources. Life cycle assessment (LCA) is identified as a proper tool to evaluate potential environmental impacts of products or systems. Therefore, in this study, the literature regarding LCA of plastics with functional fillers was reviewed in order to see if the use of fillers in plastics could be environmentally helpful. It was interesting to find out that environmental impacts of functional fillers in plastics had not been studied too often, especially in the case of inorganic fillers. Therefore, a gap in the literature was identified for the future works. Results of the study showed that, although there were not many and some differences exist among the LCA studies, the use of fillers in plastics industry may help to reduce environmental emissions. In addition, how LCA methodology was applied to these materials was also investigated

Sustainability of cellulose micro-/nanofibers: a comparative life cycle assessment of pathway technologies

Cellulose micro- and nanofibers (CNFs) are commonly regarded as “greener” than petro-based materials. The high energy input that their production still demands, along with the use of chemicals or heat in some pretreatments, asks for a critical view. This paper attempts a life cycle assessment of CNFs produced from bleached hardwood kraft pulp via three different pre-treatments before mechanical homogenization. First, a fully mechanical route, based on a Valley beating pre-treatment. Second, an enzymatic route, based on endoglucanases and requiring certain temperature (~50 °C). Third, a TEMPO-mediated oxidation route, considering not only the impact of the chemical treatment itself but also the production of TEMPO from ammonia and acetone. The main output of the study is that both, mechanical and TEMPO-mediated oxidation routes, present lower impacts than the enzymatic pre-treatment. Although the mechanical route presents slightly milder contributions to climate change, acidification, eutrophication, and other indicators, saying that TEMPO-mediated oxidation is environmentally unfeasible should be put under question. After all, and despite being disregarded in most assessment publications up to date, it is the only well-known way to selectively oxidize primary hydroxyl groups and thus producing kinds of CNFs that are unthinkable by other ways.Peer ReviewedPostprint (published version

Advances in life cycle assessment of plastics with mineral fillers in packaging applications

A la portada: UNESCO Chair in Life Cycle and Climate Change ESCI-UPFMineral masterbatches, in other words mineral fillers, are concentrates of calcium carbonate or talc in a polymer base. In addition to their optimal cost, their use improves mechanical properties of materials and reduce energy consumption during the processing. Finally, their use may help to reduce the carbon footprint of the final product, since they include (at some percentages) naturally existing minerals (calcium carbonate and talc) instead of virgin petrochemicals. Due to the increasing environmental pollution that the world is recently facing, concerns over using plastic have also increased. Plastic packaging, origin of 30% of the total annual plastic production, is one of the major areas which requires special attention. Therefore, the main focus of this thesis is the environmental assessment of the use of masterbatches, with calcium carbonate and talc, in different plastic packaging applications by using life cycle assessment (LCA) methodology, as being the commonly accepted tool in estimating the potential environmental impacts of products or systems. While doing this, it is also aimed to provide advancements in the LCA methodology of plastic compound materials. In this thesis, through a collaboration with a producer of mineral masterbatches, different studies were performed based on real market cases. The outcomes of this thesis are: i) a deep and extended literature review on environmental impacts of functional fillers (including masterbatches) used in the industry; ii) two LCA case studies (“plastic compound vs eucalyptus wood storage sheets” and “virgin polyethylene (PE) vs eco-designed cosmetic tubes with mineral fillers and recycled content”), in which the use of plastics with mineral fillers is compared to virgin plastic alternatives; iii) introduction of methods, within the inventory phase, to calculate the quality loss (also known as Qs/Qp factors) of compound materials in open-loop and closed-loop recycling; and iv) introduction of a littering indicator, within the impact assessment phase, which estimates the probability of a supermarket bag contributing to the littering problem (in land and marine environments).Els masterbatch minerals, en altres paraules, les càrregues minerals, són concentrats de carbonat de calci o talc en una base de polímer. A més dels seus avantatges econòmics, el seu ús millora les propietats mecàniques dels materials i redueix el consum d'energia durant la seva fabricació. Finalment, la seva utilització com a matèria primera per a la fabricació de productes pot ajudar a reduir la petjada de carboni dels mateixos. Això és així perquè inclouen (en diferents percentatges) minerals naturals (carbonat de calci i talc) en lloc de petroquímics verges. A causa de la creixent contaminació ambiental a la qual el món s'enfronta recentment, també ha augmentat la preocupació per l'ús del plàstic. L'envàs de plàstic, origen del 30% de la producció total anual de plàstic, és una de les àrees principals que requereix atenció especial. Per tant, l'enfocament principal d'aquesta tesi és l'avaluació ambiental de l'ús de masterbatch, amb carbonat de calci i talc, en diferents aplicacions d'envasos de plàstic mitjançant l'ús de la metodologia d'avaluació del cicle de vida (ACV). Aquesta eina és comunament acceptada per estimar els impactes ambientals de productes o sistemes. A part de l'avaluació mediambiental, també es té com a objectiu proporcionar avenços en la metodologia de l'ACV de materials compostos de plàstic. En aquesta tesi, a través d'una col·laboració amb un productor de masterbatch minerals, es van realitzar diferents estudis de cas reals de mercat. Els resultats d'aquesta tesi són: i) una revisió bibliogràfica profunda i extensa sobre els impactes ambientals de les càrregues funcionals (incloent masterbatch) utilitzats en la indústria; iii) dos estudis de cas d'ACV ("làmines d'emmagatzematge de plàstic contra de fusta d'eucaliptus" i "tubs de cosmètics de polietilè (PE) verge versus de disseny ecològic amb càrregues minerals i contingut reciclat"), en els quals l'ús de plàstics amb càrregues minerals es compara amb l’ús alternatiu de plàstics verges; iii) la introducció de mètodes, dins de la fase d'inventari, per a calcular la pèrdua de qualitat (també coneguda com a factors Qs / Qp) dels materials compostos en cicles obert i tancat de reciclatge; i iv) introducció d'un indicador d'escombraries en ambients terrestre i marí, dins de la fase d'avaluació d'impacte, que estima la probabilitat que una bossa de supermercat contribueixi a aquesta problema.Los masterbatches minerales, en otras palabras, las cargas minerales, son concentrados de carbonato de calcio o talco en una base de polímero. Además de sus ventajas económicas, su uso mejora las propiedades mecánicas de los materiales y reduce el consumo de energía durante su fabricación. Finalmente, su utilización como materia prima para la fabricación de productos puede ayudar a reducir la huella de carbono de los mismos. Esto es así porque incluyen (en algunos porcentajes) minerales naturales (carbonato de calcio y talco) en lugar de petroquímicos vírgenes. Debido a la creciente contaminación ambiental a la que el mundo se enfrenta recientemente, también ha aumentado la preocupación por el uso del plástico. El envase de plástico, origen del 30% de la producción total anual de plástico, es una de las áreas principales que requiere atención especial. Por lo tanto, el enfoque principal de esta tesis es la evaluación ambiental del uso de masterbatches, con carbonato de calcio y talco, en diferentes aplicaciones de envases de plástico mediante el uso de la metodología de evaluación del ciclo de vida (ACV). Esta herramienta es comúnmente aceptada para estimar los impactos ambientales potenciales de productos o sistemas. A parte de la evaluación medioambiental, también se tiene como objetivo proporcionar avances en la metodología del ACV de materiales compuestos de plástico. En esta tesis, a través de una colaboración con un productor de masterbatches minerales, se realizaron diferentes estudios casos reales de mercado. Los resultados de esta tesis son: i) una revisión bibliográfica profunda y extensa sobre los impactos ambientales de los cargas funcionales (incluyendo masterbatches) utilizados en la industria; iii) dos estudios de caso de ACV ("láminas de almacenamiento de plástico contra de madera de eucalipto" y "tubos de cosméticos de polietileno (PE) virgen versus de diseño ecológico con cargas minerales y contenido reciclado"), en los cuales el uso de plásticos con cargas minerales se compara conel uso alternativo de plásticos virgenes; iii) la introducción de métodos, dentro de la fase de inventario, para calcular la pérdida de calidad (también conocida como factores Qs / Qp) de los materiales compuestos en ciclos abierto y cerrado de reciclaje; y iv) introducción de un indicador de basura en ambientes terrestre y marino, dentro de la fase de evaluación de impacto, que estima la probabilidad de que una bolsa de supermercado contribuya a esa problema

Advances in life cycle assessment of plastics with mineral fillers in packaging applications

Mineral masterbatches, in other words mineral fillers, are concentrates of calcium carbonate or talc in a polymer base. In addition to their optimal cost, their use improves mechanical properties of materials and reduce energy consumption during the processing. Finally, their use may help to reduce the carbon footprint of the final product, since they include (at some percentages) naturally existing minerals (calcium carbonate and talc) instead of virgin petrochemicals. Due to the increasing environmental pollution that the world is recently facing, concerns over using plastic have also increased. Plastic packaging, origin of 30% of the total annual plastic production, is one of the major areas which requires special attention. Therefore, the main focus of this thesis is the environmental assessment of the use of masterbatches, with calcium carbonate and talc, in different plastic packaging applications by using life cycle assessment (LCA) methodology, as being the commonly accepted tool in estimating the potential environmental impacts of products or systems. While doing this, it is also aimed to provide advancements in the LCA methodology of plastic compound materials. In this thesis, through a collaboration with a producer of mineral masterbatches, different studies were performed based on real market cases. The outcomes of this thesis are: i) a deep and extended literature review on environmental impacts of functional fillers (including masterbatches) used in the industry; ii) two LCA case studies (“plastic compound vs eucalyptus wood storage sheets” and “virgin polyethylene (PE) vs eco-designed cosmetic tubes with mineral fillers and recycled content”), in which the use of plastics with mineral fillers is compared to virgin plastic alternatives; iii) introduction of methods, within the inventory phase, to calculate the quality loss (also known as Qs/Qp factors) of compound materials in open-loop and closed-loop recycling; and iv) introduction of a littering indicator, within the impact assessment phase, which estimates the probability of a supermarket bag contributing to the littering problem (in land and marine environments).Els masterbatch minerals, en altres paraules, les càrregues minerals, són concentrats de carbonat de calci o talc en una base de polímer. A més dels seus avantatges econòmics, el seu ús millora les propietats mecàniques dels materials i redueix el consum d'energia durant la seva fabricació. Finalment, la seva utilització com a matèria primera per a la fabricació de productes pot ajudar a reduir la petjada de carboni dels mateixos. Això és així perquè inclouen (en diferents percentatges) minerals naturals (carbonat de calci i talc) en lloc de petroquímics verges. A causa de la creixent contaminació ambiental a la qual el món s'enfronta recentment, també ha augmentat la preocupació per l'ús del plàstic. L'envàs de plàstic, origen del 30% de la producció total anual de plàstic, és una de les àrees principals que requereix atenció especial. Per tant, l'enfocament principal d'aquesta tesi és l'avaluació ambiental de l'ús de masterbatch, amb carbonat de calci i talc, en diferents aplicacions d'envasos de plàstic mitjançant l'ús de la metodologia d'avaluació del cicle de vida (ACV). Aquesta eina és comunament acceptada per estimar els impactes ambientals de productes o sistemes. A part de l'avaluació mediambiental, també es té com a objectiu proporcionar avenços en la metodologia de l'ACV de materials compostos de plàstic. En aquesta tesi, a través d'una col·laboració amb un productor de masterbatch minerals, es van realitzar diferents estudis de cas reals de mercat. Els resultats d'aquesta tesi són: i) una revisió bibliogràfica profunda i extensa sobre els impactes ambientals de les càrregues funcionals (incloent masterbatch) utilitzats en la indústria; iii) dos estudis de cas d'ACV ("làmines d'emmagatzematge de plàstic contra de fusta d'eucaliptus" i "tubs de cosmètics de polietilè (PE) verge versus de disseny ecològic amb càrregues minerals i contingut reciclat"), en els quals l'ús de plàstics amb càrregues minerals es compara amb l’ús alternatiu de plàstics verges; iii) la introducció de mètodes, dins de la fase d'inventari, per a calcular la pèrdua de qualitat (també coneguda com a factors Qs / Qp) dels materials compostos en cicles obert i tancat de reciclatge; i iv) introducció d'un indicador d'escombraries en ambients terrestre i marí, dins de la fase d'avaluació d'impacte, que estima la probabilitat que una bossa de supermercat contribueixi a aquesta problema.Los masterbatches minerales, en otras palabras, las cargas minerales, son concentrados de carbonato de calcio o talco en una base de polímero. Además de sus ventajas económicas, su uso mejora las propiedades mecánicas de los materiales y reduce el consumo de energía durante su fabricación. Finalmente, su utilización como materia prima para la fabricación de productos puede ayudar a reducir la huella de carbono de los mismos. Esto es así porque incluyen (en algunos porcentajes) minerales naturales (carbonato de calcio y talco) en lugar de petroquímicos vírgenes. Debido a la creciente contaminación ambiental a la que el mundo se enfrenta recientemente, también ha aumentado la preocupación por el uso del plástico. El envase de plástico, origen del 30% de la producción total anual de plástico, es una de las áreas principales que requiere atención especial. Por lo tanto, el enfoque principal de esta tesis es la evaluación ambiental del uso de masterbatches, con carbonato de calcio y talco, en diferentes aplicaciones de envases de plástico mediante el uso de la metodología de evaluación del ciclo de vida (ACV). Esta herramienta es comúnmente aceptada para estimar los impactos ambientales potenciales de productos o sistemas. A parte de la evaluación medioambiental, también se tiene como objetivo proporcionar avances en la metodología del ACV de materiales compuestos de plástico. En esta tesis, a través de una colaboración con un productor de masterbatches minerales, se realizaron diferentes estudios casos reales de mercado. Los resultados de esta tesis son: i) una revisión bibliográfica profunda y extensa sobre los impactos ambientales de los cargas funcionales (incluyendo masterbatches) utilizados en la industria; iii) dos estudios de caso de ACV ("láminas de almacenamiento de plástico contra de madera de eucalipto" y "tubos de cosméticos de polietileno (PE) virgen versus de diseño ecológico con cargas minerales y contenido reciclado"), en los cuales el uso de plásticos con cargas minerales se compara conel uso alternativo de plásticos virgenes; iii) la introducción de métodos, dentro de la fase de inventario, para calcular la pérdida de calidad (también conocida como factores Qs / Qp) de los materiales compuestos en ciclos abierto y cerrado de reciclaje; y iv) introducción de un indicador de basura en ambientes terrestre y marino, dentro de la fase de evaluación de impacto, que estima la probabilidad de que una bolsa de supermercado contribuya a esa problema