打造可持續(xù)材料系統(tǒng)

編譯 之涵

2017年，全球年資源使用量近900億噸，到2050年可能增加一倍以上。與這一增長趨勢相應的是材料的開采正從歐洲和北美轉(zhuǎn)向亞洲。2017年，開采自亞洲的材料占60%，而預計在未來十年中，非洲的開采量也將大幅增加。就地開采并加工有助于提高發(fā)展中國家和地區(qū)的生活水平，但同時也會造成嚴重的環(huán)境問題。在全球各地，幾乎每個領(lǐng)域的材料生產(chǎn)和消耗都與環(huán)境限制背道而馳，包括物種多樣性、土地利用變化、氣候影響和生物地球化學流。降低材料使用的影響不僅是當務(wù)之急，而且復雜多變，因此有必要對意想不到的后果進行積極的評估，并且要求采用適用于多學科體系的方法。

從開采到處置過程中的材料影響

材料開采的影響包括景觀退化、生境喪失、廢物產(chǎn)生、水質(zhì)下降和生態(tài)系統(tǒng)污染等，這些影響往往發(fā)生在生態(tài)敏感地區(qū)。此外，該階段的能源需求量相當大。例如，金屬的初級生產(chǎn)占全球能源消耗總量的8%左右。由于礦石品質(zhì)等級下降，這種能源消耗預計將持續(xù)增加。

提煉和制造等過程的影響主要來自能源的使用。然而，工藝化學反應的直接排放也同樣發(fā)揮著重要作用。例如，在水泥生產(chǎn)過程中，二氧化碳的直接排放是由石灰石煅燒成石灰造成的，其排放量占水泥生產(chǎn)相關(guān)排放的50%，其余則是因電力和燃料消耗而造成的。

在材料使用過程中，大部分影響來自為機器供電所需的燃料和電力。但金屬在使用過程中也可能發(fā)生腐蝕；同樣，制冷劑等化學污染物在產(chǎn)品使用過程中也會泄露。

處置的影響包括因填埋垃圾而占用土地、資源損失，而在涉及金屬的處置時，垃圾的填埋和焚燒可能產(chǎn)生有毒滲濾液和大氣排放物。對于聚合物來說，處置不當會導致微粒長期留存，繼而在食物供應中持續(xù)存在并累積。就礦物而言，建筑廢物是一個日漸嚴重的環(huán)境問題。要想減輕這些足以改變游戲規(guī)則的影響，唯有在材料的整個生命周期中改變它們的技術(shù)或消耗模式。

打造可持續(xù)材料系統(tǒng)

材料本身并不是人類想要的：人們通常不會想去獲得一匝鋼圈或幾根碳納米管，甚至可能不想要汽車或電話等產(chǎn)品。人類希望得到的是材料和產(chǎn)品提供的服務(wù)。作為一個社群，我們發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施以滿足人類活動的需要，如維持生計、獲得庇護、溝通和教育。全球材料年開采量的一半被用作庫存或用于更新使用中的存貨。一個可持續(xù)的材料系統(tǒng)可以創(chuàng)造并維持這些庫存，從而最大限度地減少材料和能源流。

然而，支持實物存量的材料流因區(qū)域而存在很大差異。每年北美人均耗材量為30噸，歐洲人均耗材量為21噸，所有其他地區(qū)的人均耗材量則低于10噸。這種差異需要我們降低材料消耗與經(jīng)濟發(fā)展和提高生活質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性。要做到這一點，技術(shù)設(shè)計以及企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)造價值的方式都必須實現(xiàn)深刻轉(zhuǎn)變。例如，轉(zhuǎn)變服務(wù)模式（其中出售的是產(chǎn)品的用途，而非產(chǎn)品本身）以更多地使用現(xiàn)有存貨。事實證明，要大規(guī)模地將產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)極具挑戰(zhàn)，其對環(huán)境的凈影響也未可知，在使用消耗品時可能需要權(quán)衡。

還有一些專注于材料的變革策略。如鋼鐵和混凝土生產(chǎn)規(guī)模巨大，這意味著任何提高材料的環(huán)境可持續(xù)性的策略都必須涉及這些行業(yè)的轉(zhuǎn)變。

鋼鐵生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變可能包括采用性價比高的電解方式，并利用基于可再生能源的電力將氧化鐵還原成金屬。得益于熔融電化學領(lǐng)域取得的進展，鋼鐵已經(jīng)可以直接由氧化物原料進行生產(chǎn)。這些方法還可用于生產(chǎn)銅等其他金屬。

要顯著改善混凝土對環(huán)境造成的影響，需要將大量的碳封存或開發(fā)出水泥黏結(jié)劑的替代品。在這種情況下，根據(jù)混凝土是否為鋼筋混凝土，可供替換的原材料數(shù)量是否能滿足需求，可行性策略將會有所不同。

材料的環(huán)境生命周期

聚合物沒有金屬那么重，但它們在廢物流中所占的體積分數(shù)極大，并呈現(xiàn)出指數(shù)級增長態(tài)勢，而且可以長期留存在周圍環(huán)境中。因此我們必須通過材料創(chuàng)新，開發(fā)出能夠有效分離、進行化學回收和熱固性后處理且能夠提高生物可降解性的單體。

將材料影響降至最低的5種手段

即使出現(xiàn)易駕馭、有益于環(huán)境的革命性商業(yè)模式或技術(shù)，對它們進行推廣也需時日。因此，必須立即采取行動，找到更多的策略。我們?yōu)榭茖W家和工程師提供了5種手段以最大限度地減少影響：延長使用壽命、非物質(zhì)化、提高生產(chǎn)效率、替代和回收（參見“材料的環(huán)境生命周期”圖）。

延長使用壽命可以通過延長使用壽命來降低需求，提高現(xiàn)有產(chǎn)品的耐久性、可持續(xù)性和利用率。微量污染物或缺陷會導致材料質(zhì)量下降，從而降低使用壽命和回收潛力。研究人員應該在非理想化條件下測試新材料和新設(shè)備，并加快測試工作的速度。商業(yè)模式創(chuàng)新也應當發(fā)揮作用，以抵消計劃報廢帶來的后果。

非物質(zhì)化有效的產(chǎn)品設(shè)計有助于更好地利用特定材料實現(xiàn)某一特定功能。材料工程成功促成非物質(zhì)化的例子包括固態(tài)晶體管、較高傳輸能量線和合金設(shè)計。通過采用更高效的零部件設(shè)計，使用能夠減小每個零部件材料密度的高強鋼、鋁和復合材料等替代材料，車輛輕量化成為可能，這一策略還可節(jié)省燃料。強度和延展性通常相互矛盾，但合金使材料可以向更高強度和更高延展性的方向發(fā)展，還可以節(jié)約大量成本。

提高生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率往往與成本降低相關(guān)。在鑄造、成形和裝配等生產(chǎn)工序中，分別有25%和40%的鋼和鋁作為廢料丟棄。即便是碳納米管等功能性特種材料，也存在巨大的制造損失，有很多種方法可以簡化納米材料的合成工藝。

替代其中一種策略是使用對環(huán)境影響較小的材料的替代品（完全或部分取代）。長期以來，科學界在開發(fā)材料替代品方面發(fā)揮著重要作用，但其目的通常是提高性能或減少使用有毒或難以采購的材料，而不是減少環(huán)境影響。通過擴充有關(guān)材料和能源投入的實驗室數(shù)據(jù)，再加上行業(yè)手冊，一些前景看好的基本方法可用來預測新型材料的生命周期和進行風險評估。

回收由于非初級材料在制造過程中所需能源通常較少，因此另一種策略是提高回收率。保持價值的能力以及由此帶來的影響因材料而異。長期以來，由于產(chǎn)品復雜性不斷提高、生命周期縮短、制造商不予重視以及社會規(guī)范的限制，部件的重復使用率呈下降趨勢。另外，當產(chǎn)品由單一材料制成并且具有價值時，從產(chǎn)品中回收材料較為容易；然而，今天使用的許多產(chǎn)品均由混合材料制成，低價值混合材料的回收成本變得昂貴，且需消耗大量能源。

現(xiàn)代移動電話的電路板包含元素周期表中的60多種元素

當前的材料系統(tǒng)效率低下。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標是從使用中的材料獲取更多的價值，同時盡量減少整個過程中的開采量和廢物流。干預措施必須結(jié)合具體情況進行評價，因為某一階段得到改進可能會導致其他階段的負擔增加。科學界需要進行權(quán)衡，以避免出現(xiàn)意外的后果——我們從某個方面改進了材料系統(tǒng)或生命周期，卻會對其他方面造成損害。例如，雖然在非物質(zhì)化方面贏得了重大契機，但材料效率的提高通常伴隨著更高的要求或功能。例如，汽車的尺寸更大、配飾更多，足以抵消節(jié)省燃料帶來的優(yōu)勢。

向技術(shù)界收費

上述策略并不新鮮，我們在整個生命周期和不同的材料中都可以找到成功的個案。當下的可持續(xù)性挑戰(zhàn)在于科學家和工程師必須接受這種復雜性，預料到可能出現(xiàn)的權(quán)衡問題，量化多個性能目標，并在最初的研究和開發(fā)中估計規(guī)模化的影響。

回收的技術(shù)無法與材料開發(fā)的復雜性及其規(guī)模的增長速度保持同步。這種復雜性體現(xiàn)在移動電話電路板中的元素數(shù)量：20世紀80年代，這一數(shù)字為11；而現(xiàn)在元素已達60多種。在這些成分中，許多在使用壽命終結(jié)時就跟著消失殆盡，不僅包括材料，還包括在制造過程中賦予的附加值。為了克服這一問題，在合金設(shè)計中應考慮回收時的相容性，基于預測仿真的過程建模可以幫助設(shè)計出能夠盡可能將材料回收的提煉設(shè)施。

治理和參與已經(jīng)變得越來越重要，上面提到的大多數(shù)策略都需要支持技術(shù)過渡的政策。研究人員應該采用多個績效目標對他們的技術(shù)進行評估，然后以決策者認可的方式傳播他們的研究成果。我們應該告訴科學家和工程師如何進行評估、如何與利益相關(guān)者接洽，并為環(huán)境分析和基礎(chǔ)研究提供激勵。預計在2050年前投入使用的城市基礎(chǔ)設(shè)施中，有超過60%的設(shè)施還未建成，而在未來數(shù)十年中，城市人口將翻一番，因此現(xiàn)在仍有機會塑造人類的未來。

資料來源 Science