打造可持续材料系统

编译 之涵

2017年，全球年资源使用量近900亿吨，到2050年可能增加一倍以上。与这一增长趋势相应的是材料的开采正从欧洲和北美转向亚洲。2017年，开采自亚洲的材料占60%，而预计在未来十年中，非洲的开采量也将大幅增加。就地开采并加工有助于提高发展中国家和地区的生活水平，但同时也会造成严重的环境问题。在全球各地，几乎每个领域的材料生产和消耗都与环境限制背道而驰，包括物种多样性、土地利用变化、气候影响和生物地球化学流。降低材料使用的影响不仅是当务之急，而且复杂多变，因此有必要对意想不到的后果进行积极的评估，并且要求采用适用于多学科体系的方法。

从开采到处置过程中的材料影响

材料开采的影响包括景观退化、生境丧失、废物产生、水质下降和生态系统污染等，这些影响往往发生在生态敏感地区。此外，该阶段的能源需求量相当大。例如，金属的初级生产占全球能源消耗总量的8%左右。由于矿石品质等级下降，这种能源消耗预计将持续增加。

提炼和制造等过程的影响主要来自能源的使用。然而，工艺化学反应的直接排放也同样发挥着重要作用。例如，在水泥生产过程中，二氧化碳的直接排放是由石灰石煅烧成石灰造成的，其排放量占水泥生产相关排放的50%，其余则是因电力和燃料消耗而造成的。

在材料使用过程中，大部分影响来自为机器供电所需的燃料和电力。但金属在使用过程中也可能发生腐蚀；同样，制冷剂等化学污染物在产品使用过程中也会泄露。

处置的影响包括因填埋垃圾而占用土地、资源损失，而在涉及金属的处置时，垃圾的填埋和焚烧可能产生有毒渗滤液和大气排放物。对于聚合物来说，处置不当会导致微粒长期留存，继而在食物供应中持续存在并累积。就矿物而言，建筑废物是一个日渐严重的环境问题。要想减轻这些足以改变游戏规则的影响，唯有在材料的整个生命周期中改变它们的技术或消耗模式。

打造可持续材料系统

材料本身并不是人类想要的：人们通常不会想去获得一匝钢圈或几根碳纳米管，甚至可能不想要汽车或电话等产品。人类希望得到的是材料和产品提供的服务。作为一个社群，我们发展基础设施以满足人类活动的需要，如维持生计、获得庇护、沟通和教育。全球材料年开采量的一半被用作库存或用于更新使用中的存货。一个可持续的材料系统可以创造并维持这些库存，从而最大限度地减少材料和能源流。

然而，支持实物存量的材料流因区域而存在很大差异。每年北美人均耗材量为30吨，欧洲人均耗材量为21吨，所有其他地区的人均耗材量则低于10吨。这种差异需要我们降低材料消耗与经济发展和提高生活质量之间的关联性。要做到这一点，技术设计以及企业通过技术创造价值的方式都必须实现深刻转变。例如，转变服务模式（其中出售的是产品的用途，而非产品本身）以更多地使用现有存货。事实证明，要大规模地将产品转化为服务极具挑战，其对环境的净影响也未可知，在使用消耗品时可能需要权衡。

还有一些专注于材料的变革策略。如钢铁和混凝土生产规模巨大，这意味着任何提高材料的环境可持续性的策略都必须涉及这些行业的转变。

钢铁生产模式的转变可能包括采用性价比高的电解方式，并利用基于可再生能源的电力将氧化铁还原成金属。得益于熔融电化学领域取得的进展，钢铁已经可以直接由氧化物原料进行生产。这些方法还可用于生产铜等其他金属。

要显著改善混凝土对环境造成的影响，需要将大量的碳封存或开发出水泥黏结剂的替代品。在这种情况下，根据混凝土是否为钢筋混凝土，可供替换的原材料数量是否能满足需求，可行性策略将会有所不同。

材料的环境生命周期

聚合物没有金属那么重，但它们在废物流中所占的体积分数极大，并呈现出指数级增长态势，而且可以长期留存在周围环境中。因此我们必须通过材料创新，开发出能够有效分离、进行化学回收和热固性后处理且能够提高生物可降解性的单体。

将材料影响降至最低的5种手段

即使出现易驾驭、有益于环境的革命性商业模式或技术，对它们进行推广也需时日。因此，必须立即采取行动，找到更多的策略。我们为科学家和工程师提供了5种手段以最大限度地减少影响：延长使用寿命、非物质化、提高生产效率、替代和回收（参见“材料的环境生命周期”图）。

延长使用寿命可以通过延长使用寿命来降低需求，提高现有产品的耐久性、可持续性和利用率。微量污染物或缺陷会导致材料质量下降，从而降低使用寿命和回收潜力。研究人员应该在非理想化条件下测试新材料和新设备，并加快测试工作的速度。商业模式创新也应当发挥作用，以抵消计划报废带来的后果。

非物质化有效的产品设计有助于更好地利用特定材料实现某一特定功能。材料工程成功促成非物质化的例子包括固态晶体管、较高传输能量线和合金设计。通过采用更高效的零部件设计，使用能够减小每个零部件材料密度的高强钢、铝和复合材料等替代材料，车辆轻量化成为可能，这一策略还可节省燃料。强度和延展性通常相互矛盾，但合金使材料可以向更高强度和更高延展性的方向发展，还可以节约大量成本。

提高生产效率生产效率往往与成本降低相关。在铸造、成形和装配等生产工序中，分别有25%和40%的钢和铝作为废料丢弃。即便是碳纳米管等功能性特种材料，也存在巨大的制造损失，有很多种方法可以简化纳米材料的合成工艺。

替代其中一种策略是使用对环境影响较小的材料的替代品（完全或部分取代）。长期以来，科学界在开发材料替代品方面发挥着重要作用，但其目的通常是提高性能或减少使用有毒或难以采购的材料，而不是减少环境影响。通过扩充有关材料和能源投入的实验室数据，再加上行业手册，一些前景看好的基本方法可用来预测新型材料的生命周期和进行风险评估。

回收由于非初级材料在制造过程中所需能源通常较少，因此另一种策略是提高回收率。保持价值的能力以及由此带来的影响因材料而异。长期以来，由于产品复杂性不断提高、生命周期缩短、制造商不予重视以及社会规范的限制，部件的重复使用率呈下降趋势。另外，当产品由单一材料制成并且具有价值时，从产品中回收材料较为容易；然而，今天使用的许多产品均由混合材料制成，低价值混合材料的回收成本变得昂贵，且需消耗大量能源。

现代移动电话的电路板包含元素周期表中的60多种元素

当前的材料系统效率低下。可持续发展战略的目标是从使用中的材料获取更多的价值，同时尽量减少整个过程中的开采量和废物流。干预措施必须结合具体情况进行评价，因为某一阶段得到改进可能会导致其他阶段的负担增加。科学界需要进行权衡，以避免出现意外的后果——我们从某个方面改进了材料系统或生命周期，却会对其他方面造成损害。例如，虽然在非物质化方面赢得了重大契机，但材料效率的提高通常伴随着更高的要求或功能。例如，汽车的尺寸更大、配饰更多，足以抵消节省燃料带来的优势。

向技术界收费

上述策略并不新鲜，我们在整个生命周期和不同的材料中都可以找到成功的个案。当下的可持续性挑战在于科学家和工程师必须接受这种复杂性，预料到可能出现的权衡问题，量化多个性能目标，并在最初的研究和开发中估计规模化的影响。

回收的技术无法与材料开发的复杂性及其规模的增长速度保持同步。这种复杂性体现在移动电话电路板中的元素数量：20世纪80年代，这一数字为11；而现在元素已达60多种。在这些成分中，许多在使用寿命终结时就跟着消失殆尽，不仅包括材料，还包括在制造过程中赋予的附加值。为了克服这一问题，在合金设计中应考虑回收时的相容性，基于预测仿真的过程建模可以帮助设计出能够尽可能将材料回收的提炼设施。

治理和参与已经变得越来越重要，上面提到的大多数策略都需要支持技术过渡的政策。研究人员应该采用多个绩效目标对他们的技术进行评估，然后以决策者认可的方式传播他们的研究成果。我们应该告诉科学家和工程师如何进行评估、如何与利益相关者接洽，并为环境分析和基础研究提供激励。预计在2050年前投入使用的城市基础设施中，有超过60%的设施还未建成，而在未来数十年中，城市人口将翻一番，因此现在仍有机会塑造人类的未来。

资料来源 Science