環(huán)境友好材料的研究進(jìn)展

李愛菊，陳紅雨

（華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510006）

環(huán)境友好材料的研究進(jìn)展

李愛菊，陳紅雨

（華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510006）

環(huán)境友好材料是近年來在先進(jìn)材料研究中提出的一個新的研究領(lǐng)域.本文介紹了環(huán)境友好材料的概念和分類，綜述了環(huán)境友好材料的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，分析了環(huán)境友好材料生態(tài)設(shè)計的策略和過程，總結(jié)概括了環(huán)境友好材料的現(xiàn)實意義，指出環(huán)境友好材料的研究和開發(fā)必將推動人類社會可持續(xù)發(fā)展.

環(huán)境友好材料；生命周期；生態(tài)設(shè)計

材料是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類文明的里程碑.正是材料的使用、發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，才使人類在與自然界的斗爭中，走出了混沌蒙昧的時代，發(fā)展到科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天.可以說，我們的現(xiàn)代文明就是一個大量地生產(chǎn)和使用材料、能源的過程.然而，在這一過程中，人們過多地追求了材料的使用性能，而對材料的生產(chǎn)、使用和廢棄過程中需要消耗大量的資源和能源卻沒有節(jié)制，其結(jié)果必然是給環(huán)境帶來的壓力越來越大，對環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重.各種統(tǒng)計數(shù)字已經(jīng)表明，傳統(tǒng)材料及其制品的制造、使用和廢棄過程是造成當(dāng)今世界能源短缺、資源過度消耗和枯竭以及環(huán)境污染的主要原因之一.隨著人類文明進(jìn)程的不斷發(fā)展和“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的提出，客觀現(xiàn)實要求人類從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，重新認(rèn)識和評價人類過去在材料研究、材料開發(fā)、材料使用和材料回收等方面的行為，綠色設(shè)計和綠色制造成為人們關(guān)注的話題.

1 環(huán)境友好材料的概念

環(huán)境友好材料也稱生態(tài)環(huán)境材料，簡稱環(huán)境材料，是1990年10月在一次關(guān)于材料服務(wù)于人類生活、行為的未來狀況與環(huán)境關(guān)系的討論會上，由日本材料科學(xué)家和工程師提出來的.目前，對于環(huán)境材料的概念國際上仍沒有統(tǒng)一的說法，不過經(jīng)過近20年的研究，材料工作者較為普遍接受的觀點認(rèn)為，環(huán)境友好材料是指在材料的整個壽命周期中，同時具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者能夠改善環(huán)境的材料［1］.環(huán)境友好材料是從原材料采集、加工、使用或者再生循環(huán)利用以及廢料處理等環(huán)節(jié)乃至廢棄的整個生命周期中，資源和能源消耗最少、對生態(tài)環(huán)境影響最小、再生循環(huán)利用最高或可分解、安全處理的具有優(yōu)異使用性能的材料.簡言之，它是指在加工、使用和再生過程中具有最大使用功能及最低環(huán)境負(fù)荷的環(huán)境友好型材料.環(huán)境友好材料對減少材料生產(chǎn)和使用過程中的廢棄物排放量、減少資源和能源的浪費、保護(hù)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用，也是實現(xiàn)材料可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑.圖1顯示了環(huán)境友好材料的生命周期特征［2］.

圖1 環(huán)境友好材料生命周期特征

環(huán)境友好材料實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，它是由材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下，或開發(fā)新型材料，或改進(jìn)、改造傳統(tǒng)材料所獲得的.它一般具有以下特征：先進(jìn)的功能性、良好的工藝性、合理的經(jīng)濟(jì)性、協(xié)調(diào)的環(huán)境性和舒適性.

2 環(huán)境友好材料的分類及研究現(xiàn)狀

按不同的標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境友好材料有不同的分類方式.按照材料的用途來分，環(huán)境友好材料一般可分為綠色能源材料、綠色建筑材料、綠色包裝材料、生物功能材料、環(huán)境工程材料5大類.

2.1 綠色能源材料

綠色能源是相對于常規(guī)能源的能源形式.常規(guī)能源主要是指煤炭、石油、天然氣.綠色能源是指潔凈的能源，主要包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、水能、核能等可再生能?綠色能源材料是指實現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)換、儲存和利用以及發(fā)展綠色能源技術(shù)中所要用到的關(guān)鍵材料，它是發(fā)展綠色能源的核心和基礎(chǔ).綠色能源材料主要包括直接或間接產(chǎn)生能源或改變能源狀態(tài)的各種材料.如太陽能電池材料、熱電材料、生物質(zhì)能源材料、相變蓄熱材料、儲氫材料等.

太陽能是取之不盡用之不竭的潔凈可再生能源，得到世界各國高度重視.太陽能電池材料與生產(chǎn)工藝得到巨大發(fā)展.從1995年以來，太陽能電池以年增長30%的幅度高速發(fā)展.目前，除了單晶硅電池和多晶澆鑄硅電池外，以非晶硅、碲化鎘和銅銦硒為代表的薄膜太陽能電池也進(jìn)入市場.太陽能電池的半導(dǎo)體材料的性能和實用情況列于表1.

表1 制作太陽能電池的半導(dǎo)體材料

生物質(zhì)能是利用植物的光合作用固定地球上的太陽能，最有可能成為21世紀(jì)主要的新能源之一.據(jù)估計，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的l%.事實上，生物質(zhì)能源是人類利用最早、最多和最直接的能源，至今，世界上仍有15億以上的人口以生物質(zhì)能作為生活能源.生物質(zhì)能源將成為未來持續(xù)能源的重要部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源.

許多國家都制定了生物質(zhì)能源的開發(fā)研究計劃.如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農(nóng)場和巴西的酒精能源計劃等.美國、英國、意大利等發(fā)達(dá)國家將沼氣技術(shù)主要用于處理垃圾，美國紐約斯塔藤垃圾處理站投資2000萬美元，采用濕法處理垃圾，日產(chǎn)26萬m3沼氣，用于發(fā)電、回收肥料，效益可觀，預(yù)計10年可收回全部投資.英國以垃圾為原料實現(xiàn)沼氣發(fā)電18 MW，今后10年內(nèi)還將投資1.5億英鎊，建造更多的垃圾沼氣發(fā)電廠.瑞典能源中心取得世界銀行貸款，計劃在巴西建一座裝機(jī)容量為20～30 MW的發(fā)電廠，利用生物質(zhì)熱裂解氣化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)處理當(dāng)?shù)刎S富的蔗渣資源.

生物質(zhì)液體燃料，包括乙醇、植物油等，可以作為清潔燃料直接代替汽油等石油燃料.巴西是乙醇燃料開發(fā)應(yīng)用最有特色的國家，20世紀(jì)70年代中期，為了擺脫對進(jìn)口石油的過度依賴，實施了世界上規(guī)模最大的乙醇開發(fā)計劃，到1991年，乙醇產(chǎn)量達(dá)到130億升，在980萬輛汽車中，近400萬輛為純乙醇汽車，其余大部分燃用20%的乙醇－汽油混合燃料，也就是說乙醇燃料已占汽車燃料消費量的50%以上.1996年，美國可再生資源實驗室已研究開發(fā)出利用纖維素廢料生產(chǎn)酒精的技術(shù)，由美國哈斯科爾工業(yè)集團(tuán)公司建立的1 MW稻殼發(fā)電示范工程，年處理稻殼12000 t，年發(fā)電量8×106 k W·h，年產(chǎn)酒精2500 t，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.

2.2 綠色建筑材料

綠色建筑材料是指采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，不用或少用天然資源和能源，大量使用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城市固態(tài)廢棄物生產(chǎn)的無毒害、無污染、無放射性，達(dá)到使用周期后可回收利用，有利于環(huán)境保護(hù)和人體健康的建筑材料.與傳統(tǒng)建材相比，綠色建材具有五個基本特征［4］：第一，生產(chǎn)所用原料盡可能少用天然資源，大量使用尾礦、廢液等廢棄物；第二，采用低能耗制造工藝和不污染環(huán)境的生產(chǎn)技術(shù)；第三，在產(chǎn)品配制或生產(chǎn)過程中，不使用甲醛、鹵化物溶劑或芳香族碳?xì)浠衔?，產(chǎn)品中不含汞及其化合物，不用鉛、鎘、鉻及其化合物的顏料和添加劑；第四，產(chǎn)品的設(shè)計是以改善生產(chǎn)環(huán)境、提高生活質(zhì)量為宗旨，即產(chǎn)品不僅不損害人體健康，還應(yīng)有益于人體健康，具有多功能化，如抗菌、滅菌、防霉、除臭、隔熱、阻燃、防火、調(diào)溫、調(diào)濕、消磁、防射線、抗靜電等；第五，產(chǎn)品可循環(huán)或回收利用，無污染環(huán)境的廢棄物.

20世紀(jì)90年代以來，我國已成為世界上最大的建筑材料生產(chǎn)與消費國.建材工業(yè)不但滿足了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城鎮(zhèn)和住房產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，而且為我國社會財富積累做出了巨大貢獻(xiàn)，但是由于市場需求與投資拉動的數(shù)量增長，造成建材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重不合理.整體而言，粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式尚未根本轉(zhuǎn)變.當(dāng)務(wù)之急，必須解決消耗建材資源90%、能源85%以及落后生產(chǎn)力占60%的兩大材料——墻體材料和水泥生產(chǎn)技術(shù)的綠色化.工業(yè)廢渣、尾礦、垃圾和農(nóng)業(yè)廢棄物等固體廢料制備建材的循環(huán)利用已經(jīng)普及推廣.回收利用城市固體廢棄物以生產(chǎn)新型建材，是消除污染、使大量工業(yè)廢渣和回收的建筑材料資源化的主要方法之一，可以緩解我國城市環(huán)境負(fù)荷的壓力，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.我國生產(chǎn)的粉煤灰水泥的性能參數(shù)列于表2.

表2 粉煤灰摻入量對水泥強(qiáng)度的影響

2.3 綠色包裝材料

綠色包裝材料具有節(jié)省資源和不污染環(huán)境兩個方面的含義，是指在生產(chǎn)、使用、報廢及回收處理再利用過程中，能節(jié)約資源和能源，廢棄后能夠迅速自然降解或再利用，不會破壞生態(tài)平衡，而且來源廣泛、耗能低，易回收且再生循環(huán)利用率高的材料或材料制品.作為包裝材料，無論是綠色包裝材料還是非綠色包裝材料，它們在應(yīng)具備的性能方面大部分是共性的基本性能，但作為綠色包裝所具備的獨特性能是對人體健康及生態(tài)環(huán)境均無害，即可以回收再利用，又可以自然風(fēng)化回歸自然.

天然生物包裝材料如木材、竹編材料、木屑、麻類棉織品、柳條、蘆葦以及農(nóng)作物莖稈、稻草、麥秸等，因它們具有在自然環(huán)境中極易分解、不污染生態(tài)環(huán)境、資源可再生、成本低等優(yōu)點，深受人們的喜愛.聚乳酸包裝材料現(xiàn)已成為世界范圍的研究開發(fā)熱點［5］，它是由眾多乳酸分子聚合成的一種可生物降解的新型高分子材料，可被徹底分解成水和二氧化碳（圖2），對環(huán)境無任何危害.德國一公司采用聚乳酸作原料成功開發(fā)出能快速自然分解的綠色食品杯，為解決以往一次性塑料包裝物降解的難題，開辟了一條實用化的新路子.

2.4 生物功能材料

生物功能材料的發(fā)展可分為兩個方面，即功能生物材料和仿生功能材料.生物功能材料的發(fā)展一方面依賴于人們對生命現(xiàn)象或生命組織的物理、化學(xué)、生物特性的深入研究，另一方面又有助于人們搞清生存與環(huán)境的關(guān)系.同時生物功能材料在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)以及國防建設(shè)等方面的應(yīng)用又會改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式（生物化工）.對高科技產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都將起到很大的促進(jìn)作用.

2.5 環(huán)境工程材料

環(huán)境工程材料主要包括對廢棄物污染控制和處理的環(huán)境凈化材料、對已經(jīng)被破壞的環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化治理的環(huán)境修復(fù)材料以及替代有毒有害材料的環(huán)境替代材料等［6］.在環(huán)境友好材料概念指導(dǎo)下的環(huán)境污染控制材料不僅要具有環(huán)境治理功能，更強(qiáng)調(diào)其本身與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，材料科學(xué)工作者在研究具有凈化環(huán)境、防止污染、替代有害物質(zhì)、減少廢棄物、利用自然能、材料的再生循環(huán)及固體廢棄物的資源化等方面做了大量的工作，并取得了重要的進(jìn)展.如納米環(huán)境凈化材料、化學(xué)固沙環(huán)境修復(fù)材料等.

納米環(huán)境凈化材料在環(huán)境治理和防護(hù)中有廣闊的應(yīng)用前景，因其具有較小的顆粒尺寸，而且納米微粒表面形態(tài)隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凹凸不平的原子臺階，從而提高了反應(yīng)速度，增加反應(yīng)率，使反應(yīng)具有良好的選擇性，而且可以大大降低反應(yīng)溫度.用納米La2O3和CeO2作為汽車尾氣凈化劑涂層的添加劑，其催化活性大大提高，50%的CO轉(zhuǎn)化時溫度降低了近40℃.無機(jī)梯度納米陶瓷膜，可濾除水中的大腸桿菌、沙門氏菌、金葡萄球菌等致病菌和各種懸浮物，保留水中的礦物質(zhì)及微量元素，出水可直接飲用.還可制成滲水缸，無須水壓即可得無菌水.納米TiO2能處理80余種有毒污染物，不但可以將水中易降解的烴類、鹵代烴、表面活性劑等很快完全氧化成水與二氧化碳等無害物質(zhì)，而且可以在常溫下將工業(yè)廢液和被污染的地下水中難以降解的多氯聯(lián)苯類分解為水與二氧化碳，消除了對環(huán)境的污染.

3 環(huán)境友好材料的設(shè)計

環(huán)境友好材料的生產(chǎn)加工過程實質(zhì)上就是一個生態(tài)設(shè)計的過程.生態(tài)設(shè)計不同于傳統(tǒng)設(shè)計，生態(tài)設(shè)計包含產(chǎn)品從概念形成到生產(chǎn)制造、使用乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個階段，即涉及產(chǎn)品的整個生命周期，是從“搖籃到墳?zāi)埂钡倪^程.也就是說，要從根本上防止污染，節(jié)約資源和能源，不能等產(chǎn)品產(chǎn)生了不良的環(huán)境后果再采取防治措施（現(xiàn)行的末端處理即是如此），要預(yù)先設(shè)法防止產(chǎn)品及工藝對環(huán)境產(chǎn)生的副作用.概括起來，可以給生態(tài)設(shè)計下這樣一個定義：生態(tài)設(shè)計是這樣一種設(shè)計，即在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性（自然資源的利用、環(huán)境影響及可拆卸性、可回收性、可重復(fù)利用性等），并將其作為設(shè)計目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)要求的同時，并行地考慮并保證產(chǎn)品應(yīng)有的基本功能、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量等.

3.1 設(shè)計策略

在綜合考慮產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期的基礎(chǔ)上，可以概括出以下七種生態(tài)設(shè)計策略：

策略一：選擇環(huán)境影響低的材料：清潔的材料、可更新的材料、含能量較低的材料、可再循環(huán)利用的材料；

策略二：減少材料的使用：節(jié)約寶貴的資源和能源；

策略三：生產(chǎn)技術(shù)的最優(yōu)化：要求通過清潔生產(chǎn)的實施來進(jìn)行生產(chǎn)過程改進(jìn)；并要求整個供應(yīng)鏈的參與；

策略四：營銷系統(tǒng)的優(yōu)化：這往往與包裝、運輸和后勤系統(tǒng)有關(guān)；

圖3 生態(tài)設(shè)計策略與產(chǎn)品生命周期的關(guān)系

策略五：減小消費過程的環(huán)境影響：盡可能減少產(chǎn)品在使用過程中可能造成的環(huán)境影響；

策略六：產(chǎn)品生命周期的延長：這是生態(tài)設(shè)計策略中最重要的一個內(nèi)容，因為通過產(chǎn)品生命周期的延長，可以使用戶推遲購買新產(chǎn)品，避免產(chǎn)品過早地進(jìn)入處置階段，提高產(chǎn)品的利用效率，減緩資源枯竭的速度，符合可持續(xù)發(fā)展原則；

策略七：產(chǎn)品處置系統(tǒng)的優(yōu)化.

生態(tài)設(shè)計的七大策略貫穿于材料的整個生命周期過程，但在不同的生命周期階段側(cè)重點有所差別.生態(tài)設(shè)計策略與產(chǎn)品生命周期的關(guān)系如圖3所示.

3.2 生態(tài)設(shè)計過程

生態(tài)設(shè)計的實施是系統(tǒng)化和整體化的統(tǒng)一.它需要考慮從原材料選擇、設(shè)計、生產(chǎn)、營銷、售后服務(wù)到最終處置的全過程.主要包括5個步驟：

過程1：成立合適的項目組：總工程師直接負(fù)責(zé)，成員由技術(shù)人員、環(huán)境管理辦公室人員、采購人員和營銷人員組成；

過程2：選擇確定進(jìn)行生態(tài)設(shè)計的產(chǎn)品

過程3：選擇合適的生態(tài)策略：根據(jù)產(chǎn)品的不同，選擇的具體生態(tài)設(shè)計措施也各不相同.

過程4：生態(tài)設(shè)計項目評估：從產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程出發(fā)，對產(chǎn)品的整個生命周期過程中的環(huán)境影響的清單進(jìn)行分析；對其環(huán)境影響進(jìn)行評估，通過對產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計前后風(fēng)險與收益的分析，得出產(chǎn)品實施生態(tài)設(shè)計后的結(jié)論.

過程5：生態(tài)設(shè)計的擴(kuò)展：一個真正具有進(jìn)取心的對社會負(fù)責(zé)的企業(yè)應(yīng)該把生態(tài)設(shè)計策略的實施作為公司長遠(yuǎn)發(fā)展的基本策略，并應(yīng)把生態(tài)設(shè)計的實施擴(kuò)展到公司的所有產(chǎn)品范圍.

4 環(huán)境友好材料的研究意義

4.1 環(huán)境意義

從環(huán)境友好材料的定義可知，這類材料的應(yīng)用從源頭就間接減少了對自然資源的消耗和對環(huán)境的破壞，在末端直接減少垃圾和處理垃圾的能耗，并大大拓寬了廢舊材料、循環(huán)材料等利用的方式和領(lǐng)域，將一些原先不能被有效利用的材料納入到再利用的范疇，使其對環(huán)境的負(fù)面影響減至最小.

4.2 經(jīng)濟(jì)意義

環(huán)境友好材料的應(yīng)用不僅符合社會發(fā)展的趨勢，更可為企業(yè)的發(fā)展帶來新的商機(jī).在這樣一個倡導(dǎo)節(jié)能、節(jié)約、循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的社會中，環(huán)境友好材料的再利用日益體現(xiàn)出其巨大的潛在價值.目前，世界上很多中小型企業(yè)都在這一領(lǐng)域進(jìn)行研制和開發(fā)，通過設(shè)計師的精心打造，從循環(huán)再生材料的獨特美學(xué)價值中獲得附加值，向市場推出富有創(chuàng)意的再利用產(chǎn)品，并獲得令人滿意的經(jīng)濟(jì)收益.我國目前正處于經(jīng)濟(jì)和社會的高速發(fā)展階段，資源與能源的消耗日益緊張，環(huán)境友好材料便成為材料及其產(chǎn)業(yè)在資源和環(huán)境問題制約下，實現(xiàn)我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇.

4.3 社會意義

當(dāng)今社會越來越多的人認(rèn)識到環(huán)境保護(hù)的意義所在，環(huán)境友好材料的應(yīng)用可以通過現(xiàn)實的作品感染大眾，啟發(fā)大眾.而且環(huán)境友好材料蘊(yùn)含著一種“資源再生文化”.在人們的傳統(tǒng)觀念中，垃圾是丑陋的，園林設(shè)計以獨特的方式將廢棄物中所包含的物能展現(xiàn)在世人面前，這其中包括審美形式的可能、經(jīng)濟(jì)性使用的潛能、以及可以重新認(rèn)識物質(zhì)功能的屬性.

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Research development of the environment－friendly materials

LI Ai－ju，CHEN Hong－yu
（School of Chemistry and Environment，South China Nomal University，Guangzhou 510006，China）

The environment－friendly materials are a research focus in the advanced materials field.In this paper，the conception and the category of environment－friendly materials were reviewed.the research situation and development were summarized.The strategies and process of eco－design were is analyzed，and the research significance of the eco－materials is discussed.It is pointed out that the research of eco－materials will certainly promote the sustainable development of human society.

environment－friendly materials；life cycle；eco－design

X2

A

1673－9981（2010）04－0372－07

2010－10－12

李愛菊（1975—），女，山東陵縣人，副教授，博士.