環(huán)境材料的概念、特點與評判依據(jù)初探

■文 / 楊偉楠 王書墨

一、環(huán)境材料的產(chǎn)生背景

全球性的生態(tài)環(huán)境惡化和資源枯竭問題，是21世紀(jì)人類生存和發(fā)展所面臨的重大危機(jī)，已成為國際社會普遍關(guān)注的焦點之一。材料是人類社會進(jìn)步的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及物質(zhì)文化生活水平的提高有著舉足輕重的作用。然而，材料在合成、制備、生產(chǎn)、加工、使用和廢棄的過程中，常常需要消耗大量的資源和能源，并排放出廢氣、廢水和廢渣等污染物，給人類生存環(huán)境造成直接污染和破壞。統(tǒng)計表明，材料及其制品的制造、使用和廢棄過程是造成能源短缺、資源消耗過度以及環(huán)境污染的主要原因之一。

自1992年里約熱內(nèi)盧聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會制定《21世紀(jì)議程》以來，可持續(xù)發(fā)展思想和觀念已在全世界得到廣泛的普及和實施，努力實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國人民共同追求的目標(biāo)。發(fā)展是人類永恒的主題，而如何解決發(fā)展進(jìn)程中的資源、能源與環(huán)境問題，則是人類生存的重要前提。為了應(yīng)對生態(tài)環(huán)境以及資源、能源危機(jī)，人類提出了發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、倡導(dǎo)節(jié)能減排、調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)、開發(fā)清潔能源和可再生能源等對策，致力于提高全社會的資源和能源效率，建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。循環(huán)經(jīng)濟(jì)運用生態(tài)學(xué)規(guī)律指導(dǎo)人類社會的經(jīng)濟(jì)活動，以資源的高效、循環(huán)利用為核心，本著“減量化、再利用、可循環(huán)”的原則，是一種低消耗、低排放、高效率的社會生產(chǎn)和再生產(chǎn)范式，其實質(zhì)就是以盡可能少的資源消耗和盡可能小的環(huán)境代價，實現(xiàn)最大的發(fā)展效益。循環(huán)經(jīng)濟(jì)融合資源綜合利用、清潔生產(chǎn)、生態(tài)設(shè)計和可持續(xù)發(fā)展為一體，強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)體系與自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧共生。

在現(xiàn)代社會，人類既期望獲得性能好、功能多的各種材料，又迫切期望獲得良好的自然環(huán)境，提高生存和生活質(zhì)量，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。這就要求人類從生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，重新認(rèn)識和評價過去的材料研究、開發(fā)、使用和回收等活動。

二、環(huán)境材料概念的起源與含義

1992年，日本東京大學(xué)的山本良一教授在研究現(xiàn)有材料與生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系時首次提出了環(huán)境材料（Ecomaterials）的概念。在日本未來技術(shù)學(xué)會主辦的“環(huán)境與材料研討會”上，科學(xué)家們對環(huán)境材料作出了3種解釋：Environmentally Conscious Materials（具有環(huán)境意識的材料）；Ecological Materials（生態(tài)材料）；Economical Materials（經(jīng)濟(jì)材料）。最后，大家認(rèn)為Environmentally Conscious Materials比較恰當(dāng)，并將其簡寫為Ecomaterials，這就是Ecomaterials概念的最初來源。Ecomaterials 源于日本，由于國內(nèi)學(xué)者對該詞的理解不同，出現(xiàn)了各種各樣的譯法。有學(xué)者將其譯為環(huán)境材料、環(huán)境協(xié)調(diào)材料、環(huán)境意識材料，還有學(xué)者稱其為綠色材料或環(huán)保型材料。

一般說來，環(huán)境材料是指對資源和能源消耗少，對生態(tài)環(huán)境影響小，再生循環(huán)利用率高或可降解使用的新材料，但到目前為止，還沒有一個為廣大學(xué)者共同接受的關(guān)于環(huán)境材料的定義。最初，對環(huán)境材料常見的理解是指那些具有先進(jìn)的使用性能，其材料和技術(shù)本身有較好的環(huán)境協(xié)調(diào)性，同時不難滿足人們對于舒適性要求的新材料。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，環(huán)境材料也被認(rèn)為是賦予傳統(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，或者指那些直接具有凈化或修復(fù)環(huán)境等功能的材料。

1998年，中國科學(xué)技術(shù)部、國家863高技術(shù)新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會、國家自然科學(xué)基金委員會等單位聯(lián)合召開了一次生態(tài)環(huán)境材料研究戰(zhàn)略研討會，就環(huán)境材料的稱謂、定義進(jìn)行了詳細(xì)的討論。最后，各位與會專家建議將環(huán)境材料、環(huán)境友好型材料、環(huán)境兼容性材料等統(tǒng)一稱為“生態(tài)環(huán)境材料”，并給出了一個基本定義，即生態(tài)環(huán)境材料是指同時具有令人滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者能夠改善自然環(huán)境的材料。而所謂的“環(huán)境協(xié)調(diào)性”是指資源和能源消耗少，環(huán)境污染小和循環(huán)再利用率高。這一定義，實質(zhì)上包含了對環(huán)境材料概念的兩種不同解釋：其一是環(huán)境協(xié)調(diào)性材料，強(qiáng)調(diào)應(yīng)該具有先進(jìn)使用性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和舒適性；其二是環(huán)境工程材料，即可用于凈化和修復(fù)自然環(huán)境的功能材料。從外部效果來看,環(huán)境協(xié)調(diào)性材料和環(huán)境工程材料都服務(wù)于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),但二者在內(nèi)部邏輯上卻沒有必然聯(lián)系。環(huán)境工程材料研究的出發(fā)點是現(xiàn)存的特定環(huán)境問題，需要相關(guān)材料本身具有特定功能，其研究方法仍屬傳統(tǒng)材料研究的范疇，并沒有帶來新的具有共性的材料科學(xué)問題；而環(huán)境協(xié)調(diào)性材料的基本出發(fā)點則在于，所有材料的生命周期都會對自然環(huán)境造成影響，因此也都存在著改善的可能性和必要性。由此可見，環(huán)境協(xié)調(diào)性材料的研究對象可以是任何材料，即便是環(huán)境工程材料在其自身生命周期中也會出現(xiàn)環(huán)境協(xié)調(diào)性的問題，也必然包括對相關(guān)材料所造成的環(huán)境影響的分析，而這正是對傳統(tǒng)材料科學(xué)內(nèi)涵的擴(kuò)展。從工程角度來看，環(huán)境工程材料大都屬于末端治理技術(shù)范圍，而環(huán)境協(xié)調(diào)性材料則更貼近源削減技術(shù)方式，也就是全過程控制技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)。

正是由于以上區(qū)別，有學(xué)者主張環(huán)境協(xié)調(diào)性材料才是嚴(yán)格意義上的環(huán)境材料，是可以含括環(huán)境工程材料的廣義概念，而環(huán)境工程材料固然具有重要作用，但其并不能代表環(huán)境材料概念中的創(chuàng)新內(nèi)涵。

三、環(huán)境材料的特點

綜觀學(xué)界目前關(guān)于環(huán)境材料特點的討論，基本可以達(dá)成的共識有三點：其一，先進(jìn)性。在開發(fā)新材料時，必須考慮到其優(yōu)異的使用性能，能為人類開拓更為廣闊的活動范圍；其二，舒適性。即材料須具有較好的感官性質(zhì)，使人類感覺舒服、樂于采用；其三，環(huán)境協(xié)調(diào)性。所謂與環(huán)境具有良好的協(xié)調(diào)性主要表現(xiàn)在以下兩個方面：第一，材料具有較低的環(huán)境負(fù)荷值；第二，材料具有較高的可循環(huán)再生率。如果根本不考慮一種材料本應(yīng)具有的功能和使用性能,而是僅要求它具有環(huán)境協(xié)調(diào)性，那么就會陷入舍本逐末，這樣的材料對人類而言不會有太大的存在意義和價值。而如果人們繼續(xù)像以往一樣，只關(guān)注材料的使用功能、有用性和經(jīng)濟(jì)性，完全不顧及其與自然環(huán)境之間的協(xié)調(diào)，則人類所面臨的生態(tài)環(huán)境和資源、能源危機(jī)將永遠(yuǎn)無法得到改善和解決。因此必須考慮材料全過程壽命的完整性，從原材料的獲取、生產(chǎn)、加工、使用、再生到廢棄，整個過程都要顧及與自然環(huán)境之間的和諧關(guān)系。

環(huán)境材料的概念既滿足人類對材料的基本要求，同時也表達(dá)出人類對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注和重視。據(jù)此，環(huán)境材料的本質(zhì)特征在于其整個壽命過程具有低的環(huán)境負(fù)荷值，換言之，環(huán)境協(xié)調(diào)性才是環(huán)境材料的核心特征。

四、環(huán)境材料的評判依據(jù)

環(huán)境材料與傳統(tǒng)材料相比，在內(nèi)涵、研究重點、評價原則和方法等方面都存在不同之處。傳統(tǒng)的材料科學(xué)與工程側(cè)重于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝、性能與用途的開發(fā)、應(yīng)用，而環(huán)境材料科學(xué)與工程更多地關(guān)注材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝、性能、用途與自然環(huán)境之間協(xié)調(diào)性的開發(fā)與應(yīng)用。傳統(tǒng)材料研究的主要目的在于追求材料的高性能、多功能、高附加值，有的甚至不惜以資源、能源的高消耗為代價，不顧人類賴以生存的自然環(huán)境；而環(huán)境材料研究則將重點更多地放在探索材料對生態(tài)環(huán)境的作用以及生態(tài)環(huán)境對該作用的反應(yīng)之上，力求找到材料的性能與其環(huán)境負(fù)荷之間的平衡點，以開發(fā)性能良好、功能健全、環(huán)境負(fù)荷小且再循環(huán)利用率高的材料。

從方法論角度看，環(huán)境材料強(qiáng)調(diào)在傳統(tǒng)材料研究中應(yīng)用生態(tài)設(shè)計原則，充分考慮環(huán)境分析的結(jié)果。由此可以說，是否進(jìn)行了充分的環(huán)境分析，才是環(huán)境材料研究與傳統(tǒng)材料研究的最大區(qū)別，也是所有環(huán)境材料研究應(yīng)該具有的共同特征。

就材料的具體評價方法而言，傳統(tǒng)材料的判據(jù)僅由質(zhì)量判據(jù)、經(jīng)濟(jì)判據(jù)和時間判據(jù)構(gòu)成，其優(yōu)劣判定乃是采用功能性、經(jīng)濟(jì)性這種傳統(tǒng)的二維指標(biāo)；而環(huán)境材料的判據(jù)則在傳統(tǒng)材料判據(jù)的基礎(chǔ)上增添了能源判據(jù)、資源判據(jù)以及環(huán)境判據(jù)，其優(yōu)劣判定依據(jù)乃是新的三維指標(biāo)，即功能性、經(jīng)濟(jì)型和環(huán)境協(xié)調(diào)性。就技術(shù)手段的性質(zhì)而言，如何評判和區(qū)分環(huán)境材料與非環(huán)境材料，其基本的依據(jù)有兩種，即定性判據(jù)和定量判據(jù)。

（一）環(huán)境材料的定性判據(jù)

環(huán)境材料的定性判據(jù)主要是從環(huán)境意識出發(fā)，強(qiáng)調(diào)在材料的整個生命周期過程中，資源和能源的消耗量少、對生態(tài)環(huán)境的影響小、再生循環(huán)率高、易于降解等。Halada和Yamamoto將材料的生命周期分為制造、使用、廢棄和回收四個階段，并針對每個階段歸納出一個作為判據(jù)的生態(tài)設(shè)計原則，如在使用階段提高材料的性能，在廢棄階段避免有毒有害物質(zhì)，在回收階段提高材料的可回收性等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)的生態(tài)設(shè)計原則對材料的實例進(jìn)行歸類分析，這就是生態(tài)設(shè)計。生態(tài)設(shè)計（Ecodesign）通常也被稱為環(huán)境設(shè)計（Design for Environment)，是指從環(huán)境意識出發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計思想和方法，在具體實踐中則發(fā)展出了許多定性的產(chǎn)品設(shè)計原則。一般說來，詳細(xì)的生態(tài)設(shè)計原則主要是從大量的材料研究實例中分類歸納得到的。

在材料的整個生命周期中，材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性與其所提供的功能或服務(wù)是正相關(guān)的，與其所消耗的資源和能源、排放的污染物則是負(fù)相關(guān)的。據(jù)此，也可以將材料的生態(tài)設(shè)計基本原則分為3類，即減少資源能源消耗、減少污染排放和提高材料使用價值。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步歸納出若干小類的設(shè)計原則。

將生態(tài)設(shè)計原則作為環(huán)境材料的定性判據(jù)使用，這是非常普遍的做法。但總的來說，定性判據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性都不是很高，容易引起爭議，往往并不足以為環(huán)境材料的判定提供可信的依據(jù)，其更主要的作用應(yīng)該是在研究過程中提供啟發(fā)和指南。

（二）環(huán)境材料的定量判據(jù)

針對材料的環(huán)境影響，可以進(jìn)行系統(tǒng)化、定量化的分析和評價，常用的方法有兩種，即生命周期評價（LCA，Life Cycle Assessment）和物質(zhì)流分析（MFA，Material Flow Analysis）。環(huán)境材料概念在其產(chǎn)生之初就已包含生命周期思想，即必須考慮材料在整個生命周期過程中對自然環(huán)境的影響，而LCA正是進(jìn)行這種分析的首選方法。簡單地講，LCA和MFA是兩種定量分析工業(yè)系統(tǒng)與環(huán)境之間物質(zhì)和能量交換的統(tǒng)計方法，兩種方法的統(tǒng)計口徑不同，在分析材料對自然環(huán)境的影響時有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。LCA方法沿著材料的生命周期，統(tǒng)計各階段所有的資源、能源輸入和廢棄物排放數(shù)據(jù)，因而可以較為準(zhǔn)確地描述單位數(shù)量的材料所造成的環(huán)境影響，并有助于系統(tǒng)化地尋找改進(jìn)材料環(huán)境表現(xiàn)的途徑。而MFA則是統(tǒng)計某個區(qū)域在某個時間段內(nèi)一種材料流入和流出的各種渠道與數(shù)量，因而可以描述材料流的來龍去脈以及發(fā)生的規(guī)模。如果統(tǒng)計的對象是一種原材料，通?？捎糜谫Y源問題分析；如果統(tǒng)計的是一種污染物質(zhì)，則可用于污染問題分析。

當(dāng)然，材料對自然環(huán)境的影響具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，再加上數(shù)據(jù)的可獲得性、可靠性以及其中摻雜的人為因素等，使得建立一個客觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)往往十分困難。

結(jié)語

環(huán)境材料是新材料的一個重要分支，跨材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及生態(tài)科學(xué)等學(xué)科，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展方面具有非常重要的作用。在生態(tài)文明時代，環(huán)境材料代表著科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，如果能夠在生產(chǎn)和生活中大量推廣該類材料，將不僅有助于提高資源和能源的利用效率，而且有助于切實保護(hù)和改善人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境。