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重新思考化學(xué)以實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)
【塑料機(jī)械網(wǎng) 編輯視角】地球正在耗盡制造材料所需的資源，比如化學(xué)品、礦物和石油。因此，這些只能以增加經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本來獲得。作為對(duì)可持續(xù)未來的重要貢獻(xiàn)，化學(xué)及其產(chǎn)品需要適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)(CE)，該系統(tǒng)旨在消除浪費(fèi)，循環(huán)和回收產(chǎn)品，節(jié)約資源和環(huán)境。
銷售了近14萬種工業(yè)化學(xué)品，新化學(xué)品也變得越來越復(fù)雜(例如，立體化學(xué)，官能團(tuán))。化學(xué)和相關(guān)工業(yè)的產(chǎn)品包含元素和分子的混合物，這些產(chǎn)品及其成分隨處可見，包括廢品，土壤，水，空氣，植物，食品，動(dòng)物和人體。
● 塑造循環(huán)經(jīng)濟(jì) ●
在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，應(yīng)盡可能長(zhǎng)時(shí)間地使用產(chǎn)品，直到不能使用?，F(xiàn)代的循環(huán)思維包括產(chǎn)品的壽命適應(yīng)性、可重復(fù)使用性、易修理性和可回收性的設(shè)計(jì)——所有這些都是由可再生資源制成的。在中國(4個(gè))，美國(5個(gè))，歐盟(1個(gè))和其他國家中，循環(huán)經(jīng)濟(jì)方法的開發(fā)和實(shí)施得到了世界衛(wèi)生組織(WHO)和聯(lián)合國(UN)等組織的支持。這些努力將有助于應(yīng)對(duì)地球的資源和廢物挑戰(zhàn)，并為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。然而，更大的成功將來自于產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面的變化，由那些努力在原子和分子層面上破解化學(xué)產(chǎn)品及其基礎(chǔ)合成化學(xué)如何適合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)家們領(lǐng)導(dǎo)。這包括確定合適的原材料并將其修改為應(yīng)用程序所需的等級(jí)，結(jié)構(gòu)和功能。隨著今天的化學(xué)、材料和產(chǎn)品流動(dòng)的多樣化和相互聯(lián)系，制造商要了解什么可以，什么應(yīng)該循環(huán)利用什么可以和不應(yīng)該。
● 循環(huán)和回收的限制 ●
科學(xué)家預(yù)計(jì)，用于工業(yè)化學(xué)以及用于減少CO排放或增加數(shù)字化和(電動(dòng))移動(dòng)性或增強(qiáng)通信的產(chǎn)品和工藝的金屬需求將大大增加?？沙掷m(xù)的未來取決于從原始礦石或回收中獲取的高級(jí)金屬，包括普通(例如鋁和銅)和特種(貴金屬，稀土)金屬的可用性。
例如，銅對(duì)于許多產(chǎn)品都是*的，例如接線，風(fēng)力渦輪機(jī)，電動(dòng)機(jī)，信息技術(shù)，發(fā)電機(jī)，傳感器和電子設(shè)備。自20世紀(jì)初以來，銅產(chǎn)量增長(zhǎng)了3000%以上，預(yù)計(jì)到2021年將有60萬噸的市場(chǎng)缺口。新的銅礦經(jīng)常達(dá)不到期望的質(zhì)量；因此，升級(jí)需要更多的能源和資源。從深部礦山開采礦石會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境足跡，因?yàn)榇诉^程會(huì)產(chǎn)生更多廢物，動(dòng)員更多有毒元素(例如砷)，并且更有可能需要進(jìn)入土著人民的受保護(hù)土地，從而冒著社會(huì)動(dòng)蕩的危險(xiǎn)。
考慮到礦石的開采，研磨和提取的能源密集型過程，金屬回收可能是有利的。但是，許多材料需要特定等級(jí)的金屬和其他元素的混合物，并且每種材料都需要在回收過程中在原子和分子水平上進(jìn)行分離和純化。有些成分無法分離，并且由于耗散而無法再使用。
到2012年，人類開采了約5.6億噸銅(僅2010年就開采了1900萬噸)，其中約有一半仍在使用。但是另一半在哪里，研究人員可以從這種損失中學(xué)到什么呢？低回收率會(huì)導(dǎo)致一些不可挽回的損失。當(dāng)回收的材料只能與原始金屬混合才能達(dá)到期望的質(zhì)量(即高等級(jí)的鋼或鋁)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生其他損失。一些諸如金屬和聚合物等人造環(huán)境(“建筑世界”)中使用的產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品需求的增加，制造商將需要更多的原始資源，因?yàn)樵诳深A(yù)見的將來，CE不能完全滿足需求?？茖W(xué)家已經(jīng)開始利用大量累積的廢物，包括富含金屬的廢物(例如，來自電子和鋼鐵的廢物)。但是，伴隨這些廢物而來的還有其他不必要的廢物和對(duì)能源的額外需求。
與金屬不同，可以合成有機(jī)化合物。但是，它們的循環(huán)利用可能需要添加化學(xué)藥品，并且能源消耗大且昂貴。例如，塑料通常由一種或多種(共)聚合物以及幾種添加劑(例如增塑劑，阻燃劑，著色劑，紫外線穩(wěn)定劑和抗氧化劑)組成，這些添加劑通常很危險(xiǎn)并且很難在回收中分離。即使從塑料水瓶中回收純凈材料(例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)，過程中也會(huì)損失超過5%。通常，回收僅在原子或分子水平上是可能的(例如，塑料解聚或從電子材料中提取金屬和其他元素)，這導(dǎo)致產(chǎn)品的宏觀形式，分子結(jié)構(gòu)和所需性能喪失。在某些情況下，回收是不可能的。CE中則應(yīng)避免使用此類材料和產(chǎn)品。
將可再生生物資源用于有機(jī)分子歷史悠久，并且在工業(yè)化學(xué)中得到越來越多的實(shí)踐。例如，農(nóng)業(yè)工業(yè)或林業(yè)廢物產(chǎn)品很復(fù)雜，很難分離。因此，挑戰(zhàn)在于將廢物轉(zhuǎn)化為具有確定屬性和復(fù)雜程度的特定產(chǎn)品。使用過程中產(chǎn)品中不想要的化學(xué)物質(zhì)的積聚，自然老化，循環(huán)利用過程本身以及材料和產(chǎn)品的連接流，還會(huì)帶來其他復(fù)雜性。例如，機(jī)械回收(重塑)會(huì)導(dǎo)致污染和較低質(zhì)量的回收物，從而防止在同一應(yīng)用中重復(fù)使用。
實(shí)際上，回收不可避免地導(dǎo)致材料的降級(jí)以及可利用元素和能量的耗散性損失。當(dāng)今產(chǎn)品及其組件(在原子，分子，材料和構(gòu)件水平)擴(kuò)大了金屬和其他元素，污染物和能量的耗散。
在觀察到的熱和材料熵的增加中，這些損失顯而易見。盡管地球可以通過排放到太空將熱熵輸出到一定程度，但它無法擺脫由于材料混合和稀釋(包括降低其中元素的濃度)而產(chǎn)生的材料熵。這些不可克服的局限性(根據(jù)熱力學(xué)定律)須得被考慮并考慮到化學(xué)方面，包括冶金學(xué)，材料科學(xué)以及CE所必需的產(chǎn)品。
具有開放環(huán)境應(yīng)用的產(chǎn)品(例如農(nóng)藥，化妝品，殺生物劑和藥品)既不能循環(huán)使用也不能回收利用，因?yàn)閼?yīng)用時(shí)濃度低且分散度高，因此無法回收。對(duì)于液體廢物和廢水，即使進(jìn)行深度處理也不能很好地去除產(chǎn)品成分。此外，*幾乎有80%的廢水根本沒有得到處理。此外，環(huán)境廢物和污染物通常是新的，有時(shí)甚至更具毒性的分子的來源。因此，科學(xué)家定要為此類應(yīng)用設(shè)計(jì)新的分子和材料，以允許快速而完整的環(huán)境礦化，同時(shí)保持其所需的功能。
● 簡(jiǎn)化復(fù)雜性 ●
循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心是一系列化學(xué)基石，必須將其引入教育，立法和行業(yè)。當(dāng)今的大多數(shù)化學(xué)產(chǎn)品都是基于*資源合成的，并被制成復(fù)雜的物品，例如塑料。從這些分子中回收分子價(jià)值將需要在資金和能源上進(jìn)行大量投資。未來的產(chǎn)品必須限制其構(gòu)成資源的復(fù)雜程度，并且不得在回收中改變它們。
對(duì)于原始材料和回收材料，都需要使終端產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)單元(形式，組成，立體化學(xué)和官能團(tuán))與起始材料盡可能相似。這將有助于后續(xù)的回收利用，并減少下游化學(xué)過程和單元操作的數(shù)量，因?yàn)檫@些過程會(huì)導(dǎo)致廢物產(chǎn)生，熵增加以及包括能源在內(nèi)的資源消耗。如果需要更改材料和分子的形式和組成，則制造商應(yīng)致力于進(jìn)一步降低復(fù)雜性。終端產(chǎn)品的組成應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，盡量減少添加劑，避免有毒成分和難以分離的元素難以回收。
●將化學(xué)納入循環(huán)經(jīng)濟(jì) ●
● 將分子的復(fù)雜性降低到所需性能(包括壽命終止)所需限度的低值(復(fù)雜的分子需要更多的合成步驟，可能具有其他不良特性，并且可能更難以回收)。
● 設(shè)計(jì)可回收利用的產(chǎn)品，包括產(chǎn)品的所有添加劑和其他成分。
● 減少和簡(jiǎn)化物質(zhì)，材料和產(chǎn)品流的多樣性和動(dòng)態(tài)；例如，總體上使用更少的化學(xué)品(數(shù)量和數(shù)量)，設(shè)計(jì)以減少資源強(qiáng)度，并使產(chǎn)品的創(chuàng)新速度適應(yīng)回收的適應(yīng)速度。
● 避免使用復(fù)雜的產(chǎn)品(例如，多個(gè)組件，材料)。
● 盡量減少難以分離和回收的產(chǎn)品成分(例如，溶劑，金屬)的使用。
● 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不適合收集和回收，以在其使用壽命結(jié)束時(shí)完全快速礦化(例如，藥品，農(nóng)藥，個(gè)人護(hù)理和清潔產(chǎn)品)。
● 通過減少使用量以及有效的回收和再循環(huán)(例如，許多金屬)來防止原材料變得至關(guān)重要。
● 避免熵?fù)p失和轉(zhuǎn)移(例如，金屬，能量的耗散)。
● 避免反彈效應(yīng)(例如，使用更少的碳通常意味著對(duì)金屬的更高需求)。
● 在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期(包括回收)中負(fù)責(zé)/開發(fā)產(chǎn)品所有權(quán)。
● 確?？勺匪菪圆⒖紤]使用產(chǎn)品數(shù)字護(hù)照(例如，產(chǎn)品，組件和過程的組成)。
● 開發(fā)和應(yīng)用循環(huán)指標(biāo)(例如，歸功于副產(chǎn)品的使用)。
● 將基于“更大更快”的傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)踐轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;l佳適應(yīng)，更好安全”，并將所有權(quán)更改為出租，租賃和共享業(yè)務(wù)模型。
● 使用少的步驟，輔助劑，能源和單元操作(例如，分離，純化)，使過程盡可能簡(jiǎn)單。
● 設(shè)計(jì)過程以優(yōu)化輔料，未使用的基材和意外副產(chǎn)品的材料回收率(基于質(zhì)量和數(shù)量)。
為了避免混合不同的成分和增加不必要的復(fù)雜性，產(chǎn)品及其成分的流程須在其生命周期的各個(gè)階段(從資源提取，合成到使用和回收)盡可能保持分開。如果流量變化很大，則會(huì)阻礙回收。同樣，本地流程比全局流程更可取，并且更全面地了解材料和產(chǎn)品的成分將有助于快速回收。當(dāng)然，有必要找到廢物流并解密如何收集廢物，否則可能會(huì)永遠(yuǎn)丟失。
如果產(chǎn)品方面的創(chuàng)新速度高于回收方面的創(chuàng)新速度，那么問題將超過解決方案。社會(huì)需要對(duì)*的回收技術(shù)進(jìn)行更大的投資。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界需要對(duì)這些進(jìn)步給予與新分子，新材料和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)相同的認(rèn)可。使公司對(duì)產(chǎn)品的回收負(fù)責(zé)，對(duì)產(chǎn)品的性能負(fù)責(zé)，應(yīng)促使行業(yè)參與回收技術(shù)的研發(fā)(R&D)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一些回收產(chǎn)品吸引的高價(jià)值以及原始資源成本的增加，應(yīng)將回收和產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究從負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)樯虣C(jī)。
廢物及化學(xué)行業(yè)的整合，包括產(chǎn)生大量化學(xué)或金屬廢物(例如農(nóng)業(yè)食品，紡織品，電子產(chǎn)品，塑料，金屬和合金)的行業(yè)，可以使人們更好地了解化學(xué)及其產(chǎn)品并將源與接收器鏈接。僅要求“綠色” 循環(huán)經(jīng)濟(jì)而不考慮化學(xué)的系統(tǒng)作用，不會(huì)對(duì)可持續(xù)性有太大貢獻(xiàn)。只有通過對(duì)化學(xué)教育，化學(xué)研究和工程以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新態(tài)度，循環(huán)經(jīng)濟(jì)所需要的化學(xué)物質(zhì)將會(huì)實(shí)現(xiàn)。
本文作者：By Klaus Kümmerer1,2, James H. Clark3, Vânia G. Zuin3,4
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