生態(tài)環(huán)境材料——材料及其產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向

王天民，郝維昌，王 瑩，周和敏

(1.北京航空航天大學材料物理與化學研究中心，北京100091)

(2.Dairy Management Inc.USA 60018)

(3.中國鋼研科技集團公司先進鋼鐵流程與材料國家重點實驗室，北京100081)

生態(tài)環(huán)境材料
——材料及其產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向

王天民1，郝維昌1，王 瑩2，周和敏3

(1.北京航空航天大學材料物理與化學研究中心，北京100091)

(2.Dairy Management Inc.USA 60018)

(3.中國鋼研科技集團公司先進鋼鐵流程與材料國家重點實驗室，北京100081)

闡述了生態(tài)環(huán)境材料的概念與內涵，發(fā)展的動向和取得的主要進展，指出生態(tài)環(huán)境材料和傳統(tǒng)材料的生態(tài)化改造是今后材料及其產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。材料是保證循環(huán)經濟、低碳經濟得以發(fā)展的物質基礎，而生態(tài)設計則是實現(xiàn)材料和產品生態(tài)化改造和持續(xù)發(fā)展的指導思想。LCA(Life Cycle Assessment)是評價材料及其產業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程的有力工具。生態(tài)環(huán)境材料是一種與原有的材料相比較而產生、相比較而發(fā)展的新型材料，其判斷和認知往往是相對的、動態(tài)的和不斷發(fā)展的。當普遍地把環(huán)境協(xié)調性作為所有材料必須具備的屬性之一時，生態(tài)環(huán)境材料的提法也就失去了其單獨存在的意義:材料即為生態(tài)環(huán)境材料，這正是材料所追求的長遠目標。

生態(tài)環(huán)境材料;生態(tài)設計;循環(huán)經濟;低碳經濟;生命周期評價

1 前言

全球性生態(tài)環(huán)境的迅速惡化和資源面臨枯竭的問題，是21世紀人類生存和發(fā)展所面臨的重大危機，已成為國際社會普遍關注的焦點之一［1－2］。繼1992年里約峰會聯(lián)合國制定《21世紀議程》［1］以來，持續(xù)發(fā)展的思想和具體行動計劃已在全世界被普及和實施，努力實現(xiàn)社會和經濟可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國共同追求的目標。發(fā)展是人類永恒的主題，而如何解決發(fā)展進程中的資源與環(huán)境問題，是人類生存的前提。

全球氣候變化一直深受世人的廣泛關注。在可預見的將來，溫室氣體水平繼續(xù)增高將會導致全球氣候進一步變暖，給人類生活與生存帶來多方面的負面影響。據(jù)科學預測，與工業(yè)化前相比，如果地球平均氣溫增加量超過“2℃”，地球上將會發(fā)生人類難以承受的氣候變動，從而使社會和生態(tài)系統(tǒng)遭到毀滅性的破壞［3］。因此，作為全球長期的氣候目標，《哥本哈根協(xié)議》進一步確認了把全球氣溫的升幅控制在2℃以內。自從工業(yè)革命以來，隨著全球工業(yè)化進程的推進，人類活動排放的各種溫室氣體的濃度不斷增加。例如，二氧化碳濃度現(xiàn)已達到368×10－6，是地球42萬年歷史以來的最大值［4］。據(jù)預測，目前全球的溫室氣體排放約為470億t的二氧化碳當量，如果不采取任何行動，到2020年這個數(shù)字將達550億t以上［5］。面對二氧化碳不斷在大氣層中聚集的現(xiàn)實，面對各種溫室氣體愈排愈多與全球氣候變暖不斷加劇的現(xiàn)狀，國際社會給予了越來越多的關注［6］。

人類開始反省自己，檢討自己的所作所為。作為對策，就是發(fā)展低碳經濟，倡導節(jié)能減排，調節(jié)能源結構，開發(fā)清潔能源和可再生能源，進而對整個國民經濟體系進行革新等。這是人類和社會經濟持續(xù)發(fā)展的必然選擇和重要舉措［7］。另一個方面，提高全社會資源和環(huán)境效率，建立循環(huán)型經濟，涉及到一系列產品的升級改造和工業(yè)結構的調整，其中材料產業(yè)的環(huán)境協(xié)調化或者生態(tài)化技術進步則是重要的物質基礎［8］。無論何種形式和功能的物質產品，其所用材料的環(huán)境屬性和特征，即從原料提取、生產、使用、廢棄、回收到再生循環(huán)過程的資源效率和對環(huán)境的影響，決定了所有物質產品以及社會物質經濟的整體環(huán)境效益。為此，改變以往資源－材料－產品－使用－廢棄為主的線性物質流動模式，建立以循環(huán)回收和再生利用為主的循環(huán)型物質流動模式(如圖1所示)便成為今后材料、產品及其產業(yè)的發(fā)展方向。

圖1 資源、材料流動模式的轉變Fig.1 Transformation for resources and materials flow

1.1 生態(tài)環(huán)境材料概念及其發(fā)展

日本東京大學的山本良一教授認為，生態(tài)環(huán)境材料應是將先進性、環(huán)境協(xié)調性和舒適性融為一體的新型材料。其特征首先是節(jié)約資源和能源;其次是減少環(huán)境污染，避免溫室效應與臭氧層破壞;第三是容易回收和循環(huán)再生利用［9－10］。在此基礎上，經過我國眾多學者長時間的討論，達成如下共識［11－13］:“生態(tài)環(huán)境材料應是同時具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調性或者能夠改善環(huán)境的材料。所謂環(huán)境協(xié)調性是指資源和能源消耗少，環(huán)境污染小和循環(huán)再生利用率高”。這里既包括按生態(tài)環(huán)境材料的基本思想和設計原則開發(fā)的新材料，也包括對傳統(tǒng)材料的生態(tài)化改造，即在材料生命周期評價［14］(Life Cycle Assessment，LCA，國內比較普遍的另一稱謂是環(huán)境協(xié)調性評價)的基礎上，通過對材料制造工藝的不斷調整和改造，逐漸實現(xiàn)傳統(tǒng)材料的生態(tài)環(huán)境材料化。但必須強調指出:生態(tài)環(huán)境材料是與原有的材料相比較而產生、相比較而發(fā)展的新型材料，其判斷和認知往往是相對的、動態(tài)的和不斷發(fā)展的［15］。它是人類充分考慮材料在其整個生命周期中對生態(tài)環(huán)境影響的基礎上，在生態(tài)設計思想和原則的指導下，采用革新的低環(huán)境負荷工藝(或者說綠色制造工藝)開發(fā)出來的新一代材料。它是各種高新技術在材料制備過程中科學、有效和經濟、巧妙利用的產物。因此，生態(tài)環(huán)境材料符合人與自然和諧發(fā)展的基本要求，是人與自然協(xié)調發(fā)展的理性選擇，也是材料產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。它不僅是從源頭治理或減輕環(huán)境污染的實體材料，而且應當是新時代材料研制與生產的發(fā)展方向［16］。在這里必須強調指出，LCA始終是評價材料及其產業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程的有力工具。

近年來很多學者把LCA方法與材料(產品)的設計結合在一起，可以為材料選用，綠色產品的開發(fā)等提供科學依據(jù)，拓寬了LCA的應用范圍［17］。例如，鋼鐵材料是機械工業(yè)的主要原料，用于拖拉機曲軸生產的主要有3種原料:優(yōu)質碳素鋼、鑄鋼、球墨鑄鐵。3種材料都可以滿足曲軸的性能要求，但是由于碳素鋼、鑄鋼、球墨鑄鐵的生產工藝差別很大，因此這3種材料的環(huán)境負荷必然存在差異。為了實現(xiàn)產品的環(huán)境友好設計，使曲軸生產盡量減少對環(huán)境的危害，有必要對這種差異進行研究，以便更好地選用材料。表1是3種材料各生產1 000 kg毛坯環(huán)境負荷的LCA編目表。由LCA研究可以看到，如果用優(yōu)質45#鋼，由于鐵礦石資源消耗量大，工藝復雜，其環(huán)境負荷明顯比球墨鑄鐵和鑄鋼要高。環(huán)境負荷按由高到低排序為45#鋼、球墨鑄鐵、鑄鋼，同時考慮材料的綜合性能，盡管球墨鑄鐵的環(huán)境負荷稍高，但其耐磨性能、減震性能較好，這樣可以延長機械的使用壽命(同時也就降低了壽命周期中的環(huán)境負荷)，因此在曲軸生產中建議選用鑄鋼和球墨鑄鐵［18－19］。

表1 3種材料的環(huán)境負荷比較編目表Table 1 Inventory table of environment load

資源和能源瓶頸要求資源和材料應用的高效率［11］，廢棄物的大量增加對再生循環(huán)技術的要求日趨緊迫，環(huán)境凈化與修復等新型環(huán)境功能材料是治理環(huán)境污染的保障，用環(huán)保材料替代含有害物質的材料已是我們急需解決的技術課題。這些環(huán)境友好的新一代關鍵材料技術開發(fā)與相應的新型產業(yè)的建設與發(fā)展，是建立循環(huán)經濟、構筑和諧社會的物質基礎。因此，生態(tài)環(huán)境材料的研究開發(fā)及其產業(yè)化已經成為國家目標和社會發(fā)展的急迫需求，而且隨著綠色貿易壁壘的形成，已成為材料高技術發(fā)展和應用的重要方向。

1.2 生態(tài)設計思想是基礎［20］

所謂生態(tài)設計是指材料和產品的設計中力求貫徹生態(tài)學的思想，即從產品設計開發(fā)階段就要求綜合考慮與材料和產品相關的生態(tài)環(huán)境問題，設計出對環(huán)境友好的，又能滿足人類需求的一種新的材料和產品。其基本理論基礎是產業(yè)生態(tài)學中的工業(yè)代謝理論與生命周期評價。1997年4月，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署工業(yè)與環(huán)境中心出版的《生態(tài)設計——一種有希望的可持續(xù)生產與消費思路》一書為生態(tài)設計提供了指導準則、大量實例及實際的步驟計劃。這本“生態(tài)設計”手冊無疑會加快世界生態(tài)設計的進程，使生態(tài)設計得到日益廣泛的重視和研究。需要強調的是，通過生態(tài)設計和環(huán)境技術革新使產品的資源與環(huán)境效率得到顯著提高是生態(tài)設計的目的和本質所在。

從長遠看，為了避免現(xiàn)在地球所面臨的危機，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都必須向非物質經濟(或者服務型經濟)轉變。在這種轉變中，企業(yè)起著關鍵的作用。企業(yè)必須實施環(huán)境經營戰(zhàn)略，以生態(tài)設計思想為指導，積極貫徹國際ISO9001和ISO14001質量和環(huán)境管理標準，實現(xiàn)觀念和生產模式的根本轉變。顯然，只有以產業(yè)為主體，產、學、研緊密結合，政府、民間和企業(yè)形成有機、良性的互動機制時，這種轉變才能夠真正得以實現(xiàn)。政府與社會通過強化有關法制，實施財政稅制的生態(tài)改革，鼓勵綠色采購和綠色供應等措施，并對那些竭盡全力實行環(huán)境技術革新與環(huán)境效率經營的企業(yè)給予全面的支持。

1.3 生態(tài)環(huán)境材料是低碳經濟的必然要求

低碳經濟到底具有什么涵義呢?低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，是人類社會繼農業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進步［7］。低碳經濟的內涵很廣，涉及到社會政治經濟層面的各個領域。低碳經濟包括3個方面，一個是提高能源效率，一個是采用低碳能源或者是零碳能源，還有一個是去碳技術，這樣才能能保證減少二氧化碳的排放。其實質是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色GDP的問題，是遏制地球生態(tài)環(huán)境惡化和全球氣候變暖趨勢，建造人類與自然和諧共存的發(fā)展模式。其核心是能源技術和減排技術創(chuàng)新，能源結構與產業(yè)結構創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉變，是落實科學發(fā)展觀，實現(xiàn)社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重大舉措，并由此可以導致經濟及其管理體制上的重大革新和社會進步?？傊?，為適應發(fā)展低碳經濟的發(fā)展，材料研發(fā)與材料產業(yè)首當其沖的是兩大材料領域［6］:一是新能源材料的研發(fā)與產業(yè)化，包括直接用于產生能源或轉化的材料以及為實現(xiàn)轉化與輸送的其他相關配套材料，還有除天然碳匯之外能夠實現(xiàn)CO2捕獲或固化的技術所必需的新材料等;二是生態(tài)環(huán)境材料的研發(fā)與產業(yè)化，而其中的生態(tài)建筑材料則成了低碳經濟熱潮中比較引人注目的材料門類。這是由于建筑材料量大面廣，在生產與使用過程中都要耗費大量的能源與資源，是貫徹低碳經濟方針時必須重點抓的材料領域之一。

1.4 活躍的國際學術交流

在全球資源和環(huán)境問題所面臨的大形勢下，1990年代初生態(tài)環(huán)境材料(Ecomaterials)應運而生，隨之由日本、中國以及歐、美有關國家的學者發(fā)起，并且逐漸形成了如下3個新的系列國際會議，即:Ecomaterial(1993年開始每隔一年舉行一次)、EcoBalance(1994年開始每隔一年舉行一次)、Ecodesign(1999年開始，每年舉行一次)國際學術研討會，并在IUMRS及其他有關的國際或地區(qū)性學術會議上也都新增加了與“Eco”相關的新內容和分會場。從此首先在材料領域出現(xiàn)了一組使用頻度很高(在以往的英文詞典中沒有)的新的英文單詞，如:Ecomaterial， Ecoproduct， EcoBalance， Ecodesign， Ecolabeling，Ecomanagement，以及象 Eco-town，Eco-industry，Eco-agricultue等等這樣一些涉及更廣領域的詞匯。順便述及，這里的詞冠Eco是由Environment Conscious(有環(huán)境意識的)，或者Ecological(生態(tài)學的)，Economic(經濟的)的詞首復合而來的，其含意即具有環(huán)境意識的或者生態(tài)學的，也考慮到經濟性和成本的意思。此外，以生態(tài)環(huán)境材料為基礎的展示節(jié)能與環(huán)境效益的各種生態(tài)產品展覽會(具體名稱有所不同)，近十多年來在世界各地也十分風行。各種類型的學術研討會與推廣應用的展覽會密切結合，也是生態(tài)環(huán)境材料與能源材料領域的一個明顯的特征。

2 材料和產品的生態(tài)化是當今產業(yè)發(fā)展的大趨勢

歐、美、日等發(fā)達國家對資源與環(huán)境問題相當重視，對生態(tài)環(huán)境材料、生態(tài)產品及相關領域的研究與開發(fā)投入了大量的人力物力。許多國家通過立法和稅收政策的調整促進提高資源與環(huán)境效率，推動本國生態(tài)環(huán)境材料和生態(tài)產品產業(yè)的發(fā)展。金融界在貸款等問題上也關注資源的效率和產業(yè)的環(huán)境問題。

2.1 以生態(tài)設計為指導改革產業(yè)發(fā)展模式

對于環(huán)境惡化、資源匱乏的關注，使得一些學者和產業(yè)界開始考慮改變資源流通模式。從傳統(tǒng)資源－消費－垃圾場的線性流通模式，向資源－消費－再生利用的環(huán)形流通模式轉變［21］。也就是說，在當前資源庫已經由傳統(tǒng)意義上的一個資源庫變成了2個資源庫——即“天然資源庫”和各種廢棄物構成的“再生資源庫”，而且前者在不斷地減少或貧化，后者正在迅速地增長和擴大。當今人類社會所面臨的挑戰(zhàn)，就是如何將天然資源庫與再生資源庫通過產業(yè)有機地組合起來，形成和建立作為循環(huán)經濟物質基礎的新型循環(huán)產業(yè)［19］。一些有關可持續(xù)發(fā)展和實施的概念與方法，例如生態(tài)設計、生態(tài)環(huán)境材料、生態(tài)產品、循環(huán)產業(yè)和循環(huán)經濟以及工業(yè)生態(tài)學等等，其基本目標就是要在可持續(xù)發(fā)展的大前提下，尋求一個對社會、經濟、生態(tài)環(huán)境都有利的生產發(fā)展模式。材料與產品的設計、企業(yè)的運營、行業(yè)的發(fā)展以及社會服務，都要盡可能地采用生態(tài)設計的原則與方法，也就是在整個生命周期里力求做到與生態(tài)環(huán)境的和諧共存。其中 3R 原則［17］(Reduce，Reuse，Recycle)是生態(tài)設計(或環(huán)境協(xié)調性設計)的核心和基本指導思想。產業(yè)發(fā)展側重點必然向著附加值再生的方向和3R戰(zhàn)略發(fā)展，它是經濟發(fā)展的新動力和方向。

2.2 高新技術是發(fā)展循環(huán)型產業(yè)和低碳經濟的基礎

歐、美、日等發(fā)達國家和地區(qū)在材料環(huán)境負荷的定量評價，材料的再生利用及再資源化，材料中有毒有害元素的消除及替代等方面的研究開發(fā)一直起著引領世界潮流的作用。一些國際知名的大企業(yè)如IBM、西門子、三菱、佳能、東芝、日立、索尼等［16］，都從產品和技術開發(fā)的角度關注生態(tài)效率和資源環(huán)境效率，力求其開發(fā)的新產品兼具良好的經濟效益和環(huán)境效益，以保持在未來市場中的競爭力?？傊?，廢棄物的循環(huán)再生(再資源化)和環(huán)境友好材料的研究開發(fā)及其產業(yè)化，已經成為當前和今后國際材料產業(yè)領域的大趨勢。

據(jù)統(tǒng)計，2004年綠色技術產品的全球銷售額已超過6000億美元，整個綠色消費的市場總量則更為廣闊，隨著ISO14000環(huán)境認證系統(tǒng)和環(huán)境標識制度的應用和普及，企業(yè)在生產時追求整個原材料供應－生產制造－產品銷售鏈的綠色化。因此，作為社會經濟物質基礎的材料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題受到了更為廣泛的重視，各國都在不斷地加大生態(tài)環(huán)境材料及其相關領域的研究與開發(fā)的力度，從政策、資金等方面都給予了更大的支

圍繞著“人與自然的和諧共處與發(fā)展循環(huán)經濟”這個大目標，從1999年開始，日本率先在他們國內每年舉辦一屆Ecoproduct展覽會［22］。由于Ecoproduct展覽會對生態(tài)環(huán)境材料和生態(tài)產品強烈的示范、推動和宣傳鼓動作用，其規(guī)模和影響也越來越大，并且有逐漸發(fā)展到地區(qū)(幾個國家聯(lián)合)和國際展覽會的趨勢。近年來，在歐［23］、美［24］以及亞洲的韓國［25］、馬來西亞［26］、泰國［27］等國以及我國也都已經舉辦或準備舉辦類似的生態(tài)產品展覽會或者博覽會。這些展會的共同特色都是全方位地展示一些改變現(xiàn)今人類生產和生活方式的令人激動的先進技術。例如防止地球溫室效應的能源保障技術，尤其是在不破壞環(huán)境的前提下獲取能源的未來循環(huán)型社會的能源模式;清潔生產和零排放，資源的高效利用新技術;可降解或可再生循環(huán)技術、無污染的材料、有害物質和稀有元素的替代技術;采用降低環(huán)境負荷的新型環(huán)境技術;3R技術;生物資源材料的高新技術利用;保護自然與再生技術;環(huán)境保護、污染治理技術;飲料與水資源的安全等。這些博覽會或展覽會也起到了溝通企業(yè)與消費者的關系，進一步宣傳、促進和開發(fā)生態(tài)環(huán)境材料、生態(tài)產品的消費市場，提高社會民眾資源環(huán)境意識的作用。

低碳經濟和循環(huán)型產業(yè)是建立在產品生態(tài)設計、節(jié)約能源、資源和廢棄物有效的回收、再生利用基礎上的。日本在推行清潔生產、綜合利用資源、建設生態(tài)工業(yè)園區(qū)、開展再生資源回收利用、發(fā)展循環(huán)產業(yè)和促進綠色消費等方面下了很大的決心［28］。因而，積極推行生態(tài)設計、實行企業(yè)環(huán)境經營和逐步向循環(huán)型產業(yè)的轉變便成為今天日本產業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

2.3 企業(yè)發(fā)揮主體作用

持。環(huán)境產業(yè)已經成為許多國家新的經濟增長點和21世紀世界性的主導產業(yè)之一［29］。

2.4 立法與市場機制密切配合

1996年 10 月德國《循環(huán)經濟法》正式生效［30－31］。該法明確規(guī)定，生產中必須首先避免產生廢棄物，否則必須對材料和能源充分利用，只有在兩者都難以實現(xiàn)的情況下才可以對廢物進行環(huán)境能夠承受的清除。此舉要求工商業(yè)者“從搖籃到墳墓”照管其產(商)品，這意味著研制新產品時要考慮廢物的回收利用，從而擴大了生產者的責任范圍。

2003年2月，歐盟議會及理事會通過兩項被稱為“雙綠指令”的新環(huán)保指令［32］:《關于報廢電子電氣設備指令》(WEEE)和《關于在電氣電子設備中禁止使用某些有害物質指令》(ROHS)。前者要求，2005年8月13日以后，歐盟市場上流通的電氣電子設備的生產商(包括其進口商和經銷商)必須在法律意義上承擔支付自己報廢產品回收費用的責任。后者要求，2006年7月1日以后投放歐盟市場的電氣和電子產品不得含有鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等6種有害物質。顯然，“雙綠指令”不僅僅影響電子電器行業(yè)，也對其相關的整個產業(yè)鏈，特別對作為其上游的材料及其產業(yè)的綠色化或環(huán)境友好進程帶來極大的推動作用。

美國政府為了阻止環(huán)境被進一步破壞，設置了一項特殊的稅——綠色稅(Green Fees)，僅此一項，各州每年收繳100～150億美金的稅金，主要用于教育事業(yè)和環(huán)境保護。日本在2001年通過了家電回收法、食品回收法、包裝材料回收法、綠色采購法等多項與資源和環(huán)境相關的法律。2006年初日本經濟產業(yè)省和環(huán)境省又提出了強化日本家電再利用對象的方針，在原來以冷藏冷凍箱、陰極射線管電視機、洗衣機、房間空調器等4種大家電為處理對象的基礎上，將電視類拓展到液晶、等離子薄型電視機，并將微波爐、吸塵器、洗衣干衣機等納入了處理對象。同時，把產品在廢棄時由消費者承擔的再資源化費用，改為在購買產品時預先支付。日本產業(yè)結構審議會(經產相的咨詢機構)和中央環(huán)境審議會(環(huán)境相的咨詢機構)開始對日本《家電再商品化法》進行討論修訂，賦予生產者有償回收及再資源化舊家電產品的權力，并要求生產者開發(fā)易于再生利用的商品。這些法律的頒布實施，對生態(tài)環(huán)境材料的開發(fā)應用與普及推廣起到了非常積極的作用。日本在廢棄物的回收體系、綠色采購以及在大力推行生態(tài)設計、貫徹企業(yè)環(huán)境經營、實施循環(huán)產業(yè)等方面十分活躍而務實。公民普遍高漲的資源環(huán)境意識，以及產、學、研緊密結合的活躍的研究開發(fā)活動在國際上也屬罕見，而且得到了政府與民間社團在經費方面廣泛而積極的支持和鼓勵［33］。

2.5 良性互動的產、學、研結合模式

日本企業(yè)普遍設立了環(huán)境技術與管理部門，主要致力于企業(yè)的環(huán)境經營和管理［34］。自發(fā)成立了眾多地區(qū)或跨地區(qū)的產、學、研相結合的生態(tài)設計與環(huán)境效率研究會，開展系統(tǒng)的學習與深入的研討，且都由國內研討為主逐步發(fā)展到國際、國內研討緊密結合，活動十分頻繁而有序。許多知名大學也都相繼設立了國際產學共同研究中心，大力吸引日本國內外學者尤其是產業(yè)界資深工程技術人員擔任或兼任教授、研究員，并把循環(huán)產業(yè)和循環(huán)經濟作為其主要的研究課題，特別提倡和鼓勵跨學科跨領域的合作研究和團隊模式。

近十多年以來，日本一直在逐步調整其治國方針，即由他們多年來遵循的“經濟/技術立國”方針向“環(huán)境立國”的國策轉變［34－35］。在積極推進構筑低碳經濟、循環(huán)型社會的基礎上，力求創(chuàng)造出更多環(huán)境與經濟2個方面都得到均衡發(fā)展的新型環(huán)境產業(yè)。甚至在國會和內閣會議上諸如Eco-Japan(生態(tài)日本或者綠色日本)這樣一些時尚詞匯也頻頻出現(xiàn)。這一動向應該引起我們的深思與關注。

3 我國環(huán)境材料及其產業(yè)的發(fā)展情況

我國已將可持續(xù)發(fā)展作為國家的發(fā)展戰(zhàn)略目標，政府十分重視和支持生態(tài)環(huán)境材料的研究與應用開發(fā)工作。國家“973”重大基礎研究、國家科技支撐計劃、“863”計劃、國家自然科學基金、國家發(fā)展改革委員會新材料高技術產業(yè)化專項以及相關部委和地方政府的科技計劃等，都將生態(tài)環(huán)境材料作為重要資助方向給予了大力支持［36］。在各類基金的長期支持下，近15年以來，我國在生態(tài)環(huán)境材料及材料的環(huán)境協(xié)調性評價的研究方面取得了重要進展。

3.1 基礎研究取得明顯進展

3.1.1 材料的環(huán)境協(xié)調性評價

在材料的環(huán)境協(xié)調性評價及其方法論的研究方面，比較系統(tǒng)地開展了鋼鐵、鋁、水泥、建筑材料、塑料、陶瓷、涂料等典型材料的環(huán)境負荷評價研究，探索了符合我國國情的材料環(huán)境負荷指標表征和計算方法，對典型材料進行了基礎數(shù)據(jù)調研、匯總，初步建立了我國自己的MLCA數(shù)據(jù)庫并開發(fā)了材料環(huán)境協(xié)調性評估軟件。在材料環(huán)境負荷評價的基礎理論和方法，相關數(shù)學模型的建立和適用的基礎數(shù)據(jù)庫方面都取得了進展［35，37－38］。

3.1.2 環(huán)境凈化與能源轉化材料

我國在新型能源材料方面投入了大量的人力和物力。在光伏材料、光熱轉化材料、熱電材料、鋰離子電池材料、儲氫材料等方面均有大量的研究工作。尤其值得一提的是，我國在光解水制氫和環(huán)境凈化的可見光活性的新型光催化材料研究開發(fā)方面取得了很有特色的研究成果。南京大學發(fā)展了具有可見光活性的In1－xNixTaO4催化劑并成功地應用于光解水制氫［39］。在此基礎上又成功開發(fā)出系列可見光活性的新型光催化材料，在環(huán)境凈化和分解有害有毒物質方面取得了突破。福州大學與日本和德國的研究小組合作發(fā)展了第一個有機g-C3N4可見光催化劑［40］。中科院化學所研究小組在光催化選擇合成方面也開展了大量有創(chuàng)新意義的研究工作［41－42］。此外，在蓄能光催化復合材料的研究方面也取得了進展，這種材料在夜晚等黑暗條件下仍然具有相當好的環(huán)境凈化和抗菌、殺菌作用［43］。

3.1.3 信息材料

到目前為止，傳統(tǒng)的微電子器件是通過對元件電流的控制實現(xiàn)其功能的。隨著微電子器件工藝的發(fā)展，其性能已經接近其物理極限。以控制自旋流為目標的自旋電子學是當前國際前沿的科學問題。自旋電子學通過控制電流和自旋2個自由度，可開發(fā)更為高效、節(jié)能和具有記憶效應的微電子器件，將會給微電子領域帶來突破性的革命［44］。國內在巨磁阻材料、稀磁半導體、拓撲絕緣體等幾個方面都開展了大量研究工作，取得了一些優(yōu)秀的科研成果。室溫稀磁半導體曾被認為是自旋電子學最有希望的材料體系之一，但目前其研究遇到了極大困難。我們小組的結果表明，過渡金屬在半導體基質中往往形成不均勻摻雜［45－47］，這種摻雜不均勻性極大地限制了過金屬元素的摻雜量及鐵磁性能。拓撲絕緣體［48－49］是一種新的量子物質態(tài)，完全不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”。這種物質態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬態(tài)。在拓撲絕緣體中，電子自轉方向與電流方向之間存在著確定的關系。不同方向運動的電子像高速公路上相向行駛的汽

車一樣各行其道，互不干擾，從而使能量耗散很低。拓撲絕緣體的獨特性質使其在低能耗電子器件和容錯量子計算等領域具有潛在的重要應用價值，有可能對未來的信息技術產生革命性的影響。2009年，中科院物理所與斯坦福大學合作預言了Bi2Te3，Bi2Se32種材料都是強拓撲絕緣體［50］。清華大學研究小組通過分子束外延的方法，生長出了高質量的Bi2Se3和Bi2Te3薄膜，并通過角分辨光電子譜實驗驗證了表面狄拉克譜的存在［51－53］。他們還觀察到了拓撲絕緣體薄膜2個表面上的拓撲態(tài)耦合導致的能隙，這對發(fā)展新的自旋電子器件具有指導意義。

3.1.4 仿生材料

仿生設計也是材料生態(tài)設計的發(fā)展方向之一。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對材料的性能要求越來越高，天然生物材料的一些應用領域被后來興起的材料所替代。但天然生物材料在長期的進化過程中形成了自然界一些最合理的結構形態(tài)，這可為科技工作者所借鑒。向自然學習應該是生態(tài)設計的核心思想之一。中科院化學所研究小組在仿生材料的研究與開發(fā)方面做出一些創(chuàng)新的結果［54］。2010年，該小組從微納米層次上揭示了蜘蛛絲集水“多協(xié)同效應”機制［55］，并通過實驗獲得了人造蜘蛛絲，實現(xiàn)了小尺度液滴的方向性驅動。這項研究將啟發(fā)科學家們設計微流體中的新型的微流控表面，設計大規(guī)模的人造纖維網以收集空氣、霧氣中的水，來供給水源缺乏地區(qū)人們的需求;設計智能的催化材料，促進快速而有效的反應;以及設計纖維網狀材料，用于工業(yè)加工和生產過程中的浮質過濾等領域。

3.1.5 材料與資源的再生循環(huán)利用

為了改變人類社會目前面臨的窘境，我們必須實現(xiàn)社會生活物質流動形勢的由線性模式向循環(huán)模式的轉變。最大限度地利用好各類資源，使物質在人類的生產活動中不斷循環(huán)，這樣不但可以減少對環(huán)境的排放，而且可以滿足人類不斷增長的物質需求，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。到目前為止，冶金學的研究對象還集中在天然的礦石。下一個研究目標也許應該瞄準廢棄物，研究如何從廢棄物中提取有用的元素，這將會對冶金學產生深遠的影響［56－57］。

3.1.6 其他材料

在有毒、有害和稀貴元素的替代，天然可再生資源(木質陶瓷農作物秸稈等農業(yè)廢棄物、竹子、天然石材等)的有效利用等方面的研究開發(fā)也都取得了很好的進展［57］。例如從2006年開始，我國電子電器行業(yè)在歐盟“雙綠指令”的“壓力”和激發(fā)之下，企業(yè)與有關大學、研究院所相結合，圍繞高端綠色與環(huán)保材料，在開展電子電器產品急需的替代有毒、有害元素的材料研究開發(fā)方面取得了明顯進展。比如，在環(huán)境友好的封裝材料、涂料、阻燃劑及無鉛焊料等方面，國內很多企業(yè)都已成功地研發(fā)出了具有自主知識產權的新品種。此外在可生物降解材料方面、木質陶瓷研究方面也取得了重要的進展，限于篇幅在此不做一一闡述。

3.2 以提升材料產業(yè)和應用為目標

自“十五”以來，國家“863”計劃中，設立了生態(tài)環(huán)境材料專題。體現(xiàn)國家需求目標，圍繞“西部大開發(fā)”發(fā)展戰(zhàn)略和“科技、人文、綠色”奧運，重點突破固沙植被材料和應用技術，研制適應我國高效農業(yè)技術的環(huán)境友好、可完全降解地膜材料，在廢棄物治理、可再生資源的綜合利用及清潔制備新技術方面都取得了有自主知識產權的新技術。研究和建設材料環(huán)境協(xié)調性評價技術體系，發(fā)展設計方法，研制和開發(fā)幾類環(huán)境協(xié)調材料，包括納米環(huán)境材料與技術、生態(tài)建筑材料，促進了傳統(tǒng)材料產業(yè)的環(huán)境協(xié)調改造升級。在“十五”期間安排的固沙植被用新材料及其低成本制備技術，二氧化碳共聚物的工業(yè)化合成及其在醫(yī)學領域的應用，光催化自潔凈玻璃在線制造方法，環(huán)境功能型建筑材料，材料環(huán)境協(xié)調性評價技術及其應用，環(huán)境協(xié)調材料(無鉛焊料、環(huán)境友好涂料等)及清潔制備技術(高效清潔催化劑)，低成本全降解農用地膜，以及降低廢棄物排放及綜合利用的新型功能材料與技術方面的20多個研究項目，絕大部分都已經取得了一批具有自主知識產權的新技術。

3.3 企業(yè)是材料和產品生態(tài)化改造的主體

需要特別指出的是，近年來在我國有關環(huán)境政策的引導和國家相關重大計劃和專項以及各地方政府的支持下，國內許多企業(yè)已開始重視并積極進行生態(tài)環(huán)境材料及生態(tài)產品的研究與開發(fā)。比如在生態(tài)建筑材料、冶金礦渣等各種廢棄物再資源化，粉煤灰的綜合利用，吸波材料、環(huán)境凈化材料及產品等方面，一些企業(yè)已實現(xiàn)產業(yè)化并形成了相當?shù)纳a規(guī)模。在加入WTO后，關于環(huán)境經營、綠色生產、綠色采購、綠色標識、材料和產品的環(huán)境特性以及生態(tài)設計等新概念正在被明智的企業(yè)領導人思考或接受?？傮w而言，盡管我們的企業(yè)領導人與發(fā)達國家的相比，對于企業(yè)環(huán)境經營、循環(huán)產業(yè)等方面的認識在程度上和具體行動上，尤其在經費與人員的投入方面尚有較大差距，但企業(yè)是材料和產品的生態(tài)化改造、實現(xiàn)循環(huán)型產業(yè)的主體。企業(yè)對于生態(tài)環(huán)境材料及生態(tài)設計其產品的認知、支持和積極主動的實踐與實施定將對此領域今后的研究與開發(fā)起到極其重要的促進作用。

3.4 加強環(huán)境意識教育，培養(yǎng)研究隊伍

通過這些年的生態(tài)環(huán)境材料的研究開發(fā)實踐，培養(yǎng)了一批有特色的生態(tài)環(huán)境材料研究力量，也使廣大材料科技人員的觀念發(fā)生了明顯變化，資源環(huán)境意識普遍得到了提高。在教育方面，國內的許多大學都面向大學生、研究生開設了生態(tài)環(huán)境材料和生態(tài)設計的專門課程。一批生態(tài)環(huán)境材料的專著在國內出版，對宣傳生態(tài)環(huán)境材料新學科，推動生態(tài)環(huán)境材料在中國的應用發(fā)展及教育等方面起到了積極的作用。由于中國經濟持續(xù)高速發(fā)展和加入WTO后經濟全球化進程的加速，中國生態(tài)環(huán)境材料與制品的研究開發(fā)，如同中國經濟對世界的影響一樣，已引起全球的廣泛關注，世界許多相關科技活動逐步吸納中國有關方面的研究力量共同研究、發(fā)展全球環(huán)境事業(yè)。

4 結語

(1)面向21世紀，我們必須認真對待資源、能源和環(huán)境問題，尋求材料可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。只有政府、企業(yè)、消費者在資源與環(huán)境等方面通力合作，以及產、學、研密切結合與真誠協(xié)作，才能推動生態(tài)環(huán)境材料研究持續(xù)深入的開展。在這里，企業(yè)的主動精神，積極進取和必要的經費投入是非常必要的。

(2)推進生態(tài)環(huán)境材料的研究與開發(fā)過程中，加強材料工作者的環(huán)境觀念，普及全民的環(huán)境意識教育是十分重要的。隨著全民環(huán)境意識的增強和國際上環(huán)境標識、綠色采購的逐步強化與推廣，生態(tài)設計及生態(tài)環(huán)境材料和生態(tài)產品必將得到更為廣泛的認同、應用與發(fā)展。

(3)我國已經有了自己的戰(zhàn)略部署和時間表。但是，目前歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家關于積極引導和鼓勵企業(yè)普及生態(tài)設計、推行環(huán)境戰(zhàn)略經營，使之逐步由傳統(tǒng)的資源消耗、環(huán)境污染型產業(yè)，向資源節(jié)約和循環(huán)利用、清潔生產和零排放為特征的資源循環(huán)型產業(yè)轉變，這個發(fā)展趨勢和動向我們應該予以密切關注。

(4)生態(tài)環(huán)境材料是與原有的材料相比較而產生、相比較而發(fā)展的新型材料，其判斷和認知往往是相對的、動態(tài)的和不斷發(fā)展的。生態(tài)環(huán)境材料或材料的生態(tài)化改造符合人與自然和諧發(fā)展的基本要求，是人與自然協(xié)調發(fā)展的理性選擇，也是材料產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。當普遍地把環(huán)境協(xié)調性作為所有材料必須具備的屬性之一時，生態(tài)環(huán)境材料的提法也就失去了其單獨存在的意義:材料即為生態(tài)環(huán)境材料，這正是材料所追求的長遠目標。

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Eco-materials—Sustainable Development Trend of Materials and Materials Industries

WANG Tianmin1，HAO Weichang1，WANG Ying2，ZHOU Hemin3
(1.Center of Material Physics and Chemistry，Beijing University of Aeronautics＆ Astronautics，Beijing100091，China)(2.Dairy Management Inc.USA，60018)
(3.State Key Laboratory of Advanced Steel Processing and Products，China Iron＆ Steel Research Institute Group，Beijing100081，China)

The definition，connotation，development trend，and main progress of eco-materials are introduced.Adding environmental component to conventional materials and continuous innovation of eco-materials will be the major sustainable research and development trends for materials industries and their key stakeholders.Eco-materials are the substantial foundation of circular economy and low-carbon economy.Eco-design is the guiding philosophy for sustainable materials development and innovation.Life Cycle Assessment is a powerful tool to measure the progress of sustainability of materials and their industries.The nomenclature of eco-materials has been continuously evolving;and it is always categorized to type of materials relevant to conventional ones.Once the eco-friendly character becomes a basic feature for materials，there will be no need to highlight the specific type of eco-materials.Materials will be the eco-materials that possess the eco-friendly feature;and that＇s exactly the long-term goal of materials research and development.

eco-material;eco-design;circular economy;low-carbon economy;life cycle assessment

TB39

A

1674－3962(2011)08－0008－09

2011－04－28

國家自然科學基金(50732004，51072012)

王天民，男，1940年生，教授，博士生導師