综述生态环境材料的利用

综述生态环境材料的利用

近年来生态环境材料以其良好的使用性能和环境相容性受到社会的关注，文章针对生态环境材料，从定义、特点、分类等方面对其相关的知识进行简要综述，并就目前的生态环境建筑材料和未来的发展趋势做了若干说明。综合来讲，生态环境材料是极具有发展前景的。

标签：生态环境材料；资源；生态建材；环境协调；发展前景

前言

自20世纪后期，地球的整体环境在不断恶化，自然资源日益枯竭，人类的生存与发展受到严重威胁，“资源节约”与“环境协调”的概念日趋凸显。而材料作为社会经济发展的物质基础，在推动人类社会的进步方面起到了不可估量的作用。如何获得最大限度的资源效益、经济效益、环境效益，生态环境材料（Ecomaterial）是世界各国在认识到当今环境恶化问题严重威胁的情况下，顺应时代要求提出来的，具有深远的战略意义和发展前景。

1 生态环境材料的概念及特点

1.1 生态环境材料的概念

Ecomaterial——这一名词最初是由日本山本良一[1]教授于1992年提出的，后来在材料领域逐渐演变，最终以“生态环境材料”为人们所广泛接受，然而对其的具体定义并未达成统一共识。通常认为，生态环境材料是一种功能特殊的材料，可以与环境相协调。它从原料的提取到产品的加工与使用，以及过程中废弃物的处理，都充分考虑到了环境、生态、资料等多方面因素。广义上说，生态环境材料不仅包括这种环境、生态多方面协调的新材料，也包括对传统的结构材料或功能材料进行生态化改造，在环境协调性评价，或者称为材料生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）的基础上，通过不断调整、改造和完善材料的制造工艺，逐步实现传统材料向生态环境材料的转化。

1.2 生态环境材料的特点

生态环境材料不但具有优秀的使用性能，还兼有良好的环境协凋性，在具有先进性及舒适性的同时又能改善环境。所谓的环境协调性是指材料在开采生产过程中消耗的能源和资源较少，循环使用和可再生利用率较高，并且对环境污染较小；先进性则是指能够为人类开拓更广阔的活动范围和环境，舒适性即使人类的居住生活环境更加美好、设施更为便利。概括来讲，这种绿色制造工艺在整个生产过程中产生的废物量很少，对环境造成的毒副作用很小，负荷很低，是科技发展与经济效益结合的生产工艺（见图1）。因此，生态环境材料是材料产业发展的方向，是人们与自然和谐发展过程中总结出的经验与理性选择，相关领域的研究进展将有助于解决环境恶化、能源过度消耗以及资源短缺等一系列问题，促进

低碳经济、循环经济、社会经济的可持续发展。

2 生态环境材料的分类

生态环境材料有多种分类方式，按照其制造生产的生态化程度可划分为四种类型：一是可循环利用材料，例如循环利用复合材料、循环利用合金、低杂质合金等；二是绿色过程环境材料，这类材料采用生产过程绿色化，原料使用可再生资源或者再利用废弃物；三是高资源利用率材料，如生命周期评价设计材料、精益结构设计材料、低损耗材料、导向应用材料等；四是原料无害化材料，如无汞材料、无镉材料、无铬材料、无铅材料等。

如果从材料的功能及用途方面来划分，生态环境材料可分为生态环境建筑材料、生态环境工程材料、生态环境净化材料、生态环境降解材料、生态环境修复材料、绿色包装材料以及生态环境替代材料等。生态环境修复材料有用于治理工业废水污染的重金属沉淀、酸碱中和、氧化还原材料，用于治理大气污染的颗粒物吸附和催化转化材料，以及用于减少有害固态废弃物对土壤造成的污染的固体隔离材料、用于防止土壤沙漠化的固沙植被材料等；生态环境净化材料有过滤、杀菌、分离已经消毒材料等；生态环境替代材料的代表是用作制冷剂的氟里昂替代材料，以及工业和民用的无磷化学品材料[2]等。

国际上许多知名的公司企业已研发出一系列具有与环境高度协调性的材料产品，像Misawa Home公司的100%可再生房屋、DAIKIN公司的房间空调器、BMW公司的混合动力汽车以及YOKOGAWA公司的便携式示波器等。这些新型的生态环境材料为人类的生活提供了极大的便利，潜在着广阔的应用前景。

3 生态环境建筑材料的应用

所有人造材料之中，建筑材料的用量最大、产量最高，因此带来的能耗消耗与资源消耗也最高，污染最为严重。在当前的大背景下，社会对于建筑材料的要求除了轻质、耐久性和高强度等性能以外，还要从循环的角度来考虑它可能引起的环境影响或生态兼容性。这一改变形成了多种具有明显特点的生态环境建筑材料，日益崭露头角，逐渐出现在建筑的各个角落。生态环境建筑材料是生态环境材料的重要组成部分，就以下几种材料作为代表来进行阐述。

3.1 生态水泥

生态水泥是通过回收利用工业废渣或城市垃圾进行加工，以充分发挥各种废弃物的潜力，最大程度地激发其活性，来生产无公害的水硬性胶凝材料。

水泥材料是多组分的混合物，从理论上讲，凡是可以提供钙质材料和硅质材料的物质，都可以作为水泥原料。在传统的水泥生产中，大多采用页岩或石灰石等天然矿物作为水泥原材料，原生资源消耗大，废气、粉尘的排放量大，对煤炭的消耗巨大，被称为“煤老虎”，这完全背离了可持续发展的基本内涵，对人类及社会的长远发展极为不利。若由其原料本质的化学组成来看，其完全可以用其他

含有相似成分的物质替代，如粉煤灰、铜矿渣、电石渣、高炉矿渣以及煤矸石等。加入某些工业废渣以用作水泥的矿物掺合料，在有效节省水泥熟料、降低生产成本的前提下，还可以改善并提高水泥的性能，比如加入一些经过加工处理的矿渣能够有效提高普通硅酸盐水泥的抵抗硫酸盐侵蚀以及抗渗能力[3]并显著地降低水化放热，粉煤灰可改善含碱水泥的泌水性能。

水泥在生产过程中温度很高，反应稳定，并且伴随充分的气固相热交换，因此利用这些特点，可以在水泥生产过程中同时对可燃的工业废弃物及可燃的生活垃圾进行焚烧处理，这种处理方式不仅节约了单独对垃圾焚烧处理所消耗的能源，还另外拥有独特的优势。在水泥回转窑中，窑内气体温度可高达1800℃，物料温度在1450℃，可以保证熔点较高的有机物也能完全焚烧；回转窑内的高温气体湍流强烈，更有助于彻底焚烧工业废弃物；除此之外，气体在窑内的停留时间一般在4s以上，而物料的停留时间更是超过30min，为待焚烧的废弃物提供了充分的焚烧时间[4]；焚烧后的废弃物残渣可以用作水泥的矿物掺和料，避免了废弃物的二次处理；同时水泥窑体系本身高效的除尘系统能保证废气快速顺畅地被净化处理，从而限制了燃烧产生的粉尘的肆意排放（见图2）。澳大利亚某生态技术公司最近宣布开发成功一种能吸收温室气体的新一代生态水泥，其主要原料为粉煤灰、废料、氧化镁以及普通水泥。据报道，如果世界所产18.5亿吨的普通水泥中的0%由生态水泥替代，将会有16亿吨的二氧化碳被吸收。普通水泥每生产1吨，就会释放出1吨的二氧化碳，与之相反，生态水泥制成的产品是二氧化碳的中和物，如若这种生态水泥与有机废料纤维相结合，它们会成为二氧化碳的吸收物。除此之外，这种生态水泥不仅在强度上完全不逊色于普通水泥，还具有更高的耐氯化物性、耐硫酸盐性以及耐其他腐蚀性化学物质性。

总之，生态水泥改变了传统的生产方式，减少了废弃物的数量，并使其更容易被处理，大大降低了对环境的污染程度，从而与环境相协调，并改善了人类的生活环境，转变为地球的“清洁工”。

3.2 新型墙体材料

实心粘土烧结砖曾经是我国墙体材料的主导，比例高达90%左右。在生产和使用环节中，每年需要耗用粘土约109m3，毁坏无数农田，消耗大量标煤，排放若干粉尘及有害气体，粘土砖块小体重、不利于现代化施工、不满足轻质高强等当今建筑材料的基本要求。现在，人们开始研发利用各种工业废渣生产新型建筑墙体材料——各种轻质板材、墙体砖、矿棉、砌块等，利用甘蔗渣或麦秆等植物纤维生产纤维板，利用各种工业石膏，包括排烟脱硫石膏来生产纸面石膏板等，这些均给墙体材料带来一场全新的生态革命。

具体来说，轻质板材包括加气混凝土板、石膏板、石棉水泥板、普通混凝土墙板、有机涂层彩色钢板、玻璃纤维水泥板等品种。其中，石膏板以其所具有的保温、防水、吸声、轻质、隔热、装饰、空气湿度自动调节以及低廉的价格等特点而得到广泛的应用。人们在单一的轻质板材基础上，将这些轻质板材作为面层，在中间填充保温材料制备成复合墙板。目前人们研发并投入使用的复合墙板有很多种，如“泰柏板”系列的中间填充的是聚氨酯、发泡聚苯乙烯、合成纤维、岩棉