废弃物回收再利用——基于3R原则的新材料探究

李颀欣 李鑫

1. 亚琛工业大学建筑学院硕士研究生 （RWTH Aachen） 德国 亚琛 52062；

2. 山建大建筑规划设计研究院A3工作室 山东 济南 250014

1 研究背景

1.1 概述

当前人们对正在极度地利用和消耗自然资源，对原始天然材料的开采已经超出了其可恢复能力值，对环境造成了严重的损害。快速的城市化和城市人口的快速增长导致了对地球资源的需求增加和能源消费总量的不断加大[1]。

全球人口有一半以上居住在城市，这意味着大约30亿人口只占据地球2%左右的陆地面积，创造了全世界70%的GDP，消耗了世界70%的能源，产生了全球70%的废弃物，排放了全世界70%的二氧化碳。到2050年，世界人口预计将增长到93亿，其中70%居住在城市[2]。城市人口增长将伴随着对原材料和资源需求的增加，能源利用率低又进一步造成资源浪费，加重了环境负担。

1.2 固体废弃物处理现状

据世界银行预测，到2025年中国城市生活垃圾产量将达到1397755吨/天。无论是发达国家还是发展中国家，当前对于固体废弃物的处理都没有给出一个完全令人满意的答案。以电子产品为例，发达国家每年都会消耗大量的电子产品，尽管各国都在探索研究回收利用电子垃圾技术，在许多情况下，这些垃圾都会出口到国外，尤其是欠发达国家。非洲加纳的阿博布罗西镇是世界上第二大电子垃圾场，也是世界上污染最严重的电子垃圾场之一，每年全球有数百万吨的电子垃圾在这里被烧毁。在加纳，人们从农村转移到废弃物站点附近，剥开并且烧掉电子废弃物，以收集里面有价值的金属，如铝和铜。电子垃圾的塑料外壳在露天场地不受控制地燃烧，产生含有致癌物质的黑色有毒烟雾。每天参与这项捡垃圾工作的居民可以挣到两到三美元，只是为了生存下去。据统计，2010年约有4万吨电子垃圾进入加纳，而非洲电子垃圾总量也仅为23万吨[3]。

1.3 废弃物回收现状

即便是在发达国家被回收的废弃物，也并没有很妥善地完成后续处理工作。在美国每年生产的约2.51亿吨城市固体废物中，只有约8700万吨被回收利用。其余的大约1.64亿吨最终被运往焚化厂和垃圾填埋场[3]。用传统的方法处理废弃物的同时又是一种对自然资源的间接浪费，因为当初生产这些“废弃物”时消耗了大量的能量，水和其他资源。

据环保部统计，2011年我国一次性塑料饭盒和各种泡沫包装废弃物达到9500万吨，废旧家电等废弃塑料达到6500万吨。加之其他废弃塑料总量近2亿吨，而总回收量只有1500万吨，回收率不到10%[4]。

1.4 建筑物成为全球变暖的重要因素

建筑物作为世界上最大的自然资源消费体之一，大量依赖不可再生的化石燃料，特别是石油，作为建筑材料和建筑自身运营的基础能源。统计数据显示，对不可再生资源的使用，世界建筑物消耗了全球能源的40%，同时又贡献了全球至少30%温室气体排放量。这使得建筑成为全球变暖的重要因素[5]。因此，现阶段需要开发更有效的解决方案，以减少现有和未来建筑物对环境造成的破坏。解决这一难题的重要思路是重新考虑我们生产和使用的建筑材料。

2 解决方法/策略

在消费和生产的线性系统中城市主要消耗从其他地方引入的资源，之后产生大量城市垃圾和污染物。如果按照当线性发展模式下的能源消耗趋势，大量废弃材料和生产物被不可避免地丢弃，到2050年将需要两个地球资源来满足人们的基本需求。为了解决当前的危机，应该采取一种可持续循环发展模式。3R原则，即“减量化原则（Reduce），再次使用原则（Reuse），回收加工再利用原则（recycle）”，是由W.M.S.Russell和R.LBurch于1959年提出的循环绿色经济原则，应当成为建筑行业新的指导方针。减量化原则，即减少对自然的破坏，对环境资源的消耗；再次使用原则，即提高重复利用率，也是减少废弃物，节约资源，降低回收成本的有效途径；回收加工再利用原则强调对废物进行回收，通过再生技术和方法，再生成具备新价值的新材料[6]。3R原则在物质层面强调了资源的再生和循环利用，是解决自然资源匮乏和开辟新型建设道路的有效手段。

与开发自然资源相比，再生资源的利用大大降低了生产成本，减少了用于生产本身所消耗的能量，节约了能源同时又消耗了社会产生的废弃物。如果生产1吨再生铜，则可减少排放100吨工业废渣和2吨二氧化硫；回收再利用1吨废纸可以减少75%的空气污染和35%的水污染[7]。

3 建筑材料

要理解可持续背景下建筑材料的重要性，首先应当理解原材料开采和生产所造成的影响。在这一方面，建筑行业与之具有最为直接的关系。地球资源最大量的开采都源于建筑领域，而且目前没有任何需求减少的迹象。建筑行业的发展对地球环境带来了一系列影响：全球变暖，臭氧耗减，自然栖息地和生物多样性丧失，土壤被侵蚀，有害气体释放等。大量的资源开采往往产生大量的废弃物，而废物处理的主要手段仍然是填埋，从而进一步加剧了环境的恶化[1]。

3R指导原则的关键在于将废弃的材料转化为具有新价值的再生资源，从而将当前资源线性消耗系统转变为可持续的循环再生系统。也即是说，对于3R原理的理解不仅仅局限于废弃资源的回收，而且还是在可回收前提下进一步加工成具备新价值的新材料。

3.1 新材料

所谓的“新材料”就是将“配方”进行更新，重新组合形成，从而解决原来的问题，在这些“新材料”中其实并没有任何一种材料是新的，这些材料全部来源于人类赖以生存的地球，通过数千万亿年的形成和累计而来。当今情势下，人们可以利用新兴的各项技术来对这些材料进行使用，通过不同的加工组合过程，从而演变成一种新的可使用的产品用于各行业中，新世纪对现有资源的利用有新的要求，日裔枯竭的资源使得人们开始更加重视原材料的使用，在废物回收利方面，逐渐发展壮大，新材料在可持续背景下的研究也逐渐被人们重视起来，从而发生了一系列的改变发展，比如从化石原料的应用向基于生物制造方向的转化。基于鱼鳞的自愈合材料或者基于甘蔗渣的代木材料等，都是在未来材料领域具有很大发展潜力的有机材料。

3.2 废弃物再利用——再生建筑材料案例分析

（1）BioSIPS

由科罗拉多大学丹佛分校教授JuleeHerdt所研究的生物结构隔热板（BioSIPS）获得了环保建筑系统专利。BioSIPS是基于生物质所研制的建筑板材，其综合性能优于传统SIP（结构绝缘面板）。BioSIPS最大的特点是利用废纸，杂草，废木等废料为原料，采用专有湿法技术将大量低价废物转化为高附加值产品[5]。该建筑材料质轻耐用且易于组装，可应用于隔墙，屋顶与地板。BioSIPS将成千上万吨固体垃圾转化为安全，耐用，节能的建筑材料。JuleeHerdt称，“BioSIPs的发明实际上消耗了社会的废物资源，并将大量废物转化为有价值的产品，用于安全，强大和节能的建筑物。废弃物具有很高的利用价值，我们只需要使用正确的工艺和方法来找到它8。”

（2）TUFFROOF

1951年鲁宾·劳辛（RubenRausing）在瑞典建立了利乐公司，并创新地制造了一种牛奶容器系统——利乐四面体纸包装（TetraPak），跟其他包装相比耗材最少，卫生水平最高。自此利乐公司便成为世界范围内最主要的液态食品大型供货商之一。利乐在2011年共生产了1670亿件包装。

利乐包装是由纸、铝箔和聚乙烯塑料复合加工制成，可有效阻挡外界的污染与氧化。基于其4R生产理念，废弃包装可以回收，物料分离再利用[9]。由于该过程需要在特殊回收设备中进行，这使得回收成本变得昂贵，在发展中国家很难有效实施。印度达曼甘加集团（ Daman Ganga Group）认识到这种高度工程化产品的价值。但由于必要的回收设备昂贵，他们发明了一种替代方式来充分利用废弃资源。被称为TuffRoof的防水板材，由纸、聚乙烯和铝复合制成，生产过程中不再需要任何其他材料。将废弃利乐包装切成非常小的碎片，再将其放入模具中加热以激活原本的塑料，石蜡和胶水，从而产生新的黏合作用。在压力作用下形成了瓦楞状板材（图1）。该屋面板防水，防火，质轻灵活且无腐蚀，具有很大的发展潜力[10]。

图1 由废弃利乐包装盒生产的屋面板TUFFROOF

（3）秸秆材料

通常只有种子被视为粮食生产中最有价值的部分。而植物自身大部分的谷物秸秆被认为是废物。在建筑领域，美国早在十九世纪八十年代就利用了这些收割后作物的剩余资源来开发秸秆建筑[11]。由德国Strawtec公司生产的压缩秸秆面板在隔音和防火等级等方面具有优良的物理特性。通过热暴露，小麦秸秆中的淀粉被激活，起天然胶的作用，在不使用其他化学添加剂的前提下生产出在工地上易于处理的屋面板[10]。除此之外还可通过粉碎，添加复合材料，热压等工序将废弃秸秆制作成秸秆砌块秸秆瓦等建筑用材。秸秆建筑材料在隔热抗震隔音等方面具有优良的性能[11]。作为农业大国，我国秸秆资源丰富。在当前可持续发展背景之下，秸秆建筑无疑一个具备未来潜质的建筑类型。

小节

除上述提及之外还有很多出色的再生建筑材料，笔者在此不一一详举。废弃物回收再生材料的应用，一方面有效减轻了环境负担，另一方面节省了自然资源，提高了经济效益。

4 新材料实验

可回收利用的固体废弃物具有多样化，既可以是工业废弃物，也可以是农业废料。我国是农业大国，笔者尝试从农业有机废弃物角度着手，探索制备新材料的新思路。

4.1 硬质壳类

除去食用部分，果壳绝大多数都被废弃或烧掉，较少部分用于堆肥、填充物及药用功能，极少部分被进行深加工，进而造成潜在资源浪费。在当今倡导绿色，低碳，可持续发展的社会，废弃物再利用问题不断受到重视[12]。

下列三组材料均由硬质壳类废弃物制作而成：

a组成：椰子壳和杏壳、木胶； 直径：6.1cm； 厚度：1.5cm； 重量：35g

该材料样品是椰子壳和杏壳碎片的混合物。在室温下，黏合剂干得很快，即本品能快速生产。该材料耐用且不透明，表面粗糙，可应用于建筑板材。

b组成：椰子壳，大米；直径：6.1cm； 厚度：1.3cm；重量：32g

该材料的本质改进在于用大米代替人工粘结剂。为了得到性能优良的“米胶”，需要将熟制的大米完全捣成糊状。然后混合米糊和椰子壳碎片。为防止“蛋糕”发霉变质，需要尽快将其烘干。整个过程花了比样本 1更长的时间。在完全干燥的状态下样本b与样本a有类似的物理特性，即也具备板材应用的潜能。

c组成：杏壳，大米；直径：6.1cm； 厚度：1cm； 重量：21g

和样本b相比组成颗粒更加细小，因此材料的厚度和表面粗糙程度在制作过程中可以更容易控制。类似地，该样本也具有一定的强度和不透明性，同样可以作为建筑板材替代材料。

4.2 软质材料

原理与硬质壳类材料一致，同样以农作物被丢弃的外皮为基础原料。

下列三组材料均由软质废弃物制作而成：

d组成：玉米穗，大米；直径：6.1cm； 厚度：0.8cm；重量：5g

由玉米穗和大米混合在一起。材料自身不透明，相当轻便灵活。它具有作为建筑保温隔热材料的潜能。

e组成：玉米芯，木胶；直径：7.5cm； 厚度：约 0.7cm；重量：12g

通过横向切割玉米芯得到截面单元。之后将其三层交错用木胶相连。随着水分的蒸发每个截面单元都有不同程度的收缩。尽管如此该样本表面仍呈现出有秩序且较均匀的变化。该材料具有充当建筑外挂材料的潜能。

f组成：蒜皮，木胶直径：6.5cm 厚度：约 0.05cm重量：＜1g

将蒜皮压平，然后用木胶胶合。该样本呈半透明状，轻质并且有很强柔韧度。材料完全干燥后不会霉变。

4.3 材料样本实验数据分析

以硬质杏壳为例，进一步探究其构成材料的物理特性。测试方法如图。制作同等大小的样本，在相同条件下测试其受力性能。基于材料由杏壳和米胶两部分组成，将实验材料分为两组，每一组控制唯一变量，分别测试其相对物理性能，探寻该材料的最佳配比方案。

材料受理性能测试

第一测试组：25g 大米+25g 杏壳

变量：杏壳碎片大小

物理特性①②变量平均碎片直径：2cm平均碎片直径：1cm透水性容易中等防火性差差耐水时长短中等材料强度1个水桶+10瓶水=5.414kg 1个水桶+4瓶水=2.252kg完整性差良好

物理特性③④变量平均碎片直径：0.5cm平均碎片直径：混合透水性较难较难防火性差差耐水时长较长较长材料强度1个水桶+7.5瓶水=4.096kg＞1个水桶+5瓶水=2.779kg完整性好良好

第二测试组：总重45g

变量：大米和杏壳碎片质量比

物理特性⑤⑥变量15g 大米:30g 杏壳= 1:2 22.5g 大米:22.5g 杏壳= 1:1透水性容易中等防火性差差耐水时长短中等材料强度＜1 个水桶+1 瓶水=0.671kg 1 个水桶+4.5 瓶水=2.515kg完整性差良好

物理特性⑦变量30g 大米:15g 杏壳= 2:1透水性较难防火性差耐水时长较长材料强度1 个水桶+5.5 瓶水=3.024kg完整性好

结论：通过两组测试，可以得到如下结论：坚果壳碎片直径越大，同时“米胶”比例越大，成形的材料强度越高。

4.4 防水性能改进

图2 树脂预先跟“米胶”混合

图3 样品成形完全干燥以后表面涂上树脂

经测定，树脂和“米胶”预先混合以后会大大降低大米作为黏合物的粘力。因此方案 2 是最优方案。

小节

该材料实验尝试提供了未来材料发展的新的可能性。对于其物理性能仍具有进一步加强和改进的潜质，比如探究如何结合类似于钢筋混凝土的加固料，以完善材料结构强度。

5 “3R”材料应用前景和挑战

新世纪对能源利用的要求日益严肃。“3R”材料的研究和应用，极大提高了资源的有效利用率，减少了能源消耗，减少了温室气体排放，是实现城市化建设与自然环境保护双赢的一种有效策略。要实现“3R”材料在市场中的推广，一方面应当继续提高材料自身应用潜质，另一方面应当有机整合3R产业与其他相关产业，以进一步降低回收及加工成本。笔者相信，在不就的将来伴随科技的发展，资源的配置与利用会逐步趋于合理，“3R”材料必将为我们的生活注入新的活力。

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图片来源:图1为参考文献[11]。

其余图片均为作者制作拍摄。