可持续设计理念下水产贝类废壳再利用设计研究

李辛夷

摘要：尝试探究水产贝类废壳材料再加工方式，对贝类废弃物现有利用方法进行再创新再设计，并进行相应的品牌视觉设计，输出适合的包装以及标识。分析水产食物废壳的结构特点和化学成分，通过煅烧生物炭和滤水实验，比较各添加剂对贝类粉末黏合程度及滤水能力的影响，寻找科学性和经济性相结合的水产贝类废壳全新再利用方式。以科学实验为手段，从材料的自身可促进植物生长的特性出发，为产品的绿色环保可持续设计创造提供新理念、新思路、新方法。

关键词：贝类废壳；可持续设计；再利用；品牌视觉设计；创新设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）23-0006-04

Abstract：Try to explore the reprocessing of waste shellfish materials， and re innovate and re design the existing utilization methods of shellfish wastes.Analyze the structural characteristics and chemical composition of aquatic food waste shells， compare the effects of various additives on the adhesion degree and water filtering ability of shellfish powder through burning biochar and water filtering experiments， and find a new utilization mode of aquatic shellfish waste shells that combines scientific and economic benefits .The innovative product brand of "shell sustainability" was put forward， and the brand logo and some materials were designed based on the sustainable design concept.By means of scientific experiments， starting from the characteristics of materials that can promote plant growth， and provide new ideas， new ideas， and new methods for the creation of green and environmentally sustainable design of products.

Keywords：Shellfish waste shell；Sustainable design；Reuse；Brand Visual Design；Innovative design

引言

我國人口基数大、沿海城市多，是世界上最重要的水产品产出国之一，总产量常年位居世界第一，其中，贝类养殖产量占世界总产量的60%以上，伴随而生的是数量庞大的贝壳废料。贝类废弃物附加值较低，大多数都被随意堆砌，不仅占用了大量宝贵的土地资源，而且在高温日晒下还易发酵变臭，引来苍蝇蚊虫聚集，甚者引发传染病等，给环境空间带来了巨大压力。对此，本文以可持续理念为指引，以绿色环保思想为依托，对贝类废壳进行可再生利用和再设计创造，力求缓解水产养殖业产生的大量废弃物问题。

一、可持续设计理论

“可持续设计”概念最早可追溯到20世纪末的绿色设计，理论基础萌生于生态学。“可持续设计”虽与绿色设计、低碳设计均密切相关，但三者并不能完全等同[1]。它不仅仅是传统的物质化设计，更是将产品思维融入其中，使物质的呈现和理念的传达得以更好的契合，在满足人们物质需求的基础上，努力缓和资源消耗、环境污染带来的一系列矛盾，使人与自然和谐共生发展。可持续设计并不是一味地追求绿色生态，不顾商业效益和社会效益，而是在产品与服务的大框架下、满足消费者需求的基础上，努力实现生态与商业的可持续发展，即从环境和资源角度提出关于人类长期发展的战略和模式，倡导在设计过程中应充分关注人与自然的平衡关系，减少资源浪费，使设计成为辅助人类社会可持续发展的一种复合性造物行为[2]。

随着可持续设计研究的不断发展，学者们从不同角度对其进行了定义[3]，同样，可持续设计也受到众多设计工作者的推崇，代表着一种循环再生的产品思维。从涉及的对象来说，可持续设计涉及使用者、资源等，涉及的方式包括整合产品与运用资源、进行设计实践、设计教育及研究等，协调了人、环境、企业和社会多方关系。所以，它强调的不是减少某项材料的使用，也不是从零开始研发一种新材料，而是整合、重构过程中的方方面面，以减少污染能耗、合理配置资源和构建美好生活为目标的综合性设计[4]。在对一项设计进行评估时，除了要考虑前期投入的成本外，还要考虑其附加值与后期回收等问题，若加工所需的水资源过多或带来的空气污染过大，则不符合绿色环保的产品设计需求。若在选材上采用了可降解、可分化的环保材料，但在回收时难以集中处理，需耗费大量人力物力，同样与可持续设计理念背道而驰，是一种伪绿色环保的设计。

水产贝类废壳产量大、利用率低，现今还没有能够对贝类废弃物进行回收利用的经济有效的方式。在进行水产贝类废壳的可再生设计研究时，笔者通过文献研究发现贝类粉末只需要添加极少量添加剂，再压缩排气，最后自然风干，就能很好地黏合塑形。以此为原材料制作的产品充分体现了“从摇篮到摇篮”的理念，具体来说，这些待回收产品可以直接丢弃在花坛、草坪中作为土壤改良剂，最大程度地实现了原材料的回收利用。从绿色可持续设计的角度出发，则最大程度实现了设计赋能。

二、水产贝类废壳回收利用现状及问题

（一）现状分析

近年来，我国贝类养殖产业规模一直呈上升趋势，但是贝类只有占比极少的软体部分和裙边肉才能被食用，每加工1000克贝壳产生的贝类废弃物约300g—700g。每年，我国沿海城市产生的贝类废弃物可达千万吨，仅浙江舟山嵊泗就能达2万余吨。目前，贝类废弃物的主要利用方式包括：家禽饲料喂养、保鲜与防腐、制取活性炭等，绝大部分被堆砌在海边，占用了宝贵的土地资源，在高温天气容易发热发臭，导致大量污水的产生，形成的环境问题持续困扰沿海城市的可持续发展。

（二）问题发掘

目前，我国贝类废壳回收存在各种问题，根据其时间节点和空间分布，大致可分为3个级段。

第一阶段，贝类废弃物主要来自养殖者和捕捞者。此阶段贝壳产量大，形态保存良好，尚未被运输至各地，但往往未得到妥善有效的处理，大多数被随意堆砌在海滩。此类的贝壳原料充足、方便集中加工，是一笔有待挖掘的宝贵財富。通过文献研究和市场调研，笔者也了解到通过淘宝等电商渠道购买的完整贝类废壳大多来源于此阶段。

第二阶段贝壳垃圾主要来自于贝壳食物的消费者（包括各类餐厅）。此阶段贝类产品已经根据市场需求运往全国各地和各方市场，贝壳分布零散，难以集中加工利用。出于回收的经济效益和技术限制等两方面的考虑，大多数餐馆不会对其进行深度处理。在进行垃圾处理时，贝壳垃圾和其他厨余垃圾经常混在一起。这种混合垃圾沤制的有机肥富含丰富的氮磷钾，有益于花卉生长，但收集成本高且气味浓重，整个制作过程繁琐，难以加工利用。

第三阶段贝壳垃圾产生原因主要源于垃圾回收体系不够健全。结合前两个阶段的研究分析可以得知，贝壳垃圾在大多数情况下被分在了厨余垃圾类，而目前的垃圾处理技术难以从餐厨垃圾中分拣贝类废壳，只能掺杂其他垃圾混合处理。据走访了解，杭州某餐饮一条街垃圾车收取垃圾的时间约为两天一次，各类垃圾的堆积和异味都使得此阶段的贝壳垃圾处理成本大，且耗时费力。

三、 贝壳材料探究实验

（一）实验器材准备

对我国水产品的产量及产值进行分析可以得知，水产食物主要包括牡蛎、蛤、扇贝三类，这三类贝壳产生的废弃物也最多，故选择它们作为主要实验对象。

值得强调的是，理想的实验所用的各类炭化炉大多适用于大规模制备生物炭的场景，若研究中所需的生物炭样本较少，一般会使用操作简单、价格低廉的马弗炉来进行烧制。而在黏合剂的选择上，经过对各黏合剂的成本、环保程度进行综合比较分析，最终选定淀粉糨糊、生物糯米糨糊、琼脂粉、免烤陶土、石膏粉、滴胶等作为实验黏合剂；研磨工具主要为舂捣工具、粉碎机，将贝壳处理成贝壳粉之后，再添加黏合剂，再将贝壳粉和黏合剂的混合粉置入压模工具塑性。

除此之外，还用到量筒、烧杯、表面皿、灰皿等常规实验器材。（二）实验目的

通过反复的对比实验来确定经济效益和环保程度都相对较高的黏合剂，并在此实验过程中探究水产贝类废壳制成可降解花盆的可行性。

（ 三）实验过程

1.原材料初处理。由于购买的牡蛎等贝壳原材料中含有大量泥沙，且仍保留着部分软体组织。基于对实验结果严谨性的考虑，实验研究所用贝壳都要经过统一的标准化处理，而后将处理干净的贝壳置于60°C的烘干机中，烘干后作为实验原料。

2.生物碳煅烧。使用锡箔纸将贝壳包裹，再使用马弗炉进行生物碳煅烧。对锡箔纸包裹的贝壳进行有氧梯度加热，热解温度设置3个水平，分别为200℃、400℃、600℃，加热至指定温度后，每个水平下设置的热解时间为30分钟。每烧制至某一设定温度，便打开马弗炉记录样本信息，这个过程中值得注意的是，开炉后炉内高温气体会接触到些许氧气，炉内温度会有所下降（且实验样本易转化为灰化物，导致出炭率降低）。所以，在烧制结束后，关闭马弗炉电源，需等炉内温度降低后，再打开炉门，这样可以避免高温生物炭与冷空气的接触[5]。

3.研磨粉碎。将烧制后的贝壳放入舂捣工具中研磨至小颗粒状，再使用搅碎器处理至无明显大颗粒的粗糙粉末状，最后使用粉碎机二次处理，使粗糙粉末状变成实验可用的较小的、粉质细腻的贝类粉末颗粒。

4.黏合剂添加。将研磨好的贝类粉末颗粒等量分为7份，其中一份作为对照组，其余6组分别添加6种种类不同、但质量相同的黏合剂，并将其搅拌均匀，使贝壳粉与黏合剂充分融合。

5.压制风干。将混合均匀的粉末置于压制工具中，用力压缩排出多余空气，使材料更加紧实坚固，置于阴凉处自然风干3天。

6.疏水性检验。通过简单的滤水实验检验各添加剂对土壤疏水性的影响，记录30秒、90秒、180秒时各样品的出水量。

生物碳烧制及添加黏合剂的整个实验过程如图1所示。

（四）实验结果记录和分析

1.贝类煅烧后的颜色和结构变化及特点。据观察和记录，在生物炭烧制过程中，当温度达到200℃时，壳体表面颜色变淡变灰；当温度达到400℃时，颜色褪至灰白色，依稀透出原有颜色；当温度达到600℃时，壳体颜色彻底褪至灰色，表面颜色不断加深，并出现明显裂缝。伴随着温度的上升和加热时间的延长，壳结构已无法保持，壳体灰度加深、强度降低。烧制后的样品出现明显的孔隙结构，与生物炭的结构特点相符，该特点有利于增加土壤的透气性和排水性，为植物生长提供更适宜的环境。而通过滤水实验可以得出：相同体积下，添加了贝类生物炭的土壤更疏水透气，不易造成植物烂根，其中牡蛎壳烧制的生物炭加入土壤后，土壤的疏水性最好。

2.各黏合剂效果对比分析。在生物炭相同的情况下，添加剂为石膏时，样品塑形难度较小，制成的花盆硬度较大且制作成本较低；在添加剂相同的情况下，牡蛎废壳烧制的生物炭较易塑性且不易干裂。若贝壳粉添加滴胶材料，则完全干透所需的时间最长、材料成本较高，环保程度也较低，由此可见，滴胶是最不合适作为黏合剂的材料；总的来说，石膏添加剂价格适中，黏合强度大，样品硬度高，相对来说也比较环保，在实验材料中最适合作为生物炭黏合剂。各黏合剂添加后的塑性难易程度、环保程度等实验结果，见图2。

四、可持续理念下水产贝类废壳回收利用的花盆品牌设计

在前文中，基于对水产贝类废壳回收现状和相关问题的深度调研，结合对植物种植的市场需求进行的基本实验研究，发现水产贝类废壳的回收存在很多痛点和盲点。在实验研究中对各贝壳的材料特性进行了对比分析，得出水产贝类废壳可以成为很多产品的原材料，故创建“壳持续”贝类废壳可持续设计花盆品牌。

首先，品牌名称“壳持续”是可持续的谐音，表明此品牌依托的是可持续的发展理念，传达绿色环保的生产生活宗旨。另一层含义则契合品牌的设立目标，以贝类废壳为原材料，实现贝壳的循环利用，希望能够随着品牌的推广，实现以贝类废壳为原材料的产品的批量生产，缓解大量贝类废壳造成的环境污染和资源浪费，从而提升沿海城市土地利用率，最终实现贝壳的可持续利用。

其次，实验表明，煅烧后的贝类废壳所产生的孔隙结构使其吸附性得到了进一步提升，进而能够促进土壤团粒结构的形成，增强土壤透气性和保水保肥能力，并为植物提供了生长过程中所需要的钙、锌等矿物活性元素，而使用后的花盆直接作为肥料使用，有效解决了用户种植过程中的绿色施肥难题。从产品的整个使用过程来说，基本实现了无污染、零浪费、可持续使用，实现了物尽其用，多方共赢。

（一） 可持续理念下水产贝类废壳回收利用的品牌标识与字体设计

品牌标识是品牌理念的体现，是品牌建立初期传播的关键所在，作为品牌“眼睛”和宣传窗口，富有记忆点和创意点的标识不但能很好地传达品牌理念和精神，还能宣扬品牌形象和文化。在“壳持续”品牌中，以具有良好吸附性能并含有丰富钙铁元素的贝类废壳为原材料，结合回收利用贝类废壳的设计目标，将高温煅烧后的贝类废壳制成花盆，为植物生长提供充分的养料，实现绿色施肥，达到了变废为宝，循环利用的设计目的。故在标识设计时紧扣品牌理念，用贝壳形态和象征生命力的嫩叶的同构设计表达绿色共生、可持续发展的品牌文化。

同样，文字的组合呈现也是信息表达的重要方式，可通过字体确定品牌的统一规范，表达品牌情绪，营造品牌文化。“壳持续”的字体设计为非衬线字体，更能让受众感受到品牌简约、环保、和谐的文化内核，在潜移默化中加深用户对产品的认知，提高品牌的认可度。

综上，品牌的标识logo创意来源于图3，logo结合贝壳的形态、纹理和绿叶造型，具体的设计如图4所示。

（二）可持续理念下水产贝类废壳回收利用的品牌产品设计

在确定了“壳持续”的品牌标识和字体后，为最大可能节约空间和成本，笔者采用了可diy（即可叠加和可拆卸）的花盆组合方式，即在对花盆的造型和功能进行设计时，采用较为简约和线性的产品样式，基于这样的设计，花盆可叠加使用，每个花盆由方正的3個小单体和1个大单体组成，可拆分组合。拆分使用时，较小的花盆可置于桌面、茶几等地方，最大的花盆单体可用于种植体积较大的植物；组合使用时，能在保持造型美观的前提下有效减小占用空间，收纳也更加方便。产品结构上，小阶梯的设计突破矩形构造，削弱外观造型的呆板简陋，使花盆更显灵活感和精致感。产品设计的具体造型如图5所示。

（三）可持续理念下水产贝类废壳回收利用的品牌物料设计

品牌的设计包括名片、卡片和包装袋等多种物料，在进行设计时，以环保、简洁作为物料的主要风格，蓝色和绿色作为主色调，强调可持续的“壳持续”设计品牌理念，既表达可持续的绿色设计概念，又达到产品包装与品牌理念的协调统一。

在物料材质的选择上，我国秸秆利用率较低，每年有大量秸秆废料化、燃料化，造成空气污染和资源浪费，因此，选择可降解秸秆作为“壳持续”包装原料。这种纤维质材料的制浆废液回收利用效率高[6]，既降低了生产过程中的用料成本，也符合可持续绿色发展的品牌理念，具有良好的社会、经济和环境保护效益。加工工艺采用热压成型，加工消耗能量小；小卡片则采用可环境降解的植物纤维纸张，上附使用说明和产品介绍。卡片和外包装印刷采用环保染料，减少了化工油墨的使用，尽可能降低了生产过程产生污染的可能性。“壳持续”字体、标识、造型等，具体的物料设计如图6和图7所示。

总的来说，品牌设计以贝类废壳的有效回收利用为宗旨和目标，主要内容包括品牌标识、字体设计、产品设计及相关物料设计3部分，向用户传达了可持续、可循环等绿色设计理念，产品的可持续使用性及原材料的可降解性等多方面的含义，最终形成“壳持续”的综合品牌。

五、实物制作

为验证产品的可行性和落地性，笔者对产品进行了打样制作。基于制作成本的考虑，最终采取了倒模再倒模的方式，先3D打印产品，再根据打印件制硅胶模具，最后在硅胶模具中灌入调和好的生物炭及黏合剂，脱模完成产品制作。

（一）制作步骤

1.利用树脂材料3D打印产品建模图，将其组合检验3个小单体是否能嵌入大单体中；

2.制作硅胶模具。在制模工具的选择上，笔者选择了工业硅胶固化剂，它含有微量重金属锡，有轻微异味，固化后会消失，但价格较为实惠，且能通过增大固化剂的比例缩短固化时间，提高翻模效率。灌模前需准备大于打印件体积的塑料盒，将购买的自消泡硅胶液和固化剂按照比例调和，用调刀充分搅拌硅胶液，而后在3D打印件表面涂上凡士林，再用刷上一层硅胶液，用软油泥固定模种，并将全部硅胶灌入盒中，静置12小时进行脱模；

3.硅胶脱模。喷涂脱模剂到母模表面辅助硅胶脱模，必要时使用硅胶切割刀划开硅胶辅助取模；

4.生物炭塑形。将烧制好的贝类废壳加入适量石膏粉及水调和，石膏粉起添加剂作用，不宜加入过多。调和好的生物炭应使之充分贴合模具的每个角落，确保脱模后产品形态的完整性；

5.脱模，成品完成。

（二）总结与反思

1.用配套塑料翻模积木搭建长方体围栏作为容器灌入硅胶液时，容器有孔隙存在，无法做到严丝合缝，硅胶液易泄露。换成塑料盒灌液后有效解决了液体泄露，但仍然存在一定问题，在塑料盒内壁涂上一层凡士林后整模脱模依旧十分困难，建议购买盒体较薄的塑料盒，方便脱模时直接剪开外盒；

2.3D打印件表面需涂抹厚厚的一层凡士林，否则容易发生粘连，脱模极其困难，若打印件表面还有很强的黏稠感，可用75° 酒精擦拭；

3.硅胶液与固化剂需要充分混合。需用调刀全方位用力搅拌硅胶液，尤其需注意残留在容器内壁上的硅胶，若硅胶液与固化剂未能搅合均匀，最后的混合物会黏稠难干，无法成模，同时硅胶液和固化剂的比例控制在100：1-100：2.5较为合适。固化时间长短还与外界温度、固化剂比例有关。外界温度越低，固化剂的比例越少，固化时间越长，但更容易让硅胶内气泡排出；

4.为防止硅胶液中有过多气泡，尤其有贴合打印件轮廓的气泡破坏产品最终结构，需在母模表面先刷一层硅胶液，待半固化后，再调硅胶倒入容器内，这样可以让贴近模具的表面光滑，也可用抽真空机消除气泡；

5.花盆脱模时，切忌硬拉硬扯，以防结构破损。产品实物实拍图，见图8。

六、产品可持续性评估

产品秉承可持续发展的理念设计，充分延长了贝类废弃物的生命周期，为生态与经济的可持续发展、人和自然的高度和谐统一助力。根据设计可用性评估法则，对“壳持续”可降解花盆品牌进行评估。从生态效益的角度出发，该花盆的生产及推广一定程度上实现了水产贝类废壳资源化，缓解了沿海地区水产废壳随意堆砌、引发恶臭等亟待解决的问题；从经济效益的角度出发，贝壳附加值低，经济效益有限，在医药、建材等领域废物消纳量小，而贝类废壳制成可降解花盆的再加工方式受众较广，使用范围受限小，且加工成本及技术含量低，经济效益高；从社会效益的角度进行，该产品为水产废壳再利用提供了新的思路，为废弃物可持续设计提供了绿色可行的新方法，具有充分的落地可能，实现了资源利用最大化，具有良好的发展前景。

结论

水产食物废弃物制成可降解花盆作为一种新型的可持续利用方式，对保护环境、缓解食物废壳处理压力、解决施肥难问题、节约社会能源等多方面均有重大作用。本文针对水产贝类废壳材料如何化废为宝、进行设计再造这一问题进行探讨，通过生物炭烧制、黏合剂选择、产品再塑形等探究过程，用多学科融合及跨学科合作的方法，以全新的视角进行设计实践，为贝类废壳可持续再利用拓宽了新思路、创造了新可能。在这个时代里，如何利用新科技、新材料、新设备赋予设计领域巨大能量，完成设计转型，共同打造具有生命力的可持续再生产品[7]，是我们需要持续思考的问题。

参考文献

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[6]王南轶，陈旭辉，潘林.基于柯布西耶模度理论在产品设计上的研究应用[J].设计，2022，35（14）：111-114.

[7]张弛，高鑫，杨洪君.再生设计与教育：为了可持续发展[J].中国艺术，2022（03）：90-95.