第三只眼看材料產業與環保

辛妍

2013年，來自英國劍橋大學、荷蘭烏得勒支大學和美國麻省理工學院的研究人員為英國皇家學會寫了一份題為“材料效率：用更少的材料生產提供材料服務”的報告。報告中指出，在未來40年，隨著人口的增長和財富的增加，對材料的開采和加工的需求有可能會增加一倍，而這其中所需的處理對環境的影響將變得非常關鍵，特別是工業界驅動了近三分之一的全球能源需求。如果世界想要達到其氣候變化的目標并同時保持經濟增長，那么僅靠發展低碳能源供應和增加回收利用是不夠的，因此必須更有效地使用材料。

本文將探討鋼鐵、有色金屬、化工、建材等行業如何更有效地使用材料以達到環保的目的，同時也對新材料在半導體、稀土催化及新型汽車鋼方面的一些發展進行闡述。

鋼鐵行業

鋼是經濟增長與環境責任相輔相成的綠色經濟的核心，也是世界上最可再循環利用的材料。即使是150年前制造的鋼今天也可以回收并應用于新產品中。按行業劃分，全球鋼鐵回收利用率在機械行業約為90%，建筑行業約為85%，汽車行業約為85%，電子和家用電器行業約為50%。這導致全球加權平均超過83%。如今，97%的鋼副產品可以被重復使用。

回收再利用廢金屬可減少溫室氣體排放量，并且比從原生礦石中制取金屬消耗的能量少。與使用原生礦石相比，回收舊鋼可節省56%的能源消耗。同時，鋼的回收再利用可以節省天然資源。回收一噸鋼可以節約1.13噸鐵礦石、635公斤煤和55公斤石灰石。

鋼也是創新和發展的行業，每年全球鋼鐵行業花費超過120億歐元用于改進制造工藝、新產品開發和未來的突破性技術。新型輕鋼極大地改變了市場。1937年，打造舊金山的金門大橋需要8.3萬噸鋼，而今天，只需要一半的量。而采用先進高強度鋼（Advanced High Strength Steel，AHSS）作為結構的車輛重量比使用常規鋼的車輛重量要減少35%，從而極大地減少了溫室氣體排放。

鋼鐵主要生產過程中產生的污染物和廢棄物主要分三類：空氣污染物、廢水污染物和和固體廢物，同時需要消耗大量的水。在過去的二十年里，煉鋼技術和排放控制技術的持續改進，加之更嚴格的政府法規，大大減少北美、西歐和日本的此類排放。通過引入堿性氧氣煉鋼，可以讓廢氣的收集和再循環以受控的方式進行，從而減少排放量；而連續鑄造工藝的使用減少了能源消耗，從而減少排放量。在鋼鐵的總污染控制成本中，有超過一半以上涉及廢氣排放，估計達到總生產成本的1%～3%。空氣污染控制設備大約占工廠總投資的10%～20%。

鋼鐵行業環境保護的一個關鍵任務是保持空氣清潔，減少硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、煙塵和粉塵等的排放。鋼鐵粉塵帶來健康風險，并且可能對環境造成滋擾。為防止灰塵逸出，鋼鐵生產商提取富灰塵煙氣，封閉儲存和鐵礦石輸送管道；為降低硫氧化物排放，鋼鐵企業盡量使用低硫燃料并進行煙氣脫硫；為減少氮氧化物排放，鋼鐵企業使用先進的燃燒器或廢氣處理設施。例如蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）在德國的熱軋廠使用先進的燃燒器，限制加熱爐的長度，采用蓄熱式系統，從而達到低成本地有效減少氮氧化物排放的目的。通過使用先進的除塵技術，輔之以二次除塵系統，灰塵顆粒物排放被降至最低。蒂森克虜伯從1975年開始使用該設備工藝，到2007年就已經將總粉塵排放量減少了超過90%。

鋼鐵制造需要較高的溫度，大量水被用于非接觸式冷卻。為了盡量減少對地下水的開采，海水有時會被用于冷卻。引入水強度減少目標并隨時映射和計量，可以通過檢測泄漏和異常消耗來幫助提高認識，從而減少用水量。在閉環系統中，水經處理可以重復使用40次以上。另外，水還被用于漂洗和清洗，這就需要安裝處理設備改善污水水質。在美國，通常表現好的鋼鐵企業會將其水再循環利用技術與其他廠商共享。

有色金屬行業

有色金屬主要包括鋁、銅、鉛、鋅、鈦、鈹和鎳等，常被用于需要較少的重量、更高的強度、無磁性、較高的熔點或耐腐蝕的結構建筑。它們還被指定用于電氣和電子應用。其中，鋁因其低密度、耐腐蝕而備受關注。鋁及鋁合金制成的結構組件對航空和航天工業，以及其他運輸領域和結構材料都相當重要。

高科技設備壽命的不斷縮短以及對各種小工具日益增長的需求增加了對有色金屬的需求。TechNavio的分析師預測，全球有色金屬市場在2013到2018年間的年復合增長率為6.02%。而全球有色金屬市場也已經目睹了日益嚴重的環境問題和能源制約。例如隨著全球鋁仍然供過于求，而原料和電力的價格卻持續上漲，全世界的鋁企業都被迫更重視削減生產成本，并減少鋁生產對環境造成影響的現代化生產流程。

比如俄羅斯聯合鋁業集團（UC RUSAL）自2005年開始就啟動了改進鋁電解自焙工藝的項目。在2014年，KrAZ和BrAZ將開始逐步用綠色的連續自焙陽極電解槽取代現有的還原槽，這一轉型過程大約需要4到4.5年。通過采用這一新的生產工藝，鋁土礦不僅被用來生產氧化鋁，也能生產大量新產品。其結果是減少生產廢物，即紅泥。第一階段，預計紅泥的產出會下降30%左右，最終期望下降達50%～70%。在這種新工藝下，不僅僅是處置廢棄物，而是更高級的生產多樣化。

當今世界的能源越來越貴。由于較低的能源消耗，廢金屬回收利用與開采和加工原生礦石相比，能顯著降低溫室氣體排放量。根據聯合國環境署（United Nations Environment Programme，UNEP）的數據，鋁的回收利用比冶煉原生礦石節約92%的能源，而銅也可以節約90%的能源。在美國，由于政府的目標是長期減少溫室氣體排放，因此回收行業的吸引力極大。根據美國廢料回收工業協會（Institute of Scrap Recycling Industries，ISRI）的數據，有色金屬回收雖然數量小，但所占的價值份額卻高達全部金屬回收的50%。作為世界最大的銅回收生產商和歐洲最大的銅生產商，Aurubis AG公司的首席執行官Willbrandt認為，有色金屬行業是“高效和可持續的生產方法的驅動器，有效利用資源的問題是有色金屬行業戰略的核心。”

化工行業

幾乎沒有一個行業不使用化學品，全世界數以百萬計的人都直接從化工行業得到好處。根據聯合國環境規劃署2013年的數據，全球化工產業自2002年以來大幅增長，目前產業總產值達41億美元，而1970年僅為1.71億美元。

雖然化學品是世界經濟的主要貢獻者，但為避免其對人類健康和生態系統的重大和日益復雜的風險，對其整個生命周期的健全管理至關重要。2012年，聯合國環境規劃署在其《全球化學品展望》報告中指出，全球化工行業的增長以及對健全管理的缺乏，已經嚴重威脅到人類的健康和環境，并增加了財政負擔。報告中的統計數字顯示，某些化學品（包括鉛和農藥）每年在全球估計造成96.4萬人死亡，占全球每年總死亡人數的1.6%。全球化工行業早已意識到化學品的生產和使用可能對人類健康和環境造成不利影響，因此多年來一直倡議發展化學品在使用、生產、運輸和安全處置上的協調一致、全行業支持的最佳實踐標準。

自2002年以來，聯合國一直在推動全球采用其國際化學品管理戰略方針（SAICM）。而目前全世界基本已經對聯合國的目標達成共識，即到2020年，世界各地的化學品的生產和使用方式，要最大限度地減小對人類健康和環境的重大不利影響。

歐盟有被稱為REACH（化學品的注冊、評估和授權）的化學品政策，并于2007年6月1日起作為法律開始實施。REACH的主旨是鼓勵將危險化學品更換為更安全的化學品，并激勵企業和化工行業研究和開發更安全的產品。REACH要求企業對他們所使用的化學品負責，他們有責任證明化學物質因為它們的使用方式而安全。

此外，聯合國有一個全球統一的系統，稱之為GHS，用以識別確定危險化學品，并通過在包裝和標簽上標注標準符號和短語，或通過安全數據表，向公眾和用戶傳達這些危害。這促使各國實施GHS作為一個統一基礎，提供一致的關于化學物質和混合物的物理、環境和安全信息。

建材行業

建筑業消耗巨大數量的基礎材料，而制造這些材料會消耗大量的能源，產生驚人的溫室氣體排放量，對自然環境造成深遠的影響。在北美，建筑物環境的溫室氣體排放量約占總排放量的三分之一，其能源、水和材料的消耗也基本如此。如果材料科學家和企業家可以設計出能用較少的能源制造出的材料，那么氣候變化可能會放緩，并可以為制造業創造許多新的就業機會，實現清潔技術創新這一萬眾矚目的承諾。與之類似，在歐洲，大多數人生活在城市中，每年有數十億歐元花費在歐盟的城鎮和城市的建筑工程中。如果在建筑業實施可持續性發展原則意味著更高效地使用資源，并基于生態原則作出決策，這將幫助歐洲創建和管理一個更健康的建筑環境。

鑒于人們對“綠色建筑”的認識日益提高，環境保護在建材行業中越來越受關注。如前文所言，一旦鐵礦石被開采并精煉成鋼，它的生命就永遠不會結束，這使得鋼成為建筑行業部署可持續發展戰略的理想材料和首選材料。

建材行業也離不開混凝土（以硅酸鹽水泥為主要成分）。混凝土是世界上消耗第二多的物質，平均每人每年使用近三噸，僅次于水。但生產混凝土對生態有重大影響：它使用大量的自然資源，包括石灰石、沙子，并需要大量的燃油和電力。此外，水泥行業的二氧化碳產出量僅次于發電生產。盡管水泥生產已變得更有效率，行業的溫室氣體排放量也有所下降，但進一步削減將變得相當困難，因為在未來30年內，預計全球對混凝土的需求將翻一番，因而加工石灰石的需求會增加，這必將產生大量的二氧化碳。因此，尋找方法以減少混凝土工業對環境的影響，尤其是其對全球變暖的影響至關重要。最近有很多研究在考察水泥行業減少溫室氣體排放量的潛力。這些研究大部分側重于使用替代材料來代替水泥來生產混凝土，這將會創造一個更加可持續的過程。最常用的替代品是工業過程中的廢棄物，如粉煤灰等，這也正體現了綠色設計。使用這些工業廢料生產水泥，即可以保護自然資源，又能減少與原生材料相關的能源使用和溫室氣體排放，同時還能保持水泥的強度和性能，并能因為減少廢物而取得環境效益。此外，這種加入替代性材料的混凝土往往可以循環再利用，需要的維護也較少，加之這些替代材料比原生材料便宜，因此產品往往更經濟。隨著對建筑材料的需求繼續上升，在建材設計中使用回收工業廢棄物對業主和建筑商都具有經濟意義。

除了使用替代材料，水泥行業中另一種減少溫室氣體排放量的方法是使用先進技術，用以捕獲水泥生產過程中的二氧化碳，并將其制成其他產品，如碳酸鹽和碳酸等。比如卡萊拉公司（Calera Corp.）的新水泥的成功就顯示了新技術能帶來的巨大收益。卡萊拉首席執行官Brent Constantz說，“全球每年生產的硅酸鹽水泥產生25億噸的二氧化碳排放。與之相比，卡萊拉的新工藝流程每生產一噸水泥，就可以封存半噸溫室氣體，并且淡水是新工藝的副產品。此外，如果水泥工廠建在燃煤發電廠旁邊的話，可以吸收發電廠的碳排放量，將其作為原材料”。

新材料

在日常生活中，環境保護與可持續發展問題的重要性日益增加，而在材料科學和工程領域更是如此。幾乎材料使用的每個方面，從開采與生產，到產品設計和最終處置問題，無一不受環境因素的制約。此外，還有許多情況下，新型環保材料的開發為材料科學家和工程師提出了新的挑戰。對環境問題的認識不斷提高，增加了對材料行業的關注。材料工程的正面形象應該是一個處于技術進步最前沿的行業，不僅是處理過去的錯誤，還要推動可持續和安全使用的材料的未來。

【半導體】半導體器件的快速創新和改變受到兩種不斷增長的需求的驅動：一是對更長的電池壽命的需求，另一個是對更快的計算機和移動設備性能需求。以前，半導體器件主要由硅或二氧化硅制成，再加上一些摻雜劑和象鈦、錫、氮化鈦和銅一類的導電金屬。現在，通過幾何縮放取得性能增益的時代已經過去，未來的利益將來自材料工程和設備的結構設計更改，而新材料的使用才剛剛開始。

2014年1月15日，美國總統奧巴馬授予北卡羅萊納州的一個新的制造中心7千萬美元項目援助。此次將應用研究和產品開發匯集起來的目的只有一個：做出更好的半導體。項目中的伊利諾伊大學工程博士、助理教授Lucy Shi多年來一直致力于研究可能取代硅成為半導體基礎的材料，比如氮化鎵化合物。氮化鎵有獨特的化學屬性，比如低電阻，導致比硅更小的功率損耗。

源于英國華威大學的Anvil半導體有限公司于2013年底獲得私人資助，用于開發和商業化碳化硅半導體驅動的功率器。而在北卡羅萊納州的研究中心，將會測試復合碳化硅，即一種硅和碳的化合物的性能。被《美國科學》雜志評為“半導體革命的八大英雄”之一的北卡羅萊納州的教授Baliga對碳化硅的能力非常有信心。他說，“我通過我的理論表明，碳化硅應該比硅好1000倍。”

2013年9月，臺灣公司SEMICON發布了兩種新CMP材料，TECATRON CMP（PPS）和TECAPEEK CMP（PEEK）。TECATRON CMP具有出色的耐磨損性及耐化學藥品和溶劑性，這意味著使用壽命的增加，從而降低非生產性時間和單位成本。TECAPEEK CMP除了具有韌性和尺寸穩定性，也同時具有出色的耐磨損性。加之良好的抗化學腐蝕性，這些特征都確保了較長的使用壽命。改善的加工特性允許更高的處理速度，需要更少的去毛刺工作，從而使生產率顯著提高。這兩種新材料非常適合用于定位環的制造，因為為了防止損壞晶片從而增加可用集成電路的產量，這些制造必須在特定的精度和尺寸精度下進行。這兩種新材料的優點已經在制造工廠得到證實。

2013年4月，俄亥俄州立大學的化學家開發出了一項新技術，可以制成一個原子厚度的鍺片——germanane，這種材料的結構與由單層碳原子組成的二維材料石墨烯非常接近。俄亥俄州立大學的化學助理教授Joshua Goldberger說，雖然大多數人認為石墨烯是未來的電子材料，但是畢竟硅和鍺仍是目前的材料。所以，他們一直在尋找具有良好特性的硅和鍺的獨特形式，從而使用現有的技術和較低的成本來獲得新材料的優勢。根據研究人員的計算，電子在germanane中的移動速度比在硅中快十倍以上，比在常規鍺中快五倍以上。憑借這一高流動性，germanane可以承受未來高性能計算機芯片所增加的負載。

半導體行業的成長正是依賴于這些材料和技術創新。在材料方面，未來五年的巨大變化將是Ge和III-V族材料的應用，從而進一步改善電子流動性，比如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等在邏輯器件n-和p-通道的實施。進一步，硅晶體管器件可能部分或完全被基于碳的技術所取代。最受關注的兩個碳同素異形體是碳納米管和石墨烯。碳納米管和石墨烯有潛力滿足市場的需求，使晶體管更具有柔韌性和適印刷性，并從更低的原材料成本和加工成本兩方面來降低成本。事實上，在2013年夏天，第一臺只包含碳納米管晶體管的計算機已經被生產出來。當然，最終哪種技術勝出還有待觀察，但可以肯定，隨著社會對電子設備的性能和可靠性的需求不斷提高，在全球范圍內驅動半導體材料的快節奏創新將會持續。

【稀土催化劑】強大的催化劑的開發可以有重大的影響，甚至改變社會。僅在過去的十年，就有九名科學家因為在開發新的催化劑方面的成就而獲得諾貝爾獎化學獎，這其中就包括其中包括RIKEN高級科學研究所主席Ryoji Noyori。

稀土金屬不同于主族金屬和過渡金屬。通過充分利用它們的特征，可能會開發出新的催化劑，從而有可能進行以其他方式不可行的化學反應，產生新的物質。然而一旦與空氣或潮濕接觸，稀土金屬催化劑會很快分解，所以很難處理。這也是稀土催化劑難以研究的原因之一。

“新催化劑、新反應、新材料”是RIKEN高級科學研究所有機金屬化學實驗室的研究活動的口號，而實驗室的主要目標之一就是使用稀土金屬開發新的催化劑。作為實驗室首席科學家，Zhaomin Hou已經利用稀土金屬成功開發出一些新的催化劑，而之前很少有相關的應用被發現。

2004年，Hou開發出攜帶一環戊二烯配體的鈧催化劑。隨后，通過使用鈧催化劑，Hou將乙烯引入間規結構的聚苯乙烯，從而產生具有新功能的堅韌、柔軟并有高加工性的高分子材料，這一成就為合成新型功能的高分子材料鋪平了道路。基于稀土金屬鈧，Hou又開發了兩種催化劑。使用這些催化劑，通過反應，Hou能夠合成一種具有間規結構的聚苯乙烯和順式-1，4結構的異戊二烯聚合物。這一重大成就已于2011年10月公布于世。

2005年，Hou使用稀土金屬釔成功開發出一種新的聚合催化劑，并用它創造了超過天然橡膠功能的合成橡膠。Hou介紹說，“雖然結構相同，但天然橡膠的分子量和聚異戊二烯的長度是可變的。相比之下，我們所生產的合成橡膠中的聚異戊二烯具有幾乎恒定的分子量。此外，天然橡膠含有雜質，可能會引起過敏，而我們的合成橡膠不含雜質，擁有超越天然橡膠的性能。”

Hou這樣評價自己的研究：“我的研究中所使用的所有的催化劑都含有稀土金屬，我相信，通過組合使用稀土金屬催化劑和第4族過渡金屬催化劑，可以創建使用常規催化劑難以合成的新型高分子材料。”

【新型汽車用鋼】如今，汽車工業正面臨著嚴峻的考驗，這既包括新的更嚴苛的環境法規，也包括經濟衰退后縮小的市場需求。隨著汽車市場尋找創新的方法來滿足未來的企業平均燃料經濟性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）的要求，預計到2025年，平均輕型車輛燃油經濟性將增加近一倍，達到54.5mpg。而歐洲的碳排放立法也驅動了汽車的輕量化發展。與之對應，北美鋼鐵行業持續在先進材料和制造技術方面進行投資，推出了各式各樣的新型汽車用鋼。大范圍的高強度鋼意味著制造商可以只通過使用更薄的鋼就可以實現輕量化。

如今，新的先進高強度鋼正以其獨特的冶金性能和可制造性使汽車行業能夠以合理的成本滿足日益嚴格的要求。使用先進高強度鋼的車輛不僅可以節省材料，還有助于減少車輛整個生命周期的溫室氣體排放量，包括制造、行駛和回收利用。相比于鋼的主要競爭對手鋁和塑料，先進高強度鋼的增長速度更快。每一年，都會推出使用重量更輕、強度更高的鋼組件的新車型，為增高的安全性和燃料經濟性需求提供具有成本效益的答案。

如果將目前可用的先進高強度鋼應用到美國汽車車隊，來自于汽車的溫室氣體排放將大約減少12%，這一數量甚至超過了當前整個美國鋼鐵工業所產生的溫室氣體排放量。目前，世界各地的汽車設計師都已經將減少排放量融入到設計中，在車輛中使用越來越多的先進高強度鋼。現在，車輛平均包含僅175磅的先進高強度鋼，但預計到2020年，這一數量將翻倍。作為美國能源部（DOE）先進制造倡議的一部分，高強度、輕量鋼制成的汽車不久的將來就會開到你的面前。

為滿足2025年嚴格的平均燃料經濟標準，下一代輕型汽車的設計師們可能希望同時使用高強度鋼和鋁合金這兩種材料，以生產足夠輕但強度高的安全結構。事實上，在2013年的雅格中，本田公司使用攪拌摩擦點焊，首次成功在鋁陽極中加入鋼陰極。

Los Alamos國家實驗室和科羅拉多礦業學院（CSM）的研究人員正憑借他們的專業知識，計劃用三年的時間，耗資120萬美元，為汽車行業完成開發新的高級鋼的項目。新項目的目標是要消除制造零部件時要加熱到900攝氏度所需的時間和能量，從而滿足安全要求，在室溫下生產鋼，但仍保持可塑性。該項目將使用更清潔的制造方法，消除工藝流程中的傳統熱處理及其相關費用與危害。

NanoSteel公司的研究科學家們為新的先進高強度鋼板材料設計了一種新的納米尺度的微結構，或稱之為納米結構，它可以處理高負荷，并保有在室溫下被塑造并形成汽車零部件的能力。納米結構提供獨特的高強度和高延展性組合，能產生現有先進高強度鋼板材邊界之外的下一代性能。

總部設在俄羅斯的Severstal公司于2011年宣布計劃打造“突破性汽車用鋼”。Severstal稱，這種更先進的高強度鋼具有超過40%的伸長率，意味著它可以在現在的尺寸基礎上再擴展40%以上。如果用測量材料剛度的兆帕強度來衡量的話，大多數鋼在1000兆帕強度以下，而這種新高強度鋼達2000兆帕強度。

WorldAutoSteel的最新研究認為，在不久的將來，鋼結構車身的重量會與目前的鋁結構車身重量一樣輕，同時還能滿足所有的碰撞性能標準，而其成本與目前的鋼結構成本相當。

未來如何，我們無法準確預測，但有一點可以肯定，未來能領軍的公司一定是那些能成功地開發出新產品，從而讓我們的生活更美好、我們的地球更健康的公司。