廢棄物回收再利用
——基于3R原則的新材料探究

李頎欣 李鑫

1. 亞琛工業大學建筑學院碩士研究生 （RWTH Aachen） 德國 亞琛 52062；

2. 山建大建筑規劃設計研究院A3工作室 山東 濟南 250014

1 研究背景

1.1 概述

當前人們對正在極度地利用和消耗自然資源，對原始天然材料的開采已經超出了其可恢復能力值，對環境造成了嚴重的損害。快速的城市化和城市人口的快速增長導致了對地球資源的需求增加和能源消費總量的不斷加大[1]。

全球人口有一半以上居住在城市，這意味著大約30億人口只占據地球2%左右的陸地面積，創造了全世界70%的GDP，消耗了世界70%的能源，產生了全球70%的廢棄物，排放了全世界70%的二氧化碳。到2050年，世界人口預計將增長到93億，其中70%居住在城市[2]。城市人口增長將伴隨著對原材料和資源需求的增加，能源利用率低又進一步造成資源浪費，加重了環境負擔。

1.2 固體廢棄物處理現狀

據世界銀行預測，到2025年中國城市生活垃圾產量將達到1397755噸/天。無論是發達國家還是發展中國家，當前對于固體廢棄物的處理都沒有給出一個完全令人滿意的答案。以電子產品為例，發達國家每年都會消耗大量的電子產品，盡管各國都在探索研究回收利用電子垃圾技術，在許多情況下，這些垃圾都會出口到國外，尤其是欠發達國家。非洲加納的阿博布羅西鎮是世界上第二大電子垃圾場，也是世界上污染最嚴重的電子垃圾場之一，每年全球有數百萬噸的電子垃圾在這里被燒毀。在加納，人們從農村轉移到廢棄物站點附近，剝開并且燒掉電子廢棄物，以收集里面有價值的金屬，如鋁和銅。電子垃圾的塑料外殼在露天場地不受控制地燃燒，產生含有致癌物質的黑色有毒煙霧。每天參與這項撿垃圾工作的居民可以掙到兩到三美元，只是為了生存下去。據統計，2010年約有4萬噸電子垃圾進入加納，而非洲電子垃圾總量也僅為23萬噸[3]。

1.3 廢棄物回收現狀

即便是在發達國家被回收的廢棄物，也并沒有很妥善地完成后續處理工作。在美國每年生產的約2.51億噸城市固體廢物中，只有約8700萬噸被回收利用。其余的大約1.64億噸最終被運往焚化廠和垃圾填埋場[3]。用傳統的方法處理廢棄物的同時又是一種對自然資源的間接浪費，因為當初生產這些“廢棄物”時消耗了大量的能量，水和其他資源。

據環保部統計，2011年我國一次性塑料飯盒和各種泡沫包裝廢棄物達到9500萬噸，廢舊家電等廢棄塑料達到6500萬噸。加之其他廢棄塑料總量近2億噸，而總回收量只有1500萬噸，回收率不到10%[4]。

1.4 建筑物成為全球變暖的重要因素

建筑物作為世界上最大的自然資源消費體之一，大量依賴不可再生的化石燃料，特別是石油，作為建筑材料和建筑自身運營的基礎能源。統計數據顯示，對不可再生資源的使用，世界建筑物消耗了全球能源的40%，同時又貢獻了全球至少30%溫室氣體排放量。這使得建筑成為全球變暖的重要因素[5]。因此，現階段需要開發更有效的解決方案，以減少現有和未來建筑物對環境造成的破壞。解決這一難題的重要思路是重新考慮我們生產和使用的建筑材料。

2 解決方法/策略

在消費和生產的線性系統中城市主要消耗從其他地方引入的資源，之后產生大量城市垃圾和污染物。如果按照當線性發展模式下的能源消耗趨勢，大量廢棄材料和生產物被不可避免地丟棄，到2050年將需要兩個地球資源來滿足人們的基本需求。為了解決當前的危機，應該采取一種可持續循環發展模式。3R原則，即“減量化原則（Reduce），再次使用原則（Reuse），回收加工再利用原則（recycle）”，是由W.M.S.Russell和R.LBurch于1959年提出的循環綠色經濟原則，應當成為建筑行業新的指導方針。減量化原則，即減少對自然的破壞，對環境資源的消耗；再次使用原則，即提高重復利用率，也是減少廢棄物，節約資源，降低回收成本的有效途徑；回收加工再利用原則強調對廢物進行回收，通過再生技術和方法，再生成具備新價值的新材料[6]。3R原則在物質層面強調了資源的再生和循環利用，是解決自然資源匱乏和開辟新型建設道路的有效手段。

與開發自然資源相比，再生資源的利用大大降低了生產成本，減少了用于生產本身所消耗的能量，節約了能源同時又消耗了社會產生的廢棄物。如果生產1噸再生銅，則可減少排放100噸工業廢渣和2噸二氧化硫；回收再利用1噸廢紙可以減少75%的空氣污染和35%的水污染[7]。

3 建筑材料

要理解可持續背景下建筑材料的重要性，首先應當理解原材料開采和生產所造成的影響。在這一方面，建筑行業與之具有最為直接的關系。地球資源最大量的開采都源于建筑領域，而且目前沒有任何需求減少的跡象。建筑行業的發展對地球環境帶來了一系列影響：全球變暖，臭氧耗減，自然棲息地和生物多樣性喪失，土壤被侵蝕，有害氣體釋放等。大量的資源開采往往產生大量的廢棄物，而廢物處理的主要手段仍然是填埋，從而進一步加劇了環境的惡化[1]。

3R指導原則的關鍵在于將廢棄的材料轉化為具有新價值的再生資源，從而將當前資源線性消耗系統轉變為可持續的循環再生系統。也即是說，對于3R原理的理解不僅僅局限于廢棄資源的回收，而且還是在可回收前提下進一步加工成具備新價值的新材料。

3.1 新材料

所謂的“新材料”就是將“配方”進行更新，重新組合形成，從而解決原來的問題，在這些“新材料”中其實并沒有任何一種材料是新的，這些材料全部來源于人類賴以生存的地球，通過數千萬億年的形成和累計而來。當今情勢下，人們可以利用新興的各項技術來對這些材料進行使用，通過不同的加工組合過程，從而演變成一種新的可使用的產品用于各行業中，新世紀對現有資源的利用有新的要求，日裔枯竭的資源使得人們開始更加重視原材料的使用，在廢物回收利方面，逐漸發展壯大，新材料在可持續背景下的研究也逐漸被人們重視起來，從而發生了一系列的改變發展，比如從化石原料的應用向基于生物制造方向的轉化。基于魚鱗的自愈合材料或者基于甘蔗渣的代木材料等，都是在未來材料領域具有很大發展潛力的有機材料。

3.2 廢棄物再利用——再生建筑材料案例分析

（1）BioSIPS

由科羅拉多大學丹佛分校教授JuleeHerdt所研究的生物結構隔熱板（BioSIPS）獲得了環保建筑系統專利。BioSIPS是基于生物質所研制的建筑板材，其綜合性能優于傳統SIP（結構絕緣面板）。BioSIPS最大的特點是利用廢紙，雜草，廢木等廢料為原料，采用專有濕法技術將大量低價廢物轉化為高附加值產品[5]。該建筑材料質輕耐用且易于組裝，可應用于隔墻，屋頂與地板。BioSIPS將成千上萬噸固體垃圾轉化為安全，耐用，節能的建筑材料。JuleeHerdt稱，“BioSIPs的發明實際上消耗了社會的廢物資源，并將大量廢物轉化為有價值的產品，用于安全，強大和節能的建筑物。廢棄物具有很高的利用價值，我們只需要使用正確的工藝和方法來找到它8。”

（2）TUFFROOF

1951年魯賓·勞辛（RubenRausing）在瑞典建立了利樂公司，并創新地制造了一種牛奶容器系統——利樂四面體紙包裝（TetraPak），跟其他包裝相比耗材最少，衛生水平最高。自此利樂公司便成為世界范圍內最主要的液態食品大型供貨商之一。利樂在2011年共生產了1670億件包裝。

利樂包裝是由紙、鋁箔和聚乙烯塑料復合加工制成，可有效阻擋外界的污染與氧化。基于其4R生產理念，廢棄包裝可以回收，物料分離再利用[9]。由于該過程需要在特殊回收設備中進行，這使得回收成本變得昂貴，在發展中國家很難有效實施。印度達曼甘加集團（ Daman Ganga Group）認識到這種高度工程化產品的價值。但由于必要的回收設備昂貴，他們發明了一種替代方式來充分利用廢棄資源。被稱為TuffRoof的防水板材，由紙、聚乙烯和鋁復合制成，生產過程中不再需要任何其他材料。將廢棄利樂包裝切成非常小的碎片，再將其放入模具中加熱以激活原本的塑料，石蠟和膠水，從而產生新的黏合作用。在壓力作用下形成了瓦楞狀板材（圖1）。該屋面板防水，防火，質輕靈活且無腐蝕，具有很大的發展潛力[10]。

圖1 由廢棄利樂包裝盒生產的屋面板TUFFROOF

（3）秸稈材料

通常只有種子被視為糧食生產中最有價值的部分。而植物自身大部分的谷物秸稈被認為是廢物。在建筑領域，美國早在十九世紀八十年代就利用了這些收割后作物的剩余資源來開發秸稈建筑[11]。由德國Strawtec公司生產的壓縮秸稈面板在隔音和防火等級等方面具有優良的物理特性。通過熱暴露，小麥秸稈中的淀粉被激活，起天然膠的作用，在不使用其他化學添加劑的前提下生產出在工地上易于處理的屋面板[10]。除此之外還可通過粉碎，添加復合材料，熱壓等工序將廢棄秸稈制作成秸稈砌塊秸稈瓦等建筑用材。秸稈建筑材料在隔熱抗震隔音等方面具有優良的性能[11]。作為農業大國，我國秸稈資源豐富。在當前可持續發展背景之下，秸稈建筑無疑一個具備未來潛質的建筑類型。

小節

除上述提及之外還有很多出色的再生建筑材料，筆者在此不一一詳舉。廢棄物回收再生材料的應用，一方面有效減輕了環境負擔，另一方面節省了自然資源，提高了經濟效益。

4 新材料實驗

可回收利用的固體廢棄物具有多樣化，既可以是工業廢棄物，也可以是農業廢料。我國是農業大國，筆者嘗試從農業有機廢棄物角度著手，探索制備新材料的新思路。

4.1 硬質殼類

除去食用部分，果殼絕大多數都被廢棄或燒掉，較少部分用于堆肥、填充物及藥用功能，極少部分被進行深加工，進而造成潛在資源浪費。在當今倡導綠色，低碳，可持續發展的社會，廢棄物再利用問題不斷受到重視[12]。

下列三組材料均由硬質殼類廢棄物制作而成：

a組成：椰子殼和杏殼、木膠； 直徑：6.1cm； 厚度：1.5cm； 重量：35g

該材料樣品是椰子殼和杏殼碎片的混合物。在室溫下，黏合劑干得很快，即本品能快速生產。該材料耐用且不透明，表面粗糙，可應用于建筑板材。

b組成：椰子殼，大米；直徑：6.1cm； 厚度：1.3cm；重量：32g

該材料的本質改進在于用大米代替人工粘結劑。為了得到性能優良的“米膠”，需要將熟制的大米完全搗成糊狀。然后混合米糊和椰子殼碎片。為防止“蛋糕”發霉變質，需要盡快將其烘干。整個過程花了比樣本 1更長的時間。在完全干燥的狀態下樣本b與樣本a有類似的物理特性，即也具備板材應用的潛能。

c組成：杏殼，大米；直徑：6.1cm； 厚度：1cm； 重量：21g

和樣本b相比組成顆粒更加細小，因此材料的厚度和表面粗糙程度在制作過程中可以更容易控制。類似地，該樣本也具有一定的強度和不透明性，同樣可以作為建筑板材替代材料。

4.2 軟質材料

原理與硬質殼類材料一致，同樣以農作物被丟棄的外皮為基礎原料。

下列三組材料均由軟質廢棄物制作而成：

d組成：玉米穗，大米；直徑：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，相當輕便靈活。它具有作為建筑保溫隔熱材料的潛能。

e組成：玉米芯，木膠；直徑：7.5cm； 厚度：約 0.7cm；重量：12g

通過橫向切割玉米芯得到截面單元。之后將其三層交錯用木膠相連。隨著水分的蒸發每個截面單元都有不同程度的收縮。盡管如此該樣本表面仍呈現出有秩序且較均勻的變化。該材料具有充當建筑外掛材料的潛能。

f組成：蒜皮，木膠直徑：6.5cm 厚度：約 0.05cm重量：＜1g

將蒜皮壓平，然后用木膠膠合。該樣本呈半透明狀，輕質并且有很強柔韌度。材料完全干燥后不會霉變。

4.3 材料樣本實驗數據分析

以硬質杏殼為例，進一步探究其構成材料的物理特性。測試方法如圖。制作同等大小的樣本，在相同條件下測試其受力性能。基于材料由杏殼和米膠兩部分組成，將實驗材料分為兩組，每一組控制唯一變量，分別測試其相對物理性能，探尋該材料的最佳配比方案。

材料受理性能測試

第一測試組：25g 大米+25g 杏殼

變量：杏殼碎片大小

物理特性①②變量平均碎片直徑：2cm平均碎片直徑：1cm透水性容易中等防火性差差耐水時長短中等材料強度1個水桶+10瓶水=5.414kg 1個水桶+4瓶水=2.252kg完整性差良好

物理特性③④變量平均碎片直徑：0.5cm平均碎片直徑：混合透水性較難較難防火性差差耐水時長較長較長材料強度1個水桶+7.5瓶水=4.096kg＞1個水桶+5瓶水=2.779kg完整性好良好

第二測試組：總重45g

變量：大米和杏殼碎片質量比

物理特性⑤⑥變量15g 大米:30g 杏殼= 1:2 22.5g 大米:22.5g 杏殼= 1:1透水性容易中等防火性差差耐水時長短中等材料強度＜1 個水桶+1 瓶水=0.671kg 1 個水桶+4.5 瓶水=2.515kg完整性差良好

物理特性⑦變量30g 大米:15g 杏殼= 2:1透水性較難防火性差耐水時長較長材料強度1 個水桶+5.5 瓶水=3.024kg完整性好

結論：通過兩組測試，可以得到如下結論：堅果殼碎片直徑越大，同時“米膠”比例越大，成形的材料強度越高。

4.4 防水性能改進

圖2 樹脂預先跟“米膠”混合

圖3 樣品成形完全干燥以后表面涂上樹脂

經測定，樹脂和“米膠”預先混合以后會大大降低大米作為黏合物的粘力。因此方案 2 是最優方案。

小節

該材料實驗嘗試提供了未來材料發展的新的可能性。對于其物理性能仍具有進一步加強和改進的潛質，比如探究如何結合類似于鋼筋混凝土的加固料，以完善材料結構強度。

5 “3R”材料應用前景和挑戰

新世紀對能源利用的要求日益嚴肅。“3R”材料的研究和應用，極大提高了資源的有效利用率，減少了能源消耗，減少了溫室氣體排放，是實現城市化建設與自然環境保護雙贏的一種有效策略。要實現“3R”材料在市場中的推廣，一方面應當繼續提高材料自身應用潛質，另一方面應當有機整合3R產業與其他相關產業，以進一步降低回收及加工成本。筆者相信，在不就的將來伴隨科技的發展，資源的配置與利用會逐步趨于合理，“3R”材料必將為我們的生活注入新的活力。

[1] Rodrigues B V,Henriques P G.REDUCE,REUSE,RECYCLE,RECOVER–NEED TO RETHINK MATERIALS IN CONSTRUCTION[EB/OL]. http://www.fce.vutbr.cz/ekr/pbe/Proceedings/2016/015_16122.pdf,2016-10-29.

[2] 世界未來委員會(WFC).中國循環城市發展之路:讓城市的未來更美好[EB/OL].http://www.worldfuturecouncil.org/file/2016/03/WFC_2016_Regenerative_Cities_in_China_Cn.pdf,2016-04-01.

[3] Hebel D E,W isniewska M H,Heisel F.Constructing Waste -Investigating an alternative resource for future cities[M].Discover the world's research ,2015:71.

[4] 湯桂蘭,胡彪,康在龍,等.廢舊塑料回收利用現狀及問題[J].再生資源與循環經濟,2013,6(1):31-35.

[5] Herdt J A,Hunt J,Schauermann K. Newly invented biobased materials from low-carbon,diverted waste fibers:research methods,testing,and full-scale application in a case study structure[J].International Journal of Low-Carbon Technologies,2016,11(3):1.

[6] 沙米.Managing Municipal Solid Waste under the Environmental Policies for Reaching Sustainable Development–A Case of People’s Behavior in China & Algeria[D].南昌:南昌大學,2014.

[7] 劉立超,楊敬增.資源循環是再利用的靈魂——“3R”學習與探討之二[J].再生資源與循環經濟,2016,9(9):16-19.

[8] 佚名.科羅拉多大學丹佛分校教授獲得生物結構隔熱板(BioSIPS)專利[EB/OL].http://www.elinkgroup.net/IndustryObserve/newsDetails.aspx?id=381,2015-12-20.

[9] 姚特克.利樂:低碳經濟的身體力行者[J].綠色中國,2010,(16):50-53.

[10] Hebel D,Wisniewska M H,Heisel F. Building from waste[J].Land Journal,2015,(1):18.

[11] 任逸哲,顧悅言,楊心怡,等.秸稈建材的特色發展瓶頸及對策[J].功能材料,2016,47(6):6056-6062,6070.

[12] 楊護霞,許艷,方興,等.常見堅果殼的元素組成·纖維素含量和結晶度分析[J].安徽農業科學,2016,44(17):21-23,129.

圖片來源:圖1為參考文獻[11]。

其余圖片均為作者制作拍攝。