?地球正在耗盡制造材料所需的資源，比如化學(xué)品、礦物和石油。因此，這些只能以增加經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本來獲得。作為對(duì)可持續(xù)未來的重要貢獻(xiàn)，化學(xué)及其產(chǎn)品必須適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)（CE），該系統(tǒng)旨在消除浪費(fèi)，循環(huán)和回收產(chǎn)品，節(jié)約資源和環(huán)境。

全球銷售了近14萬種工業(yè)化學(xué)品，新化學(xué)品也變得越來越復(fù)雜（例如，立體化學(xué)，官能團(tuán)）。化學(xué)和相關(guān)工業(yè)的產(chǎn)品包含元素和分子的混合物，這些產(chǎn)品及其成分隨處可見，包括廢品，土壤，水，空氣，植物，食品，動(dòng)物和人體。

● 塑造循環(huán)經(jīng)濟(jì) ●

在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，應(yīng)盡可能長時(shí)間地使用產(chǎn)品，直到不能使用。現(xiàn)代的循環(huán)思維包括產(chǎn)品的壽命適應(yīng)性、可重復(fù)使用性、易修理性和可回收性的設(shè)計(jì)——所有這些都是由可再生資源制成的。在中國（4個(gè)），美國（5個(gè)），歐盟（1個(gè)）和其他國家中，循環(huán)經(jīng)濟(jì)方法的開發(fā)和實(shí)施得到了世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國（UN）等國際組織的支持。這些努力將有助于應(yīng)對(duì)地球的資源和廢物挑戰(zhàn)，并為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。然而，更大的成功將來自于產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面的變化，由那些努力在原子和分子層面上破解化學(xué)產(chǎn)品及其基礎(chǔ)合成化學(xué)如何適合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)家們領(lǐng)導(dǎo)。這包括確定合適的原材料并將其修改為應(yīng)用程序所需的等級(jí)，結(jié)構(gòu)和功能。隨著今天的化學(xué)、材料和產(chǎn)品流動(dòng)的多樣化和相互聯(lián)系，制造商必須了解什么可以，什么應(yīng)該循環(huán)利用什么可以和不應(yīng)該。

● 循環(huán)和回收的限制 ●

科學(xué)家預(yù)計(jì)，用于工業(yè)化學(xué)以及用于減少CO排放或增加數(shù)字化和（電動(dòng)）移動(dòng)性或增強(qiáng)通信的產(chǎn)品和工藝的金屬需求將大大增加。可持續(xù)的未來取決于從原始礦石或回收中獲取的高級(jí)金屬，包括普通（例如鋁和銅）和特種（貴金屬，稀土）金屬的可用性。

例如，銅對(duì)于許多產(chǎn)品都是必不可少的，例如接線，風(fēng)力渦輪機(jī)，電動(dòng)機(jī)，信息技術(shù)，發(fā)電機(jī)，傳感器和電子設(shè)備。自20世紀(jì)初以來，銅產(chǎn)量增長了3000％以上，預(yù)計(jì)到2021年將有60萬噸的市場(chǎng)缺口。新的銅礦經(jīng)常達(dá)不到期望的質(zhì)量；因此，升級(jí)需要更多的能源和資源。從深部礦山開采礦石會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境足跡，因?yàn)榇诉^程會(huì)產(chǎn)生更多廢物，動(dòng)員更多有毒元素（例如砷），并且更有可能需要進(jìn)入土著人民的受保護(hù)土地，從而冒著社會(huì)動(dòng)蕩的危險(xiǎn)。

考慮到礦石的開采，研磨和提取的能源密集型過程，金屬回收可能是有利的。但是，許多材料需要特定等級(jí)的金屬和其他元素的混合物，并且每種材料都需要在回收過程中在原子和分子水平上進(jìn)行分離和純化。有些成分無法分離，并且由于耗散而無法再使用。

到2012年，人類開采了約5.6億噸銅（僅2010年就開采了1900萬噸），其中約有一半仍在使用。但是另一半在哪里，研究人員可以從這種損失中學(xué)到什么呢？低回收率會(huì)導(dǎo)致一些不可挽回的損失。當(dāng)回收的材料只能與原始金屬混合才能達(dá)到期望的質(zhì)量（即高等級(jí)的鋼或鋁）時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生其他損失。一些諸如金屬和聚合物等人造環(huán)境（“建筑世界”）中使用的產(chǎn)品使用壽命長。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品需求的增加，制造商將需要更多的原始資源，因?yàn)樵诳深A(yù)見的將來，CE不能完全滿足需求。科學(xué)家已經(jīng)開始利用大量累積的廢物，包括富含金屬的廢物（例如，來自電子和鋼鐵的廢物）。但是，伴隨這些廢物而來的還有其他不必要的廢物和對(duì)能源的額外需求。

與金屬不同，可以合成有機(jī)化合物。但是，它們的循環(huán)利用可能需要添加化學(xué)藥品，并且能源消耗大且昂貴。例如，塑料通常由一種或多種（共）聚合物以及幾種添加劑（例如增塑劑，阻燃劑，著色劑，紫外線穩(wěn)定劑和抗氧化劑）組成，這些添加劑通常很危險(xiǎn)并且很難在回收中分離。即使從塑料水瓶中回收純凈材料（例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯），過程中也會(huì)損失超過5％。通常，回收僅在原子或分子水平上是可能的（例如，塑料解聚或從電子材料中提取金屬和其他元素），這導(dǎo)致產(chǎn)品的宏觀形式，分子結(jié)構(gòu)和所需性能喪失。在某些情況下，回收是不可能的。CE中必須避免使用此類材料和產(chǎn)品。

將可再生生物資源用于有機(jī)分子歷史悠久，并且在工業(yè)化學(xué)中得到越來越多的實(shí)踐。例如，農(nóng)業(yè)工業(yè)或林業(yè)廢物產(chǎn)品很復(fù)雜，很難分離。因此，挑戰(zhàn)在于將廢物轉(zhuǎn)化為具有確定屬性和復(fù)雜程度的特定產(chǎn)品。使用過程中產(chǎn)品中不想要的化學(xué)物質(zhì)的積聚，自然老化，循環(huán)利用過程本身以及材料和產(chǎn)品的連接流，還會(huì)帶來其他復(fù)雜性。例如，機(jī)械回收（重塑）會(huì)導(dǎo)致污染和較低質(zhì)量的回收物，從而防止在同一應(yīng)用中重復(fù)使用。

實(shí)際上，回收不可避免地導(dǎo)致材料的降級(jí)以及可利用元素和能量的耗散性損失。當(dāng)今產(chǎn)品及其組件（在原子，分子，材料和構(gòu)件水平）擴(kuò)大了金屬和其他元素，污染物和能量的耗散。

在觀察到的熱和材料熵的增加中，這些損失顯而易見。盡管地球可以通過排放到太空將熱熵輸出到一定程度，但它無法擺脫由于材料混合和稀釋（包括降低其中元素的濃度）而產(chǎn)生的材料熵。這些不可克服的局限性（根據(jù)熱力學(xué)定律）必須被考慮并考慮到化學(xué)方面，包括冶金學(xué)，材料科學(xué)以及CE所必需的產(chǎn)品。

具有開放環(huán)境應(yīng)用的產(chǎn)品（例如農(nóng)藥，化妝品，殺生物劑和藥品）既不能循環(huán)使用也不能回收利用，因?yàn)閼?yīng)用時(shí)濃度低且分散度高，因此無法回收。對(duì)于液體廢物和廢水，即使進(jìn)行深度處理也不能很好地去除產(chǎn)品成分。此外，全世界幾乎有80％的廢水根本沒有得到處理。此外，環(huán)境廢物和污染物通常是新的，有時(shí)甚至更具毒性的分子的來源。因此，科學(xué)家必須為此類應(yīng)用設(shè)計(jì)新的分子和材料，以允許快速而完整的環(huán)境礦化，同時(shí)保持其所需的功能。

● 簡(jiǎn)化復(fù)雜性 ●

循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心是一系列化學(xué)基石，必須將其引入教育，立法和行業(yè)。當(dāng)今的大多數(shù)化學(xué)產(chǎn)品都是基于不可再生資源合成的，并被制成復(fù)雜的物品，例如塑料。從這些分子中回收分子價(jià)值將需要在資金和能源上進(jìn)行大量投資。未來的產(chǎn)品必須限制其構(gòu)成資源的復(fù)雜程度，并且不得在回收中改變它們。

對(duì)于原始材料和回收材料，都需要使最終產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)單元（形式，組成，立體化學(xué)和官能團(tuán)）與起始材料盡可能相似。這將有助于后續(xù)的回收利用，并減少下游化學(xué)過程和單元操作的數(shù)量，因?yàn)檫@些過程會(huì)導(dǎo)致廢物產(chǎn)生，熵增加以及包括能源在內(nèi)的資源消耗。如果必須更改材料和分子的形式和組成，則制造商應(yīng)致力于進(jìn)一步降低復(fù)雜性。最終產(chǎn)品的組成應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，盡量減少添加劑，避免有毒成分和難以分離的元素難以回收。

來源：廢塑料新觀察

作者：譯自科學(xué)雜志Science，By Klaus Kümmerer, James H. Clark, Vania G. Zuin4