?地球正在耗盡制造材料所需的資源，比如化學品、礦物和石油。因此，這些只能以增加經濟和環境成本來獲得。作為對可持續未來的重要貢獻，化學及其產品必須適應循環經濟（CE），該系統旨在消除浪費，循環和回收產品，節約資源和環境。

全球銷售了近14萬種工業化學品，新化學品也變得越來越復雜（例如，立體化學，官能團）。化學和相關工業的產品包含元素和分子的混合物，這些產品及其成分隨處可見，包括廢品，土壤，水，空氣，植物，食品，動物和人體。

● 塑造循環經濟 ●

在循環經濟中，應盡可能長時間地使用產品，直到不能使用。現代的循環思維包括產品的壽命適應性、可重復使用性、易修理性和可回收性的設計——所有這些都是由可再生資源制成的。在中國（4個），美國（5個），歐盟（1個）和其他國家中，循環經濟方法的開發和實施得到了世界衛生組織（WHO）和聯合國（UN）等國際組織的支持。這些努力將有助于應對地球的資源和廢物挑戰，并為可持續發展做出貢獻。然而，更大的成功將來自于產品設計層面的變化，由那些努力在原子和分子層面上破解化學產品及其基礎合成化學如何適合循環經濟的科學家們領導。這包括確定合適的原材料并將其修改為應用程序所需的等級，結構和功能。隨著今天的化學、材料和產品流動的多樣化和相互聯系，制造商必須了解什么可以，什么應該循環利用什么可以和不應該。

● 循環和回收的限制 ●

科學家預計，用于工業化學以及用于減少CO排放或增加數字化和（電動）移動性或增強通信的產品和工藝的金屬需求將大大增加。可持續的未來取決于從原始礦石或回收中獲取的高級金屬，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，銅對于許多產品都是必不可少的，例如接線，風力渦輪機，電動機，信息技術，發電機，傳感器和電子設備。自20世紀初以來，銅產量增長了3000％以上，預計到2021年將有60萬噸的市場缺口。新的銅礦經常達不到期望的質量；因此，升級需要更多的能源和資源。從深部礦山開采礦石會產生巨大的環境足跡，因為此過程會產生更多廢物，動員更多有毒元素（例如砷），并且更有可能需要進入土著人民的受保護土地，從而冒著社會動蕩的危險。

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到什么呢？低回收率會導致一些不可挽回的損失。當回收的材料只能與原始金屬混合才能達到期望的質量（即高等級的鋼或鋁）時，還會產生其他損失。一些諸如金屬和聚合物等人造環境（“建筑世界”）中使用的產品使用壽命長。隨著社會對產品需求的增加，制造商將需要更多的原始資源，因為在可預見的將來，CE不能完全滿足需求。科學家已經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能源的額外需求。

與金屬不同，可以合成有機化合物。但是，它們的循環利用可能需要添加化學藥品，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，紫外線穩定劑和抗氧化劑）組成，這些添加劑通常很危險并且很難在回收中分離。即使從塑料水瓶中回收純凈材料（例如聚對苯二甲酸乙二醇酯），過程中也會損失超過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），這導致產品的宏觀形式，分子結構和所需性能喪失。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品。

將可再生生物資源用于有機分子歷史悠久，并且在工業化學中得到越來越多的實踐。例如，農業工業或林業廢物產品很復雜，很難分離。因此，挑戰在于將廢物轉化為具有確定屬性和復雜程度的特定產品。使用過程中產品中不想要的化學物質的積聚，自然老化，循環利用過程本身以及材料和產品的連接流，還會帶來其他復雜性。例如，機械回收（重塑）會導致污染和較低質量的回收物，從而防止在同一應用中重復使用。

實際上，回收不可避免地導致材料的降級以及可利用元素和能量的耗散性損失。當今產品及其組件（在原子，分子，材料和構件水平）擴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）而產生的材料熵。這些不可克服的局限性（根據熱力學定律）必須被考慮并考慮到化學方面，包括冶金學，材料科學以及CE所必需的產品。

具有開放環境應用的產品（例如農藥，化妝品，殺生物劑和藥品）既不能循環使用也不能回收利用，因為應用時濃度低且分散度高，因此無法回收。對于液體廢物和廢水，即使進行深度處理也不能很好地去除產品成分。此外，全世界幾乎有80％的廢水根本沒有得到處理。此外，環境廢物和污染物通常是新的，有時甚至更具毒性的分子的來源。因此，科學家必須為此類應用設計新的分子和材料，以允許快速而完整的環境礦化，同時保持其所需的功能。

● 簡化復雜性 ●

循環經濟的核心是一系列化學基石，必須將其引入教育，立法和行業。當今的大多數化學產品都是基于不可再生資源合成的，并被制成復雜的物品，例如塑料。從這些分子中回收分子價值將需要在資金和能源上進行大量投資。未來的產品必須限制其構成資源的復雜程度，并且不得在回收中改變它們。

對于原始材料和回收材料，都需要使最終產品的化學結構及其結構單元（形式，組成，立體化學和官能團）與起始材料盡可能相似。這將有助于后續的回收利用，并減少下游化學過程和單元操作的數量，因為這些過程會導致廢物產生，熵增加以及包括能源在內的資源消耗。如果必須更改材料和分子的形式和組成，則制造商應致力于進一步降低復雜性。最終產品的組成應盡可能簡單，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：譯自科學雜志Science，By Klaus Kümmerer, James H. Clark, Vania G. Zuin4