摘 要：当今日益严重的工业污染与生态灾难，只因在庞大的工业社会生产力系统内，未形成相对独立的物质闭路循环流，致使"工业文明"不可持续。能否真正实现工业物质流人工闭路循环？如何实现？在技术经济上是否切实可行？本文就刚刚诞生的"生态化工"（Eco-Chemical Engineering）新分支学科进行初步的探讨。
关键词：循环经济；生态化工；化学循环
中图分类号：F062.2 文献识别码：A
地球是一个封闭系统，与外界只有辐射（静质量为零）能交换，无质量交换（陨石略去不计），故地球上的一切物质流，物理的、化学的、生物的、社会的，都呈有序闭路循环。例如生物地球化学循环，是在太阳能的驱动下，无机物-有机物-生物三界之间的物质闭路单向循环流，孕育了地球生命与智慧人类，已持续了数亿年。在日益严重的工业污染与生态灾难面前，能否真正实现工业物质流人工闭路循环？如何实现？在技术经济上是否切实可行？就成为刚诞生的"生态化工"（Eco-Chemical Engineering）新分支学科要回答的问题。
一、物质闭路化学循环的理论依据
在出现生命之前，地球上的无机物就在太阳能、火山、地热、闪电等的作用下，进行着物理与化学闭路循环，称地质化学循环。那时大气组成呈还原性，在还原性气氛下的无机化学循环中，会偶然合成出有机物，并聚集为局域性的"原始（有机）汤"。"汤"中有机聚集体会偶然在结构上成为质粒体，可促进（自催化）光合作用，称"化学进化"阶段。"光合作用"是生命起源的首要条件，使"汤"中有机质快速增殖，不再依靠无机反应偶然合成途径了。从此开始了"生物地球化学循环"，直至智慧人类的出现，称"生物进化"阶段，大气由还原性变化为氧化性，海洋变蓝，大地变绿，生命体主导了地球表层的性质与外貌，称"生物圈"，这就是盖亚假说。人类至今还未发现宇宙中还有第二个存在智慧生命的星球。
人类为改善自身的生存条件，用智慧创造了社会生产力，又称人类文明，已历经了数万年原始文明、数千年农业文明、近三百年的工业文明，正在向生态文明演进。在工业文明之前，社会生产力完全寄生在自然生产力（又称自然承载力）之中，偶有不规范行为，如战争等，都还在自然生产力修复能力范围内。但工业文明以地下矿产与古生物化石为其产生与发展条件，超出了生物圈常规活动范围，社会生产力与人口两者竞相呈指数增长。然而这两类不可再生资源很快就会枯竭，怎么办？这就是工业文明不可持续性问题。
工业文明的这种不可持续性是由它的开放线性生产方式引起的
这些不可再生资源最终都变成了废弃物，必然后果是：1）这些不可再生资源枯竭后，社会生产力该如何继续发展？2）这些废弃物已经破坏了自然生态系统的良性循环，开始动摇人类的生存基础。这是一个事件的双重表现。唯一出路是社会生产力也要像自然生产力那样，实行内部的"物质闭路循环"，摆脱对地下矿产资源的依赖；并创建工业能源人工可持续供给系统，摆脱对化石能源的依赖。前者称"循环经济"，后者称"低碳技术"。两者是统一的，循环流动必须有动力保证源，故"低碳技术"应包含在"循环经济"之中。"循环经济"的关键是"废弃物资源化"，如图（二）所示，形成封闭循环系统。
循环经济要求社会生产与消费的每个环节都要"节能减排"，最后的废弃物必须资源化。低碳技术应包括：1）节能技术；2）可再生能源技术（实属太阳能）；3）地热利用技术；4）核能技术，包括裂变能与聚变能，后者称"人造太阳"。核能遵循爱因斯坦的质能公式E=mc2，即质量（m）与能量（E）是可以互相转换的，超出了化学范围。可以猜想，质能转换也应呈闭路循环，因为有质能守恒定律，只是循环周期可能比地球年龄还长，属宇宙学研究对象。
用化学热力学理论证明"物质闭路化学循环"的可行性，并不困难。可以说在自然界与化学加工过程中随处可见，只因单个具体的人为生产目标与反向循环均背道而驰，从而被人们完全忽视了。尤其是"废弃物资源化"问题，被工业资本的利润法则阻吓在人们常规思维范围之外了。
通常将蒸汽机的发明当作工业文明的开端。然而制造蒸汽机必须以金属材料为前提。金属氧化物高温碳还原技术在"炼金术"之前就相当成熟了，是"火"的产物。所以"火"与高温氧化还原技术才是工业的最早源头，属高能耗过程。炼金术士们的功劳是发现了酸与碱，才有了后来的工业酸碱制造技术，再加上高温能源，分离出了各种纯物质，包括元素单质。在此基础上建成了现代化学科学，证明了自然界及人类创造的一切物质都由门捷列夫周期表中94种自然元素组成。元素原子的核外价电子相互配对，构成了形形色色、千变万化的物质形态与功能。这就意味着价电子属性是物质其它一切功能属性的本源。94种元素中非金属元素22种，金属元素72种，在价电子配对时，前者呈阴性，后者呈阳性，或者说前者偏酸性，后者偏碱性，阴阳互补才成其为常态。有机物（包括生物）以非金属元素碳氢化合物为骨架，呈还原性，也偏酸性，无机物以金属氧化物为骨架，呈氧化性，偏碱性。
可以将化学反应归纳为两大类：一类是反应前后原子价态不变，以离子反应最典型，酸与碱往往是推动力。可以证明"酸-碱-盐人工闭路化学循环"是构建"无机物人工闭路化学循环"的最基础技术范式：
（1）
另一类是氧化还原反应，反应前后原子价态有变化，内能变化大，是生物反应的主体，"光合作用"是其推动力。无机反应中也有氧化还原反应，但一般要有氧化剂与还原剂存在，最常见的是空气中的O2与古生物化石碳。例如炼铁工业的物质闭路化学循环流如图（三）所示。
初看是一个最典型也是最古老的纯无机化学反应过程。但上天赐给的O2与C是光合作用的产物，与生命过程有关。如果进一步考察工业氧化剂与还原剂的生产工艺，会发现氧化剂的源头就是空气中的O2，还原剂的源头是生物质。此外还有电化学方法，即H2O电解，属高耗能工艺。