資源リサイクル論

資源リサイクル論

持続可能性と熱力学的エントロピーを基礎として

リサイクルを、 すべてよいことだと言うのも、 すべて悪いことだと言うのも、正しくないと思う。 よいリサイクルと悪いリサイクルを判別しなければならない。 わたしは具体的なリサイクルの実践にかかわっていないので、 話はやや抽象的になるが、 わたしの考える判断の原則を述べてみたい。 (ともかく頭の中にあることを書き出してみた暫定版であり、 根拠となる情報の出典が書かれておらず、また説明がうまくないところが多い。 追って改訂していくつもりである。)

持続可能性という理念

よい、悪いの判断をするには事実認識だけでなく価値理念が必要である。 わたしは、人類の生存が持続可能であること、という価値理念を正面にすえたい。 もちろん、人類が永遠に生きられるはずはないが、 現在の人類の生活様式は、天然資源消費の面で、持続可能な状態から大きく 離れているので、少しでも持続可能に近づけるという目標が現実的意味をもつと思う。

人間社会と地球環境

人間社会は、外との間で物質とエネルギーが出入りしている系(システム)である。 物質とエネルギーの動きは、質量保存、エネルギー保存、エントロピー増大という 物理法則に従っている。 人間社会は、地球環境系の中にある。 地球環境系のうち人間社会以外の部分を「自然界」と呼んでおく。 人間社会と自然界の境目を明確にすることはむずかしいが、 便宜上、工場や廃水処理場の建物内は、その反応で生物を使っているとしても、 人間が物質の出入りをよく管理していると考え、 人間社会の一部であるとみなしておく。 他方、農地の場合は、人間が物質の出入りに影響を与えていることは明らかだが、 それを完全に管理しているわけではないので、自然界の一部とみなすことにする。

準定常状態とエントロピー収支

人間社会を持続可能にするためには、 人間社会が含む物質やエネルギーの状態を ほぼ一定の状態(準定常状態)に保つことをめざすのがよさそうである。 準定常状態では、 質量とエネルギーのそれぞれについて、取りこむ量と排出する量がほぼ等しい。 また、エントロピーについては、物質またはエネルギーの動きに伴う出入りのほかに 系内の不可逆現象による発生があり、取りこむ量と発生量の合計が排出する量に ほぼ等しい。

エントロピーについては次のことをおさえておきたい。 エネルギーについては、 仕事はエントロピーを伴わないが、熱はエントロピーを伴う。 熱に伴うエントロピーは温度が低いほど大きくなる。 物質については、 混合物のエントロピーは、それぞれの構成要素が純粋に存在する場合よりも多い。

地球環境系は、単純化して述べれば、太陽から電磁波(主として可視光)を受け、 宇宙空間に電磁波(主として赤外線)を出すことによって外部と エネルギーをやりとりするが、物質はやりとりしない系である。 (地球内部の熱源もあるが相対的な意味では無視できる。) 地球環境系の状態は準定常に近い。 そこでは、エネルギーの出入りはほぼ等しいが、 地球放射(地球の出す電磁波)は太陽光よりも温度が低いので、 出るエントロピーは入るエントロピーよりも多い。 この差のぶんだけ、地球環境系内でエントロピーが発生しても 定常状態を保つことができる。 地球環境中では、 物質のエントロピーをエネルギーのエントロピーに変換するような作用が常に働いており(それ自体不可逆でいくらかのエントロピー発生を伴うのだが)、 エネルギーのエントロピーは排出可能なので、 物質のエントロピーをほぼ一定に保つことができる。

人間社会がエントロピーを排出し、しかも地球環境系の準定常状態を乱さない ためには、地球環境系が地球放射によってエントロピーを運び出すしくみに 乗る形で排出しなければならない。 それにはエネルギーに伴う形と物質に伴う形がありうる。 エネルギーに伴うとは、大気や海水を(自然界の復元能力の範囲で)暖めることである。 物質に伴うとは、それ自体はエントロピーが高いが 自然のプロセスがエントロピーを下げてくれるような物質を 環境中に出すことである。 (大気中に水を蒸発させることも重要な方法である。 これは、水蒸気という物質を出し自然界がそれをエントロピーの低い液体の水に 変えてくれることを期待することとも、 また、大気を暖める方法の一種とも考えられる。) いずれにしてもその量には限度があり、 また物質の場合はその種類も生物の代謝の妨げにならない物質に限られてくる。

(エントロピーについては、 [授業用のページ]も参照。)

持続可能性の理念からみて、よい活動

持続可能性の理念からみると、よい人間活動とは、次のような活動だと思う。

  1. 準定常状態でも可能な活動。
  2. (準定常状態では可能ではないが) 現状を準定常状態に近づけるように働く活動。

たとえば、もし化石燃料も地球環境系に含めるとすれば、 化石燃料を多少とも使う活動は(1)には含まれない。 しかし、従来よりも化石燃料の消費を減らすことは(2)に含まれる。 まだ今後数十年の間は化石燃料が利用可能だろうから、 今すぐ(1)だけにしぼることはない。(2)も重要である。 数十年かけて(1)だけに変えていくことを考えるべきだろう。

Reduce, Reuse, Recycle

人間社会の現状が持続可能な状態から大きく離れているのは、 まず、人間社会が物質やエネルギーを取りこみまた排出する量が多すぎることによる。 これを減らす策を考えなければならない。

まず考えるべきことは、物質やエネルギーの消費量を減らす(reduce)ことである。

そして、もし、量をじゅうぶん減らすことができ、 質の面でも自然界が処理できる形の物質とエネルギーだけを排出するのであれば、 資源は1回だけ使って廃物を自然界に返せばよい、と言えるだろう。

しかし現実はこの理想から遠い。 ひとつには量の面で、都市などの人口密度の高いところでは廃物が多すぎる。 もうひとつには質の面で、自然界に出ると生物にとって有害だが、 人間社会にとっての効用が捨てがたい物質がいろいろある (たとえば、電子回路に使われている半導体や金属など)。

そこで、同じ物をくりかえし使うことを考えなければならない。 それを全般的にリサイクルということもあるが、 形を保ったままの物体をくりかえし使うのは再利用(reuse)、 形をこわして物質として使うのをリサイクル(recycle)として区別することが多い。 再利用でも、輸送や洗浄・修理などの不可逆過程を伴いはするが、 多くの場合、リサイクルの場合ほどはエントロピーを発生しないだろう。 したがって、持続可能性の観点から見た優先順位は、 明らかに、reduce, reuse, recycleである。

リサイクルの意義

持続可能性をめざすことを前提として、リサイクルをする意義は、 大きく次のようなものがあると思う。 ただし、それぞれの目標に対する方法としてリサイクルだけがあるわけではない。

  1. 微量でも生物にとって有害な物質を自然界から隔離する。
  2. 自然界の負荷を受け入れ可能なレベルまで下げる。
  3. エントロピーの低い原料資源として利用する。
  4. (エントロピーの低さを利用する ... リサイクルからははずれるが)。

隔離としてのリサイクル

微量でも生物にとって有害な物質(ここでは具体的な定義はしないが)は、 自然界から隔離しなければならない。 もしその物質に引き続き需要があるならば、 新たに自然界から採取すべきではなく(採取過程でも環境への害がおこりうるので)、 リサイクルして使うべきである。 有害の度あいの強い場合は、利用は施設内に閉じた形に限るべきだろう。 それほどでもない場合は、密封した容器の中に入れて使われ、回収されるという形も ありうるだろう。 この場合、完全回収をめざさなければならない。 また、劣化(化学変化や混合)した物質を製品レベルの質にもどさなければならない。 もちろんそのためには、エントロピーの低いエネルギー資源を投入しなければならない。 それは貴重な資源の消費だが、その物質を使うという社会的決断の代償である。 このサイクルはコストが高いことを認識し、 自然界に出してよい物質に置きかえられる限りは置きかえて、 サイクルをまわる物質の量を少なくすることをめざすべきである。

もし、自然界に出していけない物質は全く使っていけない、とすれば、 このサイクルはなくなる。 (すでに作ってしまった物質を動かさず隔離しつづけることだけが残る。) それはひとつの理想ではあるが、 そのためには、近代文明の利器の多くを捨てる覚悟をしなければならない。

負荷対策としてのリサイクル

生物にとって質的には有害ではないが量的に多すぎる廃物がある場合には、 それを処理してから自然界に出さなければならない。 典型的例は廃水処理だろう。 処理は対象物のエントロピーを減らすことになるのがふつうであり、 エントロピーの低いエネルギー資源を投入しなければならない。 処理の結果得られたものは、自然界に出してもよいのだが、 人間活動に利用可能であればふたたび人間社会に取りこむ --つまりリサイクルする-- こともある。

例として、下水処理からのリサイクルについて

下水処理では、処理された水を「中水」として使うことや、 「汚泥」を肥料として使うことが行なわれることがある。 中水のほうは、また処理場に戻ってくるとすれば、 文字どおりのリサイクル(くりかえし利用)といえる。 ただし隔離の条件に合った閉じた循環ではない。 他方、肥料は農地で使われた段階で自然界に出ることになる。 それは、もし期待どおりにいけば、 農業の結果として減った土壌中の植物にとっての栄養物質を補うことになり、 その意味でも人間活動の自然界に対する負荷を減らすことになる。 ただし、現状での都市下水の汚泥は、有害物質を含んでいる可能性が高く、 肥料に不適切だろう。 こういうものはここでの原則によれば隔離の対象だが、 現実にはいつまでも隔離し続けるわけにもいかない。 これは持続可能でないシステムである。 下水処理場は肥料工場でもあるという立場を明確にし、 発生源に近く内容のわかった段階で処理するように変えていく必要があると思う。

物質の再利用としてのリサイクル

形はくずれても物質としてあまり劣化していない場合は、 同じ種類の製品にもどせる場合が多い (次の「カスケード型」と区別して、「水平リサイクル」と呼ばれることがある)。 たとえば、ガラスびんをとかしてガラスびんとして再生する場合である。 再利用(reuse)の場合よりは エントロピーの低いエネルギー資源の投入がやや多くなるが、 新しい原料から作る場合よりは資源節約になることはほぼ確実なので、 再利用の次に勧められることだろう。

一方、物質が劣化している場合には、 同じ種類ではなく、もっと質に関する要求水準の低い別の製品にすることしか できないことがある。 (ガラスびんの場合でも、 透明のガラスびんを材料にしても透明のガラスびんではなく 色つきのガラスびんしかできない、ということがあるかもしれない。) ここでいう質の高い・低いは、 ほぼエントロピーの低い・高いに対応するとみてよいと思う。 質の高いほうから低いほうへ、なん段階もの再生ができる場合もある。 そういう場合を含めて、このようなリサイクルをカスケード型リサイクルという。 この場合、少なくともいちばん質の高い製品を作るための原料はリサイクルで まかなえず、自然界から取りこまなければならないことになる。 このようなリサイクルが持続可能性の観点から望ましいかどうかは一般的には 言えず、具体的な事例に沿って考えなければならない。 次に述べる、低エントロピー資源としての利用のほうがよい場合もある。

低エントロピー資源としての利用

廃物は、製品としての価値を失っていても、 自然界にありふれた物質よりもエントロピーが低いことがある。 たとえば、多くのプラスチックスは、燃えて熱を出す。 これは、プラスチックスと大気の酸素をあわせたものがもつエントロピーが、 燃えた結果できた二酸化炭素その他の物質がもつエントロピーよりも低く、 それによって、常温の熱よりもエントロピーの低い高温の熱をつくることができたのである。 高温の熱を利用して、たとえば、他の物質のエントロピーを減らすことができる。 燃やすのではなく、燃料電池と同類の化学反応により、 直接、他の物質のエントロピーを減らすこともできるかもしれない。 いずれにせよ、これは廃物を低エントロピー資源として利用したことになる。 そして、もしそれを利用しなかった場合に比べて、 自然界から取りこむ低エントロピー資源(燃料など)の量を少なくできるだろう。 反応の結果としてできる物質が自然界に出してかまわないものであることが前提である。 (そうでない場合、たとえば排煙脱硫などの後処理が必要になり、 そこで低エントロピー資源を消費する。 それを上回る資源価値がなければこの利用方法はよくない。)

例として、紙のリサイクルについて

紙のリサイクルは、紙の主成分であるセルロースを、また紙として再生することである。 この再生の工程では、低エントロピー資源を消費する。 電力などの動力もいくらか必要とするが、 おそらくここでいちばん重要な低エントロピー資源は水だろう。 (もし廃水を用水と同じレベルまできれいにするとすれば、他の低エントロピー資源を消費することになる)。 しかも、紙の繊維が短くなるので、完全な水平リサイクルはむずかしい。 もし、再生工程で消費される低エントロピー資源が、 紙を燃料として使ったときの低エントロピー資源としての価値よりも多ければ、 リサイクルよりも燃料としての利用のほうがよいということになると思う。 わたしは実際に定量的比較をしていないので、どちらかはわからない。 また、この判断は、新しい原料が自然界からどれだけ確実に取りこめるかによっても 変わる。


2006-02-03; 更新 ..., 2006-10-01, 2011-03-24
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
(2006年現在) 慶応義塾大学 環境情報学部 非常勤講師
本務(2006年現在): 海洋研究開発機構 地球環境フロンティア研究センター
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