环境材料学.ppt
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生态环境材料学,第一章概论第二章材料产业与生态环境第三章材料的环境协调性评价第四章材料和产品的生态设计第五章金属材料和冶金流程的环境协调化第六章无机非金属类生态环境材料第七章高分子环境材料第八章天然资源环境材料第九章环境治理功能材料与技术,第一章生态环境材料概述,第一节材料可持续发展的产物生态环境材料第二节生态环境材料的内涵与定义第三节生态环境材料的研究与应用发展第四节生态环境材料的发展趋势,第一节材料可持续发展的产物生态环境材料,材料作为社会经济发展的物质基础,推动着人类文明的进步同时材料产业又是资源、能源消耗和污染排放大户,严重威胁着人类生存的自然环境,材料与环境如何协调发展的问题日益受到人们的重视20世纪90年代初出现了“生态环境材料”(Ecomaterials)的概念,材料作为社会经济发展的物质基础,推动着人类文明的进步;作为人类社会进步的里程碑和划时代的标志,如石器时代、陶器时代、青铜时代、钢铁时代等,工业革命,都是以新材料的发现和应用为基础、为先导,18世纪以钢铁为代表的金属材料,推动了以蒸气机、纺织机的发明和应用为标志的第一次工业革命,把人类带入工业社会;20世纪中叶以来,以单晶硅及其它半导体材料为代表的新材料,为以微电子技术的发明和应用为标志的第二次工业革命的到来,起到了先导和核心作用,把人类社会带入了电子时代;二十世纪80年代以来,以先进半导体材料和非线性光学晶体以及光纤材料等新材料的发现和不断扩展应用,将推动以光电子或光电子与微电子结合为标志的第三次技术革命,把人类社会带入更加辉煌的信息时代,远古时期主要靠自然的恩赐度日。
人类很少有意识地改造自然,对环境的影响未超出自然环境的调节能力。
农业社会大量砍伐森林、破坏草原,刀耕火种、盲目开荒。
引起严重的水土流失,水旱灾害频繁和沙漠化。
但工业生产并不发达,由此引起的环境污染问题并不突出。
工业革命以后人类对自然的开发能力达到了空前的水平。
对自然资源进行了掠夺性的开发利用,毫无顾忌地向自然排放废弃物,环境污染发展的速度超过了自然环境代谢更新的速度。
人类改造和征服自然的后果,马斯河谷事件多诺拉烟雾事件伦敦烟雾事件水俣事件米糠油事件四日市哮喘事件骨痛病事件洛杉矶光化学烟雾事件,20世纪30年代至50年代,发生了震惊世界的八大公害事件:
材料产业既是人类文明进步的物质基础,又是造成资源、能源过度消耗,生态环境恶化的主要责任者之一!
人口問題,目前,11.7%,2.3%,1.9%,1.4%,RichestFifth,PoorestFifth,(UNDP,HumanDevelopmentReport1992),82.7%,全球收入分配,貧困問題,亿绝对贫困,毎日平均消費不足温饱(世界銀行)发展中国家,8.45亿营养不良(UNFoodandAgricultureOrganization)近亿人处于失业状态(InternationalLaborOrganization),冶炼,Metals,(1000kmt),(/t-矿石),11,800km,6t精矿,300t矿石,1t金属,运输,开采,资源的巨大消耗,资源的巨大消耗,几十年来,金属的使用量一直在呈指数增长,(据Ayres,1996),褐煤,粘土,铁,1:
5,原材料,生态负担,金1:
35000,银,铂,1:
35000,1:
7500,106,107,铅,1:
19,锌,1:
6,锰矿石,瓷土,1:
142,硫1:
0.9,石膏,铝矿,磷1:
34,岩盐,1:
0.3,109,1:
14,1:
2,水泥,1:
0.1石油,煤炭,天然宝石,沙子和砾石,1:
12,1:
6,1:
0.65,单位:
吨,1:
11,1千克金属可能需要移动或处理数吨重的物质,资源的巨大消耗,改自Schemidt-Bleek,0,1000000,2000000,3000000,4000000,5000000,6000000,7000000,1900,1910,1920,1930,1940,1950,1960,1970,1980,1990,MillionMetricTonsofCarbon,CentralandSouthAmerica,Africa,FarEast,CentrallyPlannedAsia,MiddleEast,CentrallyPlannedEurope,Oceania,WesternEurope,Germany,NorthAmerica,Source:
CDIAC,全球CO2的排放情况,CO2排放浓度增加为2倍,那么平均气温将增加1.54.5,百年地表温度上続,电子垃圾污染日益加剧,电子垃圾每年以18%的速度增长,比总废物量的增长速度快3倍,其范围包括所有的废旧电子产品。
如果处理不当,将会对环境造成严重影响,危害人类的健康和生存。
如废旧电子产品掩埋在土壤中,经渗透会对土壤造成严重污染,甚至渗入地下水危及人体健康。
我国广东贵屿、浙江台州地区就是典型的电子垃圾灾区。
十种有色金属产量和在世界上的排位,近年我国几种主要材料工业产品产量,数据来源:
中国统计年鉴2003,2002年我国几种主要原材料工业的污染物排放情况,数据来源:
中国统计年鉴2003,美国(1991)、德国(1991)、荷兰(1991)、日本(1990)等发达国家的资源利用效率300kg自然界物料100美元(GDP)中国1994年5700kg自然界物料100美元(GNP)分别是同年美国的18倍、日本的44倍,国内外资源效率对比,中国单位GNP的资源消耗远高于世界平均水平,据统计钢材、铜、铝、铅、锌的消耗分别是世界平均水平的3.6、3.7、2.4、2.7和2.2倍。
能源对GNP产出率仅为世界平均水平的七分之一。
我国处于资源和环境的两难境地,2003年我国已经成为世界第一煤炭消费大国和第二石油电力消费大国,同时消耗了占世界当年消耗总量近50%的水泥、35%的铁矿石、20%的氧化铝和铜,不过这些只创造了占世界总量4%的GDP。
我国处于资源和环境的两难境地,我国一些生产资料新增资源结构也发生明显变化,对外依存度明显提高。
其中原油对外依存度已经达到35%。
今后我国钢铁、铝、铜、石油等资源需求量还需要通过进口加以解决。
我国主要矿产品的可开采年限,数据来源:
联合国矿业产品年鉴,重新思考人与自然的关系,美国生物学家莱切尔卡逊寂静的春天“我们必须与其他生物共同分享我们的地球”。
美国经济学家波尔丁宇宙飞船经济观首次提出了循环经济的概念,1962年,重新思考人与自然的关系,国际性未来研究组织罗马俱乐部发布了关于世界发展趋势的研究报告增长的极限。
警告“如果让世界人口、工业化、污染、粮食生产和资源消耗方面现在的趋势继续下去,这个行星上的增长的极限有朝一日将在今后一百年中发生”。
6月5日联合国在斯德哥尔摩召开人类环境会议,通过了人类环境宣言,提出人类在开发利用自然的同时,也要承担保护自然的责任和义务。
世界各国由此走上了改善和保护生态环境的历程。
1972年,重新思考人与自然的关系,1987年,在第42届联大“环境与发展会议”上,时任挪威首相的布伦特兰夫人在我们共同的未来的报告里第一次提出了可持续发展的新理念,并系统地阐述了可持续发展的内涵,1989年,美国的福罗什在加工业的战略一书中,首次提出了工业生态学的概念,即通过将产业链上游的“废物”或副产品,转变为下游的“营养物”或原料,从而形成一个类似于自然生态系统的“工业生态系统”,重新思考人与自然的关系,1992年,在巴西里约热内卢召开的世界环境与发展大会以“可持续发展”为指导方针制定并通过了21世纪议程和里约宣言等重要文件。
会议号召各成员国制定其本国的“可持续发展”战略与政策,并加强合作,以推动21世纪议程的落实。
美国生物学家莱切尔卡逊寂静的春天,1972年,斯德哥尔摩人类环境会议,1972年,罗马俱乐部发布了增长的极限,1992年,里约热内卢环境与发展大会,2002年,约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议,可持续发展循环示意图,“生态环境材料”(Ecomaterials)的概念,要求材料在满足使用性能要求的同时还具有良好的全寿命过程的环境协调性,赋予材料及材料产业以环境协调功能生态环境材料概念的最早提出时间是1990年10月,在一次关于材料服务于人类生活、行为的未来状况与环境关系的讨论会上,由日本学者提出。
Ecomaterials由日本东京大学的山本良一教授等人率先提出,是由EnvironmentalConsciousMaterials或EcologicalMaterials缩写而成,按英文字面含义可理解为环境意识的材料或生态材料,从改善环境的角度出发具有环境改善功能的材料、高效率利用和低耗能材料、全寿命环境协调材料、零排放的制备技术等生态环境材料与技术是材料科学与技术对全球环境的重要贡献。
生态环境材料的主要特征,从材料本身性质来看1)无毒无害、减少污染,包括避免温室效应和臭氧层破坏等;2)全寿命过程对资源和能源消耗小;3)可再生循环利用、容易回收;4)材料的高使用效率等。
第二节生态环境材料的内涵与定义,材料科学与工程的定义,环境科学,材料科学,环境材料,环境材料学,环境科学,环境材料学,材料科学,生态环境材料,应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性,或者是能够改善环境的材料。
所谓环境协调性是指对资源和能源消耗少、对环境污染小和循环再生利用率高。
环境效益更高的材料,共识,在尽可能满足用户对材料性能的要求的同时,必需考虑尽可能节约资源和能源,尽可能减少对环境的污染,要改变片面追求性能的观点;在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时,一定要把材料及其产品整个寿命周期中,对环境的协调性作为重要评价指标,改变只管设计生产,而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污染的观点;这个定义的拓宽将涉及多学科的交叉,不仅是理工交叉,而且具有更宽的知识基础和更强的实践性,不仅讲科学技术效益、经济效益,还要讲社会效益,把材料科学技术与产业的具体发展目标和全球、各国可持续发展的大目标结合起来。
生态环境材料的特征,1)节约能源:
材料能降低某一系统的能量消耗。
通过具有更优异的性能(如轻质、耐热、绝热性、探测功能、能量转换等)实现提高能量效率,即改善材料的性能可以降低能量消耗达到节能目的。
2)节约资源:
材料能降低系统的资源消耗。
通过更优异的性能(强度、耐磨损、耐热、绝热性、催化性等)可降低材料消耗,从而节省资源。
如能提高资源利用率的材料(催化剂等)和可再生的材料也能节省资源。
3)可重复使用:
材料的产品收集后,允许再次使用该产品的性质,仅需要净化过程如清洗、灭菌、磨光和表面处理等即可实现。
4)可循环再生:
材料产品经过收集,重新处理后作为另一种新产品使用的性质。
收集产品视为原材料。
5)结构可靠性:
材料使用时具有不会发生任何断裂或意外的性质,是通过其可靠的机械性能(强度、延展性、刚度、硬度、蠕变等)实现的。
6)化学稳定性:
材料在很长的使用时间内通过抑制其在使用环境中(暴风雨、化学、光、氧气、水、土壤、温度、细菌等)的化学降解实现的稳定性。
7)生物安全性:
材料在使用环境中不会对动物、植物和生态系统造成危害的性质。
不含有毒、有害、导致过敏和发炎、致癌和环境激素的元素和物质的材料,具有很高的生物学安全性。
8)有毒、有害替代:
可以用来替代已经在环境中传播并引起环境污染的材料。
因为已经扩散的材料是不可收回的,使用具有可置换性的材料是为了防止进一步的污染。
如氯氟甲烷的替代材料、生物降解塑料等都有很高的可置换性。
9)舒适性:
材料在使用时能给人提供舒适感的性质。
包括抗振性、吸收性、抗菌性、湿度控制、除臭性等。
10)环境清洁、治理功能:
材料具有的对污染物分离、固定、移动和解毒以便净化废气、废水和粉尘等的性质。
也包括探测污染物的功能。
绿色工艺,1)能源节约工艺:
能够通过提高能源效率或降低能量消耗但又不损害生产率来节省能量的加工方法。
也包括热能循环。
2)资源节约工艺:
能够通过提高材料的效率或降低材料的消耗但不损害生产率来节省资源的加工方法。
3)降低污染的(生产)加工技术:
能够降低污染物(如废气、废液、有毒副产品和废渣等)排放但又不损害生产率的加工技术。
4)净化环境的(生产)加工技术:
能够净化有害物质(如废气、废液和有毒副产品)、净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。
第三节生态环境材料的研究与应用发展,一、材料的环境协调性评价技术及其应用二、生态环境材料的设计、研制与开发,日本和欧洲的一些国家相继成立了相关的研究学会,组织专门的学术和政策研究,多次召开国际性的研讨会,其中已定期召开的学术会议有自1993年开始、每两年一次的Ecomaterials国际会议和1994年开始、每两年一次的Ecobalance国际会议等。
近年国内外生态环境材料与技术的研究和应用可以划分为材料的环境协调性评价技术和具体的生态环境材料的设计、研究与开发两大方面。
一、材料的环境协调性评价技术及其应用,日本于1995年开始对一些典型材料进行了环境协调性评估,指导和推进全日本材料及其制品产业的环境协调化发展。
德国利用物质流分析的方法研究了国家、地区以及典型材料和产品,用于指导工业经济材料及产品生产的环境协调发展。
奥地利、加拿大、法国、德国、北欧国家、荷兰、美国等许多国家和欧盟、世界经济与合作组织、国际标准化组织等国际组织都将环境协调评价作为制定标志或标准的方法。
三方面开展:
(1)关于MLCA的系统框架和评价方法的研究。
着重于环境协调性评价(LCA)的概念阐述和方法的研究,力图建立一个普遍适用的LCA执行体系。
(2)发达国家以及许多跨国公司根据自身的要求提出了各自的环境负荷评价指标,并针对具体的实际过程建立了环境影响数据库,国家层次上最具代表性的是日本从1998年启动的国家MLCA计划。
(3)将LCA方法应用到实际的材料或产品的设计和生产过程中,用于指导开发及筛选新的环境协调性的材料和产品以及国际贸易。
MLCA研究内容,评估方法技术框架Methodology,MLCA,二、生态环境材料的设计、研制与开发,环境协调设计(Eco-design)和环境协调制造在市场和绿色购买的压力下受到影响,日本在1996年成立的绿色购买网。
著名公司都在实施相应的研究发展计划,如IBM公司的“环境设计计划”,道化学公司的“减少废弃计划”,Chevroint公司的“节约资金,减少毒气计划”等,一些国际知名的大企业象日本的佳能、东芝、日立、富士、索尼,德国的西门子等从产品和技术的开发等角度一直关注生态效率和资源环境效率,使其开发的新产品不仅具有经济效益,还要具有环境效益,以保持未来的市场竞争力。
德国“蓝天使”计划,加拿大“ECOLOGO”计划,美国“健康建材”计划,丹麦“室内气候标志系统”已实施多年,1.清洁生产工艺2.冶金短流程工艺3.废弃物资源化材料4.环保建材(包括生态水泥)5.环境工程材料(包括电磁防护类材料)6.天然资源材料(包括矿物环境材料)7.降解树脂8.材料回收再利用9.毒害替代材料(包括电子功能材料元素替代),零排放与零废弃加工技术(ZeroEmissionandZeroWasteProcessing,尽可能减少乃至最终避免在材料制备加工中废弃物和污染物向生态环境中的排放通过废弃物再利用和再资源化,最大限度地利用资源,是使整个社会资源效率提高的表述,并不是字面上指的排放为零的意思,第四节生态环境材料的发展趋势,一、关于生态环境材料及其学科的基本问题研究二、材料的环境负荷评价方法和标准的建立三、生态环境材料和产品的研究及开发四、制定与实施生态环境材料的教育计划五、推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流,一.关于生态环境材料及其学科的基本问题研究生态环境材料不仅是一个具体的材料研究与开发的问题,也是一个材料科学与工程学领域的问题,它的研究与开发涉及自然科学与社会科学问题,涉及多学科知识基础问题,涉及对材料工作者的资源、环境观念和意识的教育与培养问题等。
材料的环境性能、材料再生循环过程性能的演变及其机制、材料的环境协调性设计理论和方法、材料及其产业的可持续发展理论等等都属于生态环境材料需要研究的基础问题。
二.材料的环境负荷评价方法和标准的建立开展对材料、产品及其生产、制备、使用直到废弃整个寿命周期或某个环节的环境负荷评估研究,是改造乃至淘汰该材料、产品或生产工艺的基础性工作,是世界各国研究的热点。
关于LCA的数学物理方法,关于材料的环境负荷的表征及其量化指标,关于LCA的评价范围及生态循环的编目分析,关于材料生产和使用过程的环境影响评估、环境改善等还有许多基础性研究工作要做。
同时,根据ISO14040系列标准,开展环境协调性评估的示范性研究,对加强生态环境材料的基础理论研究,开发新的生态环境材料具有重要指导意义。
由于各国的地理、资源、工业结构、技术水平间存在很大差异,因而研究中国自己的基础数据库和开发相应的软件成为我们的重要研究内容和主要研究方向之一。
三.生态环境材料和产品的研究及开发弄清现有具体材料的主要生产工艺和流程的环境负荷问题,以典型材料的生产工艺流程和使用、废弃及再生过程为评估研究示范参考体系。
将传统的材料和产品设计方法与LCA方法相结合,从环境协调性的角度对材料和产品进行设计(即环境协调性设计),并结合LCA思想,从实际生产过程出发,提出切实可行的生产工艺的改进措施和建议。
对量大面广的传统材料产业的生产等过程进行环境协调性改造,从根本上提高资源、能源利用效率,减少和消除污染以实现零排放工程和绿色工程,这是材料产业环境协调性发展的治本之道。
针对整个工艺流程或局部进行技术改造,降低材料生产过程的资源和能源消耗,减少废物污染排放。
积极开发治理污染的材料和技术。
对已经产生的污染问题,如何避免和减少其对环境的破坏,即避害技术和治害补救技术,也可以说是治标之道。
针对各类污染的环境治理工程和措施都离不开性能优良的环境工程材料,开发门类齐全的环境净化与治理材料,将进入环境的有害物质转化为无害或减轻危害程度,改善由于人工和自然原因而失衡的生态系统,这其中也包括通过改变人们的生活方式以减少对环境的破坏以及产品替代或重新设计生产工艺流程等。
规避国际技术壁垒迫在眉睫,欧盟关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令2006年7月1日生效,禁止铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯(PBB)或者聚合溴化联苯乙醚(PBDE)等6种有害物质。
在世贸组织原则下,同样也是市场准入门槛的环保法令将直接影响各国的产品进出口额。
发达国家设置的贸易壁垒正从关税型转向环保技术型,表现为掌握核心技术后,再提高进入门槛。
四.制定与实施生态环境材料的教育计划作为一门学科,生态环境材料既是一个研究的问题,同时又是一个教育的问题。
需要积极制定和实施生态环境材料科学的教育计划。
在专门教育方面,从大学本科材料专业的课程教育开始,并在一些有条件的大学试办生态环境材料学科点,为材料专业开设响应的专业教育课,从而把环境意识引入材料科学与工程,使生态环境材料教育溶入国家的环境教育体系;同时逐步建立和健全专业化的学位教育,培养高级专业人才,为发展新的生态环境材料、培养适应21世纪可持续发展的材料科学工作者创造条件。
除正规教育外,应在已有基础教育、成人职业教育的环境教育的教学内容中,适当增加普及型“生态环境材料”内容,广泛利用传播媒介普及、提高现有材料工作者和全体人民的环境意识,加强生态环境材料和绿色产品的宣传和教育,尽快建立一个完整的生态环境材料教育体系,为中国的持续发展奠定良好的基础。
五.推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流生态环境材料是一个全球性问题。
在“我们共有一个地球”的口号下,中国在采取一系列措施解决环境问题的同时,积极务实地参与环境保护领域的国际合作。
在推动生态环境材料发展方面,中国的材料科学工作者从一开始就积极参与生态环境材料研究与发展的各项国际活动,开展生态环境材料科学的基础研究及应用开发,大大提高了我国在此领域的学术地位和影响力,并缩小了与国际前沿的差距。
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