材料概论第10章 环境材料09.4.2

第第 10章章 环境材料环境材料l 10.1 概 述 （定义、研究内容）l 10.2 环境协调性评价 （LCA）l 10.3 传统材料的环境材料化l 10.4 天然材料的加工和应用l 10.5 绿色包装材料l 10.6 环境净化、替代和修复材料l 10.7 环境降解材料10.1 概 述材料给人类带来物质财富并推动人类文明进步的同时，在开发与生产的过程中消耗大量资源和能源又给我们带来环境污染问题。20世纪 90年代初，国际上提出了 环境材料（ecomaterials）定义： 指 同时 具有满意的 使用性能 和优良的 环境协调性 ，或者能 改善环境 的材料。其中的 “环境协调性 ”是指对资源和能源的消耗小，对环境的污染少。材料 大气 水 土壤 /土地纸、纸浆 排放含 SO2、 NOx、 CH4、 CO2、 CO、 硫化氢、硫醇、氯化物等废气（ 1）水资源消耗；（ 2）排放悬浮性固体物、有机物、有机氯水泥、玻璃、陶瓷排放含砷、钒、铅、铬、硅、碱、氟化物的粉尘及 NOx、 CO2、 SO2、 CO等废气排放含油、重金属离子的废水（ 1）矿物资源及土地消耗；（ 2）排放固体废弃物金属及矿物开采排放各种粉尘及有害气体 排放含金属离子及有毒化学品的废水（ 1） 矿物资源及土地消耗； （ 2）土地退化钢铁 （ 1）排放含铅、砷、镉、铬、铜、汞、镍、硒、锌的粉尘，以及含有机物、酸雾、 H2S、HCl的废气； （ 2）紫外线辐射（ 1）水资源消耗；（ 2）排放含无机物、有机物、油、悬浮性固体物、金属离子的废水（ 1）矿物资源及土地消耗；（ 2）排放固体废弃物有色金属 排放含铝、砷、镉、铜、锌、汞、镍、铅、镁、锰、炭黑、气溶胶、 SiO2的粉尘，以及含SO2、 NOx、 CO、 H2S、 氯化物、氟化物、有机物的废气排放含重金属离子及有害化学品的废水（ 1）排放固体废弃物；（ 2）土地退化研究内容：A 理论研究：1.对材料的 环境性能的评价 。生命周期评估（ life cycle assessment, LCA）： 采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的 资源 、 能源消耗 ， 废物排放 等环境影响，并寻求改善的可能。2.材料的可持续发展理论。 资源的使用效率、生态设计理论。3. 生态加工、清洁生产理论、再循环、降解、废物处理理论。B 实用研究：1.环境协调材料，传统材料的环境材料化。 从人本的角度强调材料与环境的兼容与协调，开发天然材料、绿色包装材料和绿色建筑材料等。2.环境净化和修复材料。 指各种积极地防止污染的材料，如分离、吸附、转化污染物的材料。3.降解材料，指通过自身的分解减小对环境的污染。10.2 材料的环境协调性评价1.能源评价法 。由于过于片面，基本上已被 淘汰 ；2.环境影响因子评价法 。 考虑了多种影响因素，是能源评价法的进步；3.环境负荷单位法 。 采用一种综合的无量纲的数表示材料的环境影响，在 欧美 较为普遍；4.生态指数 ， 根据污染物来评价对象；5.生态因子法 ， 特点是研究材料 单位性能 所带来的环境负担；6.生命周期评估 ， 采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的 资源 、 能源消耗 ， 废物排放 等环境影响，并 寻求改善 的可能。是目前流行的高度综合方法，被称为 “从摇篮到坟墓 ”的评价方法。生命周期评估 的流程（ 1）目标和范围的确定LCA的 准备阶段 ，也是 最重要的环节 。目标 ：界定评价对象、实施 LCA评价的原因和评价结果的输出方式；范围 ：功能单元的定义、评价边界定义、系统输入与输出分配方法、评价模型及其解释方法、资料要求、审核方法、评价报告的类型和格式等。（ 2）编目分析根据评价的目标和范围，对资料收集和分类整理的过程。（ 3）环境影响评价 在编目分析的基础上，研究材料的各种污染对环境的 量化 影响。有 4个基本步骤： 分类、表征、归一化和评价 。（ 4）评价结果的解释 进行综合阐述和分析，最终给出评价的结果和建议。 分类 ： 将编目条款与环境损害种类相联系并 分组排列 的过程。表征 ： 对比分析和 量化 的过程。归一化处理 ： 根据各种环境影响不同的计量单位，采用 加权或分级 的方法处理资料，以简化评价过程，使评价结果一目了然。评价 ： 比较和量化不同种类的环境损害，最后给出 定量 的环境影响结果。LCA实例 纸杯与塑料杯的竞赛1991年 2月，美国科学杂志上刊登了一份纸杯和塑料杯的 LCA评估报告。 作者认为， 塑料杯造成的环境污染相对要小一些 。而 报告受到他人的质疑。本例说明 LCA的结论不是固定不变的，有很强的 时间性和地域性 ，更增加了它的 复杂程度 。10.3 传统材料的环境材料化10.3.1 金属的环境材料化思路：l 尽量少采用或者不采用稀缺的、环境负荷大的元素，多采用 储量丰富、易于获得的元素 ；l 尽量采用 同种元素 或者 简单元素 组合制造材料。例如用钢纤维增强铁基超细粉形成 Fe-Fe粉末冶金材料。目前金属的环境材料化主要是针对 金属的加工过程 ，如熔融还原炼铁技术、 喷射成形 等。20世纪中期提出了 “零排放，零废弃 ”，实现 封闭式生产 的目标。例如，高速钢中含有 17左右的贵重金属，因此研究开发了钢屑、氧化皮和磨屑废料等难以利用形式的循环再生技术。注意对金属加工时的各种 固态废弃物 的研究。例如，利用尾矿（我国超过 50亿吨）可以制造建材、化肥和铺路，钢渣和高炉渣同样也可以制造各种建材。10.3.2 无机非金属材料的环境材料化问题：l 陶瓷工艺中往往达到 1400 以上的高温（碳石墨化的温度更是超过了 2500 ），能耗惊人。l 无机非金属材料废弃物很难分解，难以处理，也很难循环利用。l 在无机非金属材料生产中大量有毒有害添加剂和废水、废气、粉尘的排放也不容忽视。开发低能耗、少污染的制备加工技术 免烧和低温固化技术 （水热热压、反应硬化型免烧陶瓷） 快速烧结 （微波烧结、爆炸烧结） 反应烧结 （反应烧结、自蔓延烧结） 近尺寸成型、可切削技术（ 1）水热热压19世纪中叶由法国地质学家首先提出；当时旨在模拟和研究天然矿物形成规律，后来发展成为合成人工晶体的一种方法；在水热反应的同时施加机械压力；在水热条件下，水可作为一种化学组分参与反应。水既是溶剂又是矿化剂，同时还可作为压力传递介质，可以使无机非金属材料在低温 （ 300 ） 发生固结和致密化，具有低能耗、无污染的特点。（ 2）陶瓷可切削技术一般陶瓷很难切削，少数可切削陶瓷力学性能较差。最近，日本大阪大学新原皓一教授，通过巧妙的微观结构设计 ，能够将优良的力学性能和可切削性统一起来。 将纳米 h-BN颗粒分散在 Si3N4基体中而制备。由于六方 BN易于 解理 ，再加上良好的分散性，因此可对该材料进行切削加工；又由于是 纳米级 的BN， 解理仅发生于局域，远小于临界裂纹尺寸，使材料能够保持较高的强度，该材料弯曲强度大于 1100 MPa 。微晶玻璃陶瓷 又称可加工陶瓷，是以合成云母为主晶相的云母微晶玻璃，是一种可以机加工的陶瓷材料。微晶玻璃陶瓷加工性能 类似于铸铁 ，它能加工成各种形状复杂、精度要求高的产品。微晶玻璃陶瓷虽系脆硬材料，但只要合理地确定加工工艺路线及装夹方式，注意加工方法，准确地选择切削量，在一般设备上公差等级可控制在 IT7级，光洁度达到 0.5微米，加工精度控制在 0.005毫米。如加工设备优良，操作工技术熟练，则精度可达 级。 10.3.3 高分子材料的环境材料化主要是 零排放技术、再生循环技术、可降解化和天然化共混再生循环利用 实例：包装材料、一次性餐具等塑料制品，使用过程十分短暂，废弃时材料性能没有严重破坏，因此可与其它塑料一起混合利用。如 废 塑料纤维化、木材化、土工制品化 等。共混再生利用技术简便易行，几乎适用于任何一种废旧高分子材料。 将五颜六色的混杂废塑料 粉碎 成小颗粒后直接成型再生制品，或添加 锯木粉 后挤压成耐湿耐腐的 “ 塑料木材 ” ，或添加废纸混合后制成 “ 复合木材 ” ，或与其它材料混合制成地板等，废塑料木材化； 用废塑料 PP制备防止滑坡塌方的土工隔栅，用废塑料PP制备土筋，用废 PVC制造防漏或保水的土工膜，用废PVC加工成治理铁路基床翻浆冒泥的排水板，废塑料土工制品化 。研制出可循环利用和再塑形的新塑料 目前的塑料制品，要被加热到 200摄氏度或是更高温度时才能够充分软化，以进行再塑形。消耗大量能源、环境污染，且破坏塑料的聚合体链，降低塑料的强度，使其不能进行循环再利用。 据新一期自然杂志报道，麻省理工学院的安妮 梅斯等人在硬度较大的聚苯乙烯（ PS）和另一种比较柔软的塑料的混合物中找到了一种新型塑料，在室温及标准制造压力下可进行循环利用和再塑形，可以重复利用达 10次，其韧性强度始终保持不变。解决 “ 白色污染 ” 。 废弃物从限制到再利用 韩国循环经济大兴其道 早在 1992年，韩国便开始实施 “ 废弃物预付金制度 ” ，即生产单位依据其产品出库数量，按比例向政府预付一定数量的资金，根据其最终废弃资源的情况，再返回部分预付资金。从 2002年起，韩国将 “ 废弃物预付金制度 ” 改为 “ 废弃物再利用责任制 ” ，即从限制废弃改为再利用。“ 废弃物再利用责任制 ” 规定，废旧的家用电器、轮胎、润滑油、日光灯、电池、纸袋、塑料包装材料、金属罐头盒、玻璃瓶等 18种材料 须由生产单位负责回收和循环利用。回收处理废弃物的合作社有 11家，遍布全国各地。同时，韩国还成立了一家名为 “ 资源再生公社 ” 的公营企业，专门负责管理和监督 “ 废弃物再利用责任制 ” 的实施。企业违反 “ 废弃物再利用责任制 ” ，将被课以最高 100万韩元的罚款。10.4 天然材料的加工和应用10.4.1 木材木材具有优异的环境特性。良好的 可再生 性能可一定程度地解决资源匮乏的问题，强大的 固碳 作用可以缓解温室效应，天然的 调湿 性能有利于人体的健康和物品的保存。同时，宜人的视觉、触觉特性也是木材的优势。为了克服木材 易腐烂、易变形、易着火、强度低 的缺点，发展了对木材的 改性 技术和深加工技术，例如浸渍、塑化、压缩、层叠，乃至近年来出现的 等离子表面处理、木材陶瓷化 等。 日本 学者将木材浸渍酚醛树脂后，通过高温炭化得到被称为木材陶瓷 (wood ceramics)的产品，这种产品具有优良的物理，电学，热学性能，可以用于电子，航空航天领域； 德国 研究人员将木材炭化，然后溶于熔融含硅化物中，得到碳化硅陶瓷，用作生物医学材料，航空航天材料； 美国 研究人员将木材浸入四乙醛硅氧烷中，得到木材陶瓷化合物，主要用于建筑和室内装修材料。 国内 学者利用正硅酸乙脂采用溶胶 -凝胶方法开展了木材陶瓷化方面的研究。利用仿生原理，采用化合物络合及晶体原位生长的方法，将无机物质引入到木材内部，靠提高细胞填充率达到增强的目的；完全保留了天然木材所具有的优美的木质纹络和质感 。10.4.2 甲壳素甲壳素（ chitin） 广泛存在于虾蟹等甲壳动物的甲壳中，年生物合成量高达 100亿吨，是用之不完的全新生物资源。它的环境特性十分良好，近年来引起了人们的广泛关注，甚至专门针对它召开了好几次国际会议。甲壳素和壳聚糖（甲壳素制品）有广泛的用途。在生物医学领域，被用来生产可吸收的手术缝合线、人造皮肤、药用微胶囊、人造骨、人工透析膜、隐形眼睛等。甲壳素有 抗菌