环境材料第一章.ppt

生态环境材料,南京示范大学动力工程学院 刘荣 2008年8月,教材 生态环境材料 聂祚仁、王志宏 机械工业出版社 2004 参考文献 1、环境材料基础 左铁镛、聂祚仁 科学出版社 2003 2、环境材料 孙胜龙 化学工业出版社 2002 3、环境材料学 翁 端 清华大学出版社 2001 4、生态环境材料 王天民 天津大学出版社 2000 5、环境材料导论 刘江龙 冶金工业出版社 1999,返回,第一章 概 论,返回,人类社会的进步，总是离不开材料的。材料是国民经济和社会发展的基础和先导，它与能源、信息并行，视为现代高科技的三大支柱。 材料与能源是推动社会文明进步的车轮，是社会发展的重要标志。当代社会所使用的材料、能源太多，其结果给环境带来的压力越来越大，对环境造成的污染也越来越严重。如何既能很好地使用材料、能源，又不会给环境带来灾难，这就需要研究环境、材料之间的关系，充分利用环境材料，使人类社会实现永续发展的目的。,第一节 材料可持续发展的产物生态环境材料,一、背景,可持续发展作为21世纪的发展战略。 可持续发展:既可满足当代人的需要，又不损害后代人需求的发展，就是说经济建设与人口、资源和环境要协调发展，既能达到发展经济的目的，又能保护人类赖以生存的自然资源和环境，使人类能够连续不断地发展。 人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今世界可持续发展所面临的三大主要问题。 资源与能源是制造材料和推动材料发展的两大支柱，由于材料和能源的不合理开发和利用，直接导致了资源短缺和环境恶化。,世界“三大文明”的毁灭，是生态环境破坏的结果。,西方文明 阿拉伯文明中华文明,全世界能源、各种原材料消耗快速；许多稀有金属回收再利用率很低，造成全球范围内能源、资源枯竭。由各种材料制成的产品废弃后的回收利用低，尤其是电子产品更新换代周期越来越短，造成废旧电子产品废弃量逐年增加，而且此类产品的回收利用难度较大。这些废弃物产生的有毒有害物质造成环境污染。 拆解20万台旧家电，可以回收各类金属4100吨，塑料1300吨，玻璃640吨；1吨电路板，可分离出130公斤铜、20公斤锡、0.45公斤黄金，最后留下的残渣还能作为建筑材料、家具、绝缘材料的原料。每处置1吨电子垃圾，可获利润3000元至10000元；一年若处理100吨，年利润可达30万元至60万元。,材料的寿命周期与资源、环境的关系,对资源的消耗可以概括为以下几方面。 能源的消耗 矿物资源的消耗 生物资源的消耗 水资源的消耗 对生态环境的损害可以概括为如下几个方面。 向大气环境排放的有害物质，如大气污染物的诽出； 具有温室效应气体的徘出，破坏大气臭氧层物质的排出；酸 性气体物质的排出等。 向水域徘放的有害物质，如危害人体和生物体健康物 质的排出;影响生态环境物质的徘出等。 向土壤排放的有害物质，如污染土壤物质的排出；恶 化土质物质的诽出；危害生物链物质的排出等。 其他损害环境物质的排放，如固体废弃物的排放，恶 臭物质的排放：噪声、振动、电磁波的产生等。,表 1.1 世界主要金属矿物资源储量与预测使用的年限,表 1.2 世界矿物能源储量、产量及其开采年限预测,二、概念的提出,生态环境材料的概念最早是由日本东京大学生产技术研究所教授山本良一在1992年10月提出的，生态环境材料的英文名称Ecomaterials。 由Environmental Conscious Materials 或 Ecologacal Materials 缩写而成,可理解为环境意识材料或生态材料，也即环境友好型材料或环境协调性材料。,第二节 环境材料的内涵与定义,一、环境材料的定义,环境材料:指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需的材料。 生态环境材料：实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料。 环境协调性：指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用高。 环境材料的性能：,二、环境材料的内涵, 在尽可能满足用户对材料性能要求的同时，必须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，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； 这个定义的拓宽涉及多学科的交叉，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。见书P3,三、环境材料的特征,1、从材料本身性质来看生态环境材料的主要特征是 : 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少。 3) 可再生循环利用、容易回收。 4) 材料的高使用效率等。见书P2 2、从循环的角度来理解环境材料的特征是： 从原料开采、制造、使用至废弃的整个寿命周期中，对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高，或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。,3、在环境材料这一总的概念指导下，不同的研究者有不同的理 解，有些人认为，环境材料应具备的特征是： 1）先进性：即它可以拓展人类的生活领域 (Expanding Human Frontiers)，也能为人类开拓更广阔的活动范围； 2）环境协调性（Environment Conscious）：即能减少对环境的污染危害，从社会持久发展及进步的观点出发,使人类的活动范畴和外部环境尽可能协调,在制造过程中,材料与能源的消耗、废弃物的产生和回收处理应降低到最小,产生的废弃物也能被处理、回收、再生利用，且这一过程也无污染产生； 3）舒适性 (Amenity)：即能创造一个与大自然和谐的健康生活环境, 使人类生活环境更加美好、舒适。,也有些人认为环境材料的特征是： 功能性、经济性和环境协调性等。这有利于对环境材料的评判，也符合现实情况。即在材料的寿命周期中，在其功能性、经济性基本相同的条件下对环境负担影响较小的材料。 5、按照有关的研究报道和生态环境材料的要求，可将有关的材料特征分为十类：见书P4 1)节约能源： 2) 节约资源： 3) 可重复使用： 4) 可循环再生： 5) 结构可靠性： 6) 化学稳定性： 7) 生物安全性： 8) 有毒、有害替代： 9) 舒适性： 1O) 环境清洁、治理功能：,四、环境材料的合成与加工工艺特征 见书P4,1) 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) 净化环境的加工技术：能够净化有害物质(如废气、废液和有毒副产品)以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。,五、环境材料的分类,1、环境材料的分类 根据环境材料的功能可分为： 低（资源、能源）消耗材料、净化材料、吸波材料、（光、生物）可降解材料、生物及医疗功能材料、传感材料、抗辐射材料、相容性材料、吸附催化材料等。 根据材料的用途可分为： 工业生态材料、农业生态材料、林业生态材料、渔业生态材料 能源生态材料、抗辐射材料、相容性材料、生物材料及医用材料等,第三节 环境材料研究中的几个基本关系,图12 环境材料与其他材料的关系,利用环境意识，一方面可以改造现有材料，使其与环境有良好的协调性；另一方面在制造、设计新材料时，就注意与其环境相容性。 环境材料并不是一种完全独立的材料种类，环境材料不全都是高新技术材料，有许多传统材料本身就具有环境材料的特征或可以发展成环境材料，甚至有些垃圾废弃物经加工都可以制成环境材料。,一、环境材料与传统材料和新材料的关系,返回,二、环境材料与发展的关系,保护环境、爱护环境、珍惜资源的意识应贯穿于人类活动的全过程中，因此，环境材料的研究与发展不是阶段性的。它应当贯穿于人类文明社会的全过程中。环境材料不像其他材料，例如铁、铜、陶瓷一样，其发展是一代一代的。环境材料不是一代新材料。从人类自身的进步和发展来看，环境意识应贯穿于人类社会的全过程之中 , 也应当贯穿于人类开发、使用、制造、再生材料的整个过程中。环境材料本身应该而且是可持续发展的。,三、环境协调材料与环境协调产品的关系,环境协调材料与环境协调产品在概念上是有明显区别的。 环境协调材料或环境材料:注重从环境协调性研究材料的环境负荷特性，力求最低的环境负荷。 环境协调产品（Environmental Conscious Products, ECP）目前主要注重的设计要素为净化环境、防止污染、替代有毒物、再生利用、降低废物量、再资源化、耐久性、可分解性、产品易拆卸、省能、省资源。事实上，环境协调材料不一定能够制成环境协调产品。反过来，环境协调产品不一定是由环境材料构成。 德国和日本是环境协调产品的大力推行者。在西方商品市场上，有环境标志的商品价格比同类商品的价格高20%30%，且其销路极佳。,第四节 生态环境材料的发展趋势,一、环境材料的研究历史,环境材料的研究目的：是寻找在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷的人类所需材料, 以满足人类生存和发展的需要。 东西方人对材料追求的不同态度：西方人追求的是材料的先进性和舒适性；而东方文化崇尚自然的心境, 则追求材料的自身协调和天人协调。东方文化追求天人和谐的思想, 对当今材料领域有着深刻的影响。 西方人对环境科学认识上的进步：随着全球环境意识的不断提高, 西方的一些学者提出了建立“绿色材料和工艺”，并开发出有益于健康的良性环境材料和工艺, 最大限度地对自然资源进行循环利用并开发其副产品, 使之具有与大自然相互平衡的能力。,1992年, 日本东京大学山本良一教授首先提出环境材料 (Ecomaterials) 的概念, 并于 1993年4 月成立了“ 日本环境材料研究会”。 我国政府的科技决策部门也充分认识到开展环境材料研究的必要性与紧迫性, 如19962000年度国家高技术发展计划（863计划）中关于新材料研究项目指南中专门列入新型能源及环境材料这一专题; 目前在以下领域我国材料科学工作者取得了相当的成果: 材料的环境负荷评价方法及其实践；生物降解塑料；固沙植被塑料；新型能源材料；汽车废气的排放控制与处理技术；工业废水处理技术；工业废弃物的再生利用；氟里昂替代材料；生态建材；新型分子筛材料等。,二、生态环境材料的发展趋势,1、关于生态环境材料及其学科的基本问题研究 2、材料的环境负荷评价方法和标准的建立 3、生态环境材料和产品的研究及开发 4、制定与实施生态环境材料的教育计划 5、推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流 见书P8 三、环境材料与社会发展进步关系,图1-3 各种材料对社会发展的相对重要性,四、研究环境材料应当注意的几个问题,环境材料的概念或定义是一种定性的概念, 判定环境材料的标准是随着科学技术的进步而变化的。在环境材料的