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环境材料导论 北京大学环境科学与工程学院张剑波 北京大学环境科学与工程学院 第2章环境材料与可持续发展 2 1可持续发展 sustainabledevelopment 的概念选择什么样的生存和发展模式以及如何实现它 一直是困扰着人类的重大命题人类破坏其赖以生存的自然环境的历史可能同人类文明史一样古老 北京大学环境科学与工程学院 不同的社会文明时期 采猎文明时期 生产力水平很低 人类对环境的破坏较小 几乎是和谐共存 作为自然的一部分农业文明 影响和改造局部地区的自然生态系统 地力下降 土地盐碱化 水土流失甚至河流淤塞 改道和决口 危急人类的生存 人类对自然的破坏作用尚未达到造成全球环境问题的程度 这时 人类的环境意识尚属原始 在宗教思想中表现为崇拜自然 畏惧自然 依赖自然 中国的农业文明时代很长 有历史的辉煌 也有包袱 对自然的破坏 改朝换代 战争 北京大学环境科学与工程学院 不同的社会文明时期 工业文明 使一部分人自认为已经能够彻底摆脱自然的束缚 以培根和笛卡尔为代表提出的 驾驱自然 做自然的主人 的机械论思想 没有意识到人类同环境之间存在着协同发展的客观规律 北京大学环境科学与工程学院 人类的觉醒 后工业文明时期 单靠科学技术手段和用工业文明的思维定式去修补环境是不可能从根本上解决问题的 必须在各个层次上去调控人类的社会行为和改变支配人类社会行为的思想 人类终于认识到 环境问题也是一个发展问题 是一个社会问题 是一个涉及到人类社会文明的问题 北京大学环境科学与工程学院 可持续发展 提出的背景 现代可持续发展思想的提出源于人们对环境问题的逐步认识和热切关注 其产生背景是人类赖以生存和发展的环境和资源遭到越来越严重的破坏 人类已不同程度地尝到了环境破坏的苦果 北京大学环境科学与工程学院 共同的行动 1980年3月5日 联合国向全世界发出呼吁 必须研究自然的 社会的 生态的 经济的以及利用自然资源过程的基本关系 确保全球持续发展 1983年11月 联合国成立了世界环境与发展委员会 北京大学环境科学与工程学院 认识的飞越 1992年6月联合国在巴西的里约热内卢召开了环境与发展世界首脑会议 焦点由单纯重视环境保护问题转移到环境与发展的主题 体现了人类社会高速发展和社会进步的内在需求 反映了各国在认识上的质的飞跃 各国已普遍认识到 环境的保护与治理只有与社会发展问题共同考虑 才能获得最终的解决 北京大学环境科学与工程学院 人类发展战略 会议提出了 可持续发展 sustainabledevelopment 这一人类共同的发展战略 通过了 里约环境与发展宣言 和 21世纪议程 明确了可持续发展是人类社会的惟一选择 北京大学环境科学与工程学院 欧盟的行动 1993年2月1日 欧洲联盟通过了第五个环境规划 即环境与可持续发展新战略 以可持续发展为指导思想 以推进欧洲联盟经济发展模式的转换为最终目的 北京大学环境科学与工程学院 美国的行动 1993年6月29日 美国白宫环境政策办公室发出总统令 宣布成立 总统可持续发展理事会 具体负责执行1992年联合国环境与发展大会制定的 21世纪议程 起草 国家可持续发展战略及行动计划框架 北京大学环境科学与工程学院 日本的行动 1994年初日本政府也制定了 日本21世纪议程行动计划 这个行动计划的目的是通过可持续发展途径 逐步实现全球环境保护的目标 北京大学环境科学与工程学院 可持续发展的具体表现 工业应当是高产低耗能源应当被清洁利用粮食需要保障长期供给人口与资源应当保持相对平衡 北京大学环境科学与工程学院 2 2可持续发展的内涵 可持续发展是指既能满足当代人的需要 又不对后代人满足其需求能力构成危害的发展 是人口 经济 社会 资源 环境和生态系统相互协调的发展 可持续发展的核心是发展 是在保证资源和环境可以永续利用的前提下进行的经济和社会的发展 北京大学环境科学与工程学院 广义的发展观 它不仅表现在经济的增长 国民生产总值的提高 人民生活水平的改善 它还表现在文学 艺术 科学的昌盛 道德水平的提高 社会秩序的和谐 国民素质的改进等 发展不应当狭义地被理解为经济增长 北京大学环境科学与工程学院 发展必须解决的问题 消除贫困 改善环境 消除战争的可能性 限制大规模杀伤性武器 限制军备 保障人权 避免人的潜力的浪费 北京大学环境科学与工程学院 可持续性 赫尔曼 戴利 HermanDaly 1991年提出了可持续性由3部分组成 1 使用可再生资源的速度不超过其再生速度 2 使用不可再生资源的速度不超过其可再生替代物的开发速度 3 污染物的排放速度不超过环境的自净容量 北京大学环境科学与工程学院 2 2 1重要意义 可持续发展的概念从理论上结束了长期以来把发展经济同保护环境与资源相互对立起来的错误观点 并明确指出了它们应当是相互联系和互为因果的 它代表了当今科学对人与环境关系认识的新阶段 其包括三个基本要素 1 少破坏 不破坏 乃至改善人类所赖以生存的环境和生产条件 2 技术要不断革新 对于稀有资源 短缺资源能够经济有效地取得替代品 3 对产品或服务的供求平衡能实现有效的调控 北京大学环境科学与工程学院 2 2 2可持续发展与中国 可持续发展是中国彻底摆脱贫穷 人口 资源和环境困境的唯一正确选择 中国式可持续发展的基本构成是 控制人口 节省资源 保护环境和减轻波动这四项基本要求 北京大学环境学院 中国的极限 中国目前的全部土地资源生产力是每年的生物生产量约为32亿吨干物质 包括3787亿公斤粮食 据中国社会科学院编写的 国情研究报告 其合理的人口承载力是9 5亿人 我国土地资源潜在的自然生产力是每年的生物生产量约72 6亿吨干物质 其理论最大人口承载能力约为15 16亿人口 2 2 3中国发展新模式 1生存与发展1 发展的实质 更好的生存2 发展的合理性 天然合理3 社会的本质 形成秩序4 秩序的基本特性 变动性 多样性 稳定性 自维护性 北京大学环境学院 2社会的发展与人类文明 1 人类文明人类生存方式及其核心价值观的抽象表述2 人类文明的三大阶段原始文明 农业文明 工业文明3 不同时代的生存观 发展观 财富观4 人类社会主导因素的演替 北京大学环境学院 3人类文明的演替与转折 1 认识的视角环境社会系统与三种生产理论人口 物资 环境2 人类文明演替历史轨迹剖析3 人类文明演替已进入转折期人类文明演替的根源工业文明已走到了尽头 三大供求关系失衡三大危机集中爆发现实秩序正在迅速改变 北京大学环境学院 4人类如何走向新的文明时代 1 更新核心价值观2 更新生存方式3 中国正在创建自己的新发展模式中国工业化历程及其启示大胆探索 走自己的路中国特色 走生态文明路 补工业文明课核心价值观方面的变化 生存方式方面的变化 北京大学环境学院 北京大学环境学院 2 3日趋严重的全球环境问题 2 3 1人口的急剧增长革命 技术先进 生产力提高 丰富的物质 养活更多的人口据统计 世界人口正以日增25万人的速度飞速膨胀 而地球上的动植物却以日减160种的速度在不停地消失 在世界上 人口增长速度为3人 秒 在中国 每过1 8秒 就有一个孩子出生 北京大学环境科学与工程学院 人口激增 分布不平衡 1989年的世界人口为52 1亿 在1991年 为54亿 2000年增至62 5亿 预计到2050年人口将增加到100亿 其中发达国家人口将从8 3亿增至9亿 仅增加10 发展中国家人口将从39 5亿增至86亿 大约1 2倍 北京大学环境学院 必须的需求 据预测 要养活新增人口 40亿 需3亿公顷的农耕地 每年须增490万公顷 道路 住宅用地需1亿公顷 为此需减少4公顷的森林面积 从而导致CO2排放量以每年7 14亿吨的速度增加 北京大学环境学院 2 3 2臭氧层的破坏 大气是指包围在地球表面并随地球旋转的空气层 它不仅是维护生物圈中的生命所必需的 而且参与地球表面的各种过程 如水循环 化学和物理风化 陆地上和海洋中的光合作用及腐败作用等 各种波动 流动和海洋化学也都与大气活动有关 北京大学环境学院 大气层的结构 北京大学环境学院 平流层的特点 平流层温度升高的原因是由于平流层中的臭氧能够强烈吸收来自太阳的紫外线 同时被分解为氧原子和分子氧 当它们重新化合生成臭氧时 以热的形式释放出大量的能量 因此 吸收紫外线的能量大都又用于加热该层 北京大学环境学院 臭氧层 在大气的平流层中 集中了大气中约90 的臭氧 其中离地22 25km臭氧浓度值达到最高 称其为臭氧层 如果将地球上臭氧压缩至1个大气压 其厚度仅有3mm左右 就像是一件 厚度为3mm左右的宇宙服 北京大学环境学院 臭氧的分布 北京大学环境学院 臭氧空洞 北京大学环境学院 南极臭氧空洞的形成 南极大陆上空空气在冬季非常寒冷 形成很多冰粒物质 在这些物质表面的反应使氟里昂极易释放出氯原子 致使在春季大气中出现一大批活泼的氯原子 因此 南极大陆上空春季臭氧含量大量减少 北京大学环境学院 臭氧的分解反应 平流层中的O2吸收太阳辐射 发生化学键断裂 产生O3和O 若NO以某种方式进入同温层 便发生重要的链式化学反应 NO和O3反应 产生NO2NO O3 NO2 O2NO2又和氧原子O反应 再生成NONO2 O NO O2构成催化循环 其中NO和NO2是催化剂 每个循环的净效应是减少一个氧原子O和一个臭氧分子O3 北京大学环境学院 臭氧的分解反应 氯氟烃 为化学惰性物质 对生物不存在毒性和其他有害影响 然而惰性意味着其无处可去 在大气中只有一直上升到平流层 才会发生紫外光解 CF2Cl2 h Cl CF2ClO3 Cl ClO O2O ClO Cl O2Cl和ClO形成催化循环 一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子 北京大学环境学院 臭氧层破坏的后果 1 臭氧的减少使皮肤癌和角膜炎患者增加 也会损害人的免疫系统 使传染病的发病率猛增 2 破坏地球上的生态系统 过量的紫外线影响植物的光合作用 使农作物减产 紫外线还可能导致某些生物物种的突变 3 引起新的环境问题 过量的紫外线能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解 结果又带来新的环境污染 光化学大气污染 北京大学环境学院 平流层臭氧与对流层臭氧的区别 来源不同自然反应与光化学污染作用不同保护生态与污染物 北京大学环境学院 维也纳公约 1985年在联合国环境规划署推动下 形成了保护臭氧层的 维也纳公约 1987年在加拿大的蒙特利尔又签署了该公约的议定书 1991年在伦敦该议定书又作了修正中国于1992年加入了 蒙特利尔议定书 伦敦修正案 北京大学环境学院 共同但有区别的责任 区分了不同的责任划定了不同的目标引入了资金机制 北京大学环境学院 ODS物质在我国的应用和涉及的行业 其涉及人类生活的方方面面化工生产制冷泡沫烟草医药农业清洗消防 北京大学环境学院 我国的ODS淘汰 需要解决的科学和技术问题 1 臭氧层耗损和保护及其对社会 经济与环境和健康影响 2 替代品与替代技术选择和发展战略 3 全球共享资源管理理论与机制 4 履行议定书的对策与策略 包括国际环境外交对策和与国内安全履约机制与措施 北京大学环境学院 北大的贡献 我们解决的问题 1 编写了 中国淘汰ODS国家方案 2 研究起草了中国履约核心政策 可交易的ODS生产配额制度 和 进出口管理政策 3 分析了我国保护臭氧层需要的增加费用 4 完成了我国9个行业淘汰计划的设计 5 调查分析了我国白内障发病率与紫外辐射的关系 6 分析了签署不同 修正案 对我国影响 7 提出了我国ODS替代品发展战略 8 为UNEP EEAP TEAP和MLF提供了技术和决策支持 北京大学环境学院 北大的贡献 成果 设计完成的9个行业计划包含91 433ODP吨ODS生产和64 326ODP吨ODS消费淘汰 约占全球发展中国家总量的40 获得多边基金资助3 6亿美元获奖 2004年9月获国家环保总局颁发的第二届国家保护臭氧层贡献奖特别金奖 2005年获得美国环保局颁布的臭氧层保护奖 以奖励该工作组的 LeadershipinODSPhaseoutinDevelopingCountries 北京大学环境学院 北大受到奖励 北京大学环境学院 2 3 3酸雨 酸性物质以及产生酸性物质的化合物 是在燃烧矿物燃料用来发电或是提供运输动力时生成的 主要是由硫氧化物和氮氧化物衍生而生成的酸 pH值低于5 6酸性雨水的影响在欧洲和美国东北部最明显 还包括加拿大和中国 北京大学环境学院 复合反应 SO2 H2S等物质的氧化加速了酸化大气中氧化剂的形成 复合型 污染概念的提出 北京大学环境学院 对全球的危害 比利时的酸化程度超过正常值的16倍北美酸雨频降 pH3 4美国15个州的降水pH 5加拿大的酸雨损害面积120 150万平方公里 北京大学环境学院 对我国的影响 中国煤烟型污染导致酸雨的覆盖面积约占国土面积的30 降水的年均pH值在4 13 7 79之间主要分布在长江以南 青藏高原以东地区及四川盆地长沙 赣州 重庆 柳州等地 十雨九酸 pH接近3 北京大学环境学院 酸雨带来什么 危害生态系统水生生物不能存活土壤酸化建筑等受损 北京大学环境学院 2 3 4温室效应与气候变化 有些痕量气体吸收太阳能并将其转变为热量 最终可能引起具有灾难性后果的气候变化全球变暖的结果 两极冰雪融化造成洪水泛滥 良田伦为沙漠以及最终出现饥荒 增加慢性病和传染病的发病率 北京大学环境学院 什么是温室效应 温室效应是一个自然过程 如果没有它 地球表面的平均温度将不是现在的15 而是 18 现在的问题是大气中的温室气体增加了 温室效应加强了 因而导致全球气候变暖 二氧化碳的作用占到55 浓度从100年前的260 280ppm增加到340ppm 北京大学环境学院 京都议定书 2005年2月16日 京都议定书 生效 年 月 个国家和地区的代表在日本东京召开 联合国气候变化框架公约 缔约方第三次会议 经过紧张而艰难的谈判 会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的 京都议定书 京都议定书 需要在占全球温室气体排放量 的至少 个国家批准之后才具有国际法效力 北京大学环境学院 2002年9月3日国务院总理朱镕基在约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议上讲话时宣布 中国已核准 联合国气候变化框架公约 京都议定书 中国政府认为 联合国气候变化框架公约 及其 京都议定书 为国际合作应对气候变化确立了基本原则 提供了有效框架和规则 应当得到普遍遵守 欧盟各成员国及日本已批准了议定书 中国希望其他发达国家尽快批准或核准议定书 北京大学环境学院 京都议定书 规定 到 年 所有发达国家排放的二氧化碳等 种温室气体的数量 要比 年减少 发展中国家没有减排义务 对各发达国家说来 从 年到 年必须完成的削减目标是 与 年相比 欧盟削减 美国削减 日本削减 加拿大削减 东欧各国削减 新西兰 俄罗斯和乌克兰则不必削减 可将排放量稳定在 年水平上 议定书同时允许爱尔兰 澳大利亚和挪威的排放量分别比 年增加 北京大学环境学院 2002年 月 欧盟环境部长会议批准了 京都议定书 月 日本政府也批准了 京都议定书 至此 批准议定书的国家已超过 个 但批准国家的温室气体排放量仅为全球温室气体排放总量的 尚不足以使 京都议定书 生效 北京大学环境学院 美国的态度 美国人口仅占全球人口的 至 而所排放的二氧化碳却占全球排放量的 以上 美国曾于 年 月签署了 京都议定书 但在2001年 月 布什政府以 减少温室气体排放将会影响美国经济发展 和 发展中国家也应该承担减排和限排温室气体的义务 为借口 宣布拒绝执行 京都议定书 北京大学环境学院 气候变化和臭氧层耗损的关系 北京大学环境学院 消耗臭氧层物质及其替代品基本都是高GWP值温室气体 保护臭氧层淘汰ODS过程是 CFC HCFC HFC PFC高ODP 高GWP 低ODP 高GWP 零ODP 高GWP 从根本上没有解决应对气候变化的问题 迄今为止也没有彻底解决臭氧层保护问题 北京大学环境学院 京都议定书控制的温室气体HFCs PFCs 北京大学环境学院 CFC HCFC HFC PFC的温室效应 根据IPCC报告 CFC HCFC HFC PFC的辐射强迫效应估计是0 34 0 03W m2 约占所有温室气体总量的14 北京大学环境学院 气候变化 空调生产 温室气体 空调行业的良性循环 气候变化的恶性循环 2004年创汇50多亿美元 北京大学环境学院 2 3 5持久性有机污染物污染与POPs公约 经过历时三年的多轮政府间谈判 包括我国在内的90多个国家的代表在2001年5月23日签署了旨在控制和消除POPs污染和影响的 关于持久性有机污染物 POPs 的斯德哥尔摩公约 以下简称 POPs公约 以保护人类健康和环境 北京大学环境学院 议定书在中国生效 2004年2月17日 第50个国家批准了 POPs公约 公约在2004年5月17日正式生效 第10届全国人大常委会第10次会议于2004年6月25日批准我国加入 POPs公约 依据公约第26条第2款 公约将在2004年11月11日对我国正式生效 国家执行方案 2007年4月经国务院批准 北京大学环境学院 人体最主要的三个exposureroute是 呼吸道途径 消化道途径和皮肤途径 北京大学环境学院 12种受控POPs在中国 Pesticides aldrin chlordane DDT dieldrin endrin heptachlor hexachlorobenzene HCB mirex toxapheneIndustrialchemicals polychlorinatedbyphenyls PCBs andHCBUnintendedbyproducts dioxins furans HCBandPCBsDDT DioxinandFuransarealreadyclassifiedascarcinogensTherestareclassifiedaspossiblehumancarcinogens withtheexceptionforendrin 北京大学环境学院 TheGrasshopperEffect 北京大学环境学院 Anexample bio accumulation 北京大学环境学院 2 3 6水资源的保护 我国的水资源总量是2 8亿m3 居世界第六位 可是 按人均占有量计算 却仅为2340m3在国际上排第88位 以被列入世界12个贫水国家名单中 而北京的情况更为严重 人均占有量仅为全国水平的1 8 北京大学环境学院 水资源严重匮乏 预计我国2010年 人均水资源不足400立方米 1993年人均用水450立方米 水污染带来的威胁十分严重 是缺水问题更加突出 北京大学环境学院 2 4现代文明与人类环境 2 4 1环境问题国际化温室效应 臭氧层破坏等现在人类所面临的问题和过去所遇到局部环境问题有本质区别 也就是说 问题的原因不只是局限于某个企业和某个国家 而是涉及到当今的整个工业技术体系和社会经济体系 北京大学环境学院 2 4 2生态体系的脆弱性 气候的变动对人类的生存方式 陆地物种的进化给予了很大影响 其详细情况还不是很清楚 但是平均气温1 的气候变动 将对人类文明产生重大影响 这一观点近年来已经在考古学和古气候学的研究中得到了证实 与环境失去协调的文明在大规模气候变动过程中是极为脆弱的 和太阳系的其它行星相比 可以认识到地球生物权的特殊性 偶然性和完美性 人们逐渐认识到对地球生物圈的保护 对生态系统 相互依附的一大群生物 的保护 是高于一切的原则 人类所面临的最大课题是 从根本上重新认识物质文明 恢复和环境协调与共存 即人类由反地球型的生物再回归到地球型生物 北京大学环境学院 2 4 3科技文明与环境 近代科学技术本身没有将维护有限的地球生命圈 提倡并保持生命 生物 之间的相互依存关系 以及完全循环利用枯竭性资源这些概念有机地联系和统一起来 今后科学技术的进步的成果应优先向着减轻地球环境负担的方向发展 同时要促进社会 经济体系 生活方式的深刻变革 使科学技术成果真正为减轻地球环境负担做出贡献 北京大学环境学院 2 5材料流 典型材料生产 使用 废弃过程示意图 北京大学环境学院 以钢铁材料为例 经过采选 储运 炼铁等步骤 最后平均8吨矿石可炼成1吨钢 再经过轧制 车 钳 刨 铣等金属加工 最后得到约700公斤的金属制品 这些金属制品按质量计算 能被有效使用的不到500公斤 即使这些被有效使用的金属制品 也有一定的服役寿命 最后都被废弃而排放进入环境 由环境来承担吸收 消纳和分解的任务 北京大学环境学院 2 5 1材料流的概念 材料流 materialsflow 又称物质流 massflow 也称材料链 substancechain 材料流理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量大小的一种定量分析理论 北京大学环境学院 2 5 2几种有代表性的材料流理论 2 5 2 1四倍因子理论四倍因子理论 factor4 是德国vonWeizsaecker教授于20世纪90年代初首先提出来的 按1995年的数据 占全世界总人口20 的富人 每年消耗全世界82 7 的能源和资源 而其他80 的人每年消耗的能源和资源仅占世界总消耗量的17 3 为了既保持已有的高质量的生活 又努力消除贫富之间的差异 Weizsaecker根据计算得出 若能采取技术措施 将现有的资源和能源效率提高四倍 就有可能达到上述的目标 这就是四倍因子理论提出的依据 经过努力和发展 Weizsaecker将四倍因子理论科学化了 1995年 其专著 四倍因子 半份消耗 倍数产出 出版以后 使该理论有了明确的科学含义 其意思是指在经济活动和生产过程中 通过采取各种技术措施 将能源消耗 资源消耗降低一半 同时将生产效率提高一倍 由此 在同样能源消耗和资源消耗的水平上 得到了四倍的产出 如式 2 1 所示 2 1 式中 R表示资源效率 P表示产品产出量 I表示原材料 能源投入量 北京大学环境学院 2 5 2 2十倍因子理论 十倍因子理论 factor10 是由德国Schmidt Bleek于1994年率先提出的 必须继续减小全球的材料流量 在一代人之内将资源效率提高十倍 才能使发达国家保持现有的生活质量 逐步缩小国与国之间的贫富差距 且可以让子孙后代能够在这个星球继续生存 十倍因子的概念与环境保护是直接相关的 Schmidt Bleek教授用一个方程式将环境影响 人口和一个国家的国内生产总值关联起来 见式 2 2 他推测 到2050年地球上的人口将在现在的基数上增加1倍 即P等于2 同时 世界各国的国内生产总值 GDP 届时将增长3 6倍 取平均值为5 则二者之积为10 由此 对环境的影响将增加10倍 为了保持现有的生态环境水平 必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏 因此 我们必须将资源效率和能源效率提高10倍 才有可能真正实现社会 经济的可持续发展 2 2 式中 I表示环境影响 P表示人口 GDP表示国内生产总值 北京大学环境学院 F 10俱乐部 在提出十倍因子理论的同时 Schmidt Bleek教授于1994年在法国创建了国际F 10俱乐部 旨在推行十倍因子理论和实践 1997年 F 10俱乐部向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的卡诺勒斯宜言 明确提出了在一代人之内 将资源和能源的生产效率提高十倍的目标以及实现这个目标应采取的技术措施 宣言指出 进入经济活动的所有物质或迟或早都要被消耗或排放进入环境 到头来是环保费用的持续增长 因此 要降低环保费用 首先需要降低和减少物质从自然界 即环境 流入经济活动圈的量 从而减少污染物排放置 通过减少污染物的处理量 最后使环保投资费用降低 北京大学环境学院 我国面临的任务 我国正着手组织制定 国家中长期科技发展规划 其将规定到2020年的重点任务 其中一个重要部分即 生态建设 环境保护与循环经济科技问题