环境材料导论chp08材料和物质的再生循环.ppt

第8章环境材料与物质的再生循环 北京大学环境学院 北京大学环境学院 第8章环境材料与物质的再生循环 环境材料的最大目标之一就是开发可以反复使用的材料 在技术进步的前提下 创造一个可以顺利开展再生循环利用的社会 经济体系 使人们形成一种自觉选择 使用环境协调型产品的意识 北京大学环境学院 8 1再生循环 可持续发展的途径8 1 1再生循环的背景 对于某种生物来说没有用途的东西 在某些场合可能是其他生物的资源 自然界中将所有的生物有机地联系起来 就形成一个循环系统 生物圈 最初 再生循环只是从单纯经济的价值观来考虑的 最近人们已将废弃物处理 节省资源 节约能源 控制排污等作为环境保护的重要措施而备受重视 如何减少废弃物也是迫切需要解决的课题 除了能源以外 许多矿产资源如锌 镉 锡等也面临枯竭 再考虑到发展中国家的现代化过程和人口急剧增加带来的新问题 那么要继续维持像现在这种大量生产 大量消费 大量废弃的 文明 只不过是一个梦而已 建立符合自然规律的物质循环系统的战略方针应遵循如下两条原则 1 尽可能使用在自然界中可循环的材料 并将自然的循环应用到其废弃和生产过程中 为此 需要熟知自然循环系统的性质 并且根据具体情况以自然循环为模型来设计人类圈的物质循环 2 尽可能少使用在自然界中不可循环的材料 对那些非用不可的材料 应事先先设计一个再生循环系统 在材料的废弃和再生的过程中 严格控制数量 并使其处于不活波状态 北京大学环境学院 8 1 2再生循环的形态 将废弃物作为资源再生利用 其利用方式随制造过程的阶段不同而有很大差异 不同阶段进行再生利用时 所要解决的问题的意义及重点也不相同 在进行再生循环时 要根据解决的问题来选择具体实施的阶段 例如 对于资源趋于枯竭的物质 可以忽略消耗和所需的费用加以回收利用 若以节能为目的 则应通过比较再生循环可带来的能耗降低与进行回收 分选时所需能耗的相对大小来选择最合适的途径和比例 北京大学环境学院 再生循环的形态 1 单纯再利用 reuse 将不同的东西可以直接提供给其他消费者利用 如家中的已用过的衣服和旧家电等的利用 2 部件的回收再利用将废弃物中一部分零部件取出 可将这类部件用在别的系统上继续发挥其结构和功能的作用 例如 废弃汽车的保险杆可以拆下来装配在相同型号的汽车上 收集坏旧自行车的零件可以装配一辆新自行车等 3 作为原材料再利用 recycle 将一定组成的物质直接利用还是通过 分解 分离 成与原材料更接近的物质 这在工艺的概念上是完全不同的 废弃塑料可以再加工成容器 也可以分解成单体 视具体情况而定 金属可简单的回炉重熔 也可将合金分离成各构成元素 4 能源回收 reclaim 有机物燃烧会放出能量 金属则有时被称作是通过还原等过程而聚集再一起的能量块 如废弃旧塑料 可分解成燃油 也可以直接焚烧 作为热能利用 北京大学环境学院 8 1 3再生循环的问题 1 消费者首先必须参与利用废弃物资源的行动 1 分类回收 2 购买再生原料制品 2通过再生循环获得廉价的原材料 一方面 再生循环降低了原材料的成本 另一方面回收 分类和精炼等过程要花费一定的费用 在相同的经济利润前提下 存在着最经济的再生循环率 影响再生循环率的手段 为提高再生循环率 可降低再生循环的费用 可通过技术的开发 社会体制的支持和提高原材料的价格 在金融 税率上采取措施 予以干预 3 再生循环面临的困难 再生材料品质和数量上的不稳定 一味提高回收率就不可避免的混进一些低劣品 从而降低回收品的质量 分选分离都很费事 导致处理费用的提高 增加能耗及回收过程使用化学药品带来的环境负荷方面的影响 4 再生循环的发展方向A 杂质无害化技术 以使用再生资源为前提条件来生产材料 就得除去混进来得杂质或使其变得无害 B 通用性材料 若以杂质的存在为前提条件 允许杂质存在 那么材料的制造 使用方法 具有优良通用性的标准材料则是研究的课题 C 长寿性材料 延长材料得使用寿命 减少废弃 环境问题是社会文化 社会体系及技术之间相互协调才能够解决的大问题 作为技术工作者 不仅要适应再生循环 而且必须以锲而不舍的精神致力于材料和产品的再生循环 北京大学环境学院 8 2面对再生循环的环境保护政策8 2 1欧洲的环保政策 欧洲各国对环境保护持积极态度 德国的 废弃物处理法 是1972年制定的 先后经历四次修改 1986年的修订将其名称改为 废弃物的限制及废弃物处理法 这样将 怎样处理废弃物 的观点 提高到了 怎样减少废弃物的产生 为重点的方向 根据这个法律 1991年公布了禁止使用氟里昂 flon 和哈龙 halon 的条例 同年将 关于包装政令 的运用范围阶段性地扩大到运输包装物和二次包装物 并从1993年3月开始对包括商品包装在内的所有包装物生效 这个 包装政令 将捆包 包装物的回收规定为义务 设定了再生循环利用的目标 例如 规定的包装材料包括玻璃 白铁皮 铝 纸 塑料 复合物等 作为预期目标1995年回收率为80 再生循环率为64 72 为了与这个政令配合 成立了DSD DuelSystemDeutschlaud 公司 对每一包装 如企业向DSD公司支付约1美分 则可得到一份绿色标签 这样DSD公司负责从各个家庭的回收箱中回收包装物并进行再生利用 并已经形成了一个完整的体系 像这类的法律 现在已经涉及到了废旧电池 家用电器及汽车 北京大学环境学院 1992年8月提出了 限制废车条例 的提案 其最重要的议题就是汽车制造商有义务回收废旧车 并要求就以下内容制定相应的措施 1 追求在设计及制造中的可分解性 2 促进贴商标及再生循环的程序 3 制造过程中的再利用与再生循环等 北京大学环境学院 在1993年3月 德国联邦议会通过了新的废弃物处理法 被称作 循环型经济废弃物法 主张 生产者和消费者共同对产品的全过程负责 用再资源化代替简单的废弃物处理 使生产过程开始就明确提倡制订 循环型经济 再生义务 和 回收义务 为工业垃圾的再资源化奠定了基础 北京大学环境学院 8 2 2美国再生资源法规立法的可能性 美国虽尚无一部全国实行的再生循环法规 但从20世纪80年代中期开始 先后已有半数以上的州制订了不同形式的再生循环法规 各地方再生循环物品的回收活动迅猛发展 半数以上的人口参与了这一活动 活动对象包括报纸 铝易拉罐 玻璃瓶 包装纸 白铁罐及一些塑料容器等及电池 不管美国在法规制订方面如何 但在 产品责任制 的意识方面是走在前面的国家 北京大学环境学院 8 2 3日本再生循环法规的实施 对于主要资源依靠进口的日本 由于垃圾大量增加 随之造成环境的恶化 为处理这些问题 地方财政和国民负担加重 在这样的背景下1991年10月开始实施 关于促进利用再生资源的法律 目的在于确保资源的有效利用 抑制废弃物的产生及保护环境 从再生循环的角度规定了一些重要的行业 产品和副产品如 1 指定一些行业要求这些行业促进再生资源的利用 做出利用再生资源的计划 提高再生资源的利用率 配备必要的设备 提高技术 包括造纸业 利用旧纸张为原料 玻璃容器制造业 利用碎玻璃为原料 建筑业 利用土沙 混凝土 沥青混凝土块作为原料 北京大学环境学院 2 指定产品易再生产品的制造 要求在产品的设计阶段要进行事前论证并作好记录 要求在材质及结构 分类 信息提供 提高技术等方面下工夫 另外对修理业要求在部件交换 使用后部件分类等方面下工夫 被指定产品包括 汽车 大型家电产品 空调机 电视机 录像机 电冰箱 洗衣机 和使用镉 镍电池的家用电器等 北京大学环境学院 3 指定副产品促进副产品的利用 要求厂家做出促进利用再生资源的计划 务必按规格 型号要求进行加工 生产 配备必要的设备 提高技术等 还要对计划的实施状况进行记录 被指定的物品有 废钢铁 煤渣 土砂 混凝土 沥青混凝土块及木材等 北京大学环境学院 8 3材料的再生循环设计 材料的可循环再生设计是在设计阶段就充分考虑材料的循环再生性 不仅比后期处理难度小 而且效益高 8 3 1考虑再生循环的材料设计如何建立和发展社会性再生循环体系 极力减少资源采掘量并持续不断地提供高质量的材料 迄今为止 材料研究者一直在致力于研究和开发更强 更韧 能在更严酷的环境下使用的具有更高性能的材料 结果是各种各样化学组成的材料被开发出来 但在以往的材料开发过程中关于如何节约能源及如何作到易于循环的观念是很淡薄的 北京大学环境学院 8 3 2计算机辅助材料预测技术 将一些理论上不能解释的现象方便地数值化了 并成功的制造出高性能的机械 然而到目前为止 类似的情况在材料的设计中还十分罕见一些数值化后而又含义模糊的部分还期望将来基础理论发展后再给予替换或修正 北京大学环境学院 当用户预定具有某一性能的材料时 如果生产厂家的材料技术者能在考虑再生循环和节约稀有金属的基础上选择化学组成 设计制造工艺并进行生产的话 那将是十分了不起的 北京大学环境学院 8 3 3应用材料预测技术使材料环境材料化 再生循环对于像铝 铜 钛 镍等合金体系更为紧迫 也期望能发展类似的材料预测技术 材料的性能可通过化学成分的选择以及由控制加工 热处理等制造工艺而确定的微观组织来决定 复合材料的特点之一就是可以根据使用目的进行设计和制造 而金属材料即使化学成分相同 也能通过改变微观组织使它的性能发生很大的变化 因而可以说金属材料是可进行设计的材料 采用以基础理论为指导的材料预测技术来控制生产 使用 废弃 回收的循环 这是 金属材料环境材料化 的重要课题 北京大学环境学院 8 3 4复合材料与环境材料 塑料作为有机材料的代表 以其轻质和柔软性的特长而被广泛地使用 但是 大多数塑料的机械强度低 作为结构材料尚有一些问题 另一方面 玻璃纤维 碳纤维等无机材料机械强度优异 具有结构材料的良好基础性能 但脆性大 粘接性差是其缺点 因此 把这些材料复合成兼备两者长处的复合材料 作为一种环境材料而引人注目 有机材料和无机材料复合的典型代表是玻璃纤维强化塑料 FRP 它作为轻质和强度兼备的材料有多种用途 而要使这种复合材料成为有利于地球环境的环境材料 就必须作到容易再生循环才行 然而 当考虑这种复合材料的再生循环时 常常会遇到许多困难 例如 为了再生 首先需粉碎原料 然后再熔融成形 但在这种情况下 材料中所含的使机械强度增强的玻璃纤维也一并被粉碎了 再生循环作为产品时 机械强度就会变低 从而失去了复合材料的特长 北京大学环境学院 8 3 5塑料合金的研究 将二种以上的聚合物复合 作为具有新功能的材料即所谓塑料合金的研究 例如 将液晶聚合物 LCP 和工程塑料复合 做成轻质和机械强度兼备且容易再生循环的材料 这种材料作为取代上述有机 无机复合材料的新材料而被普遍关注 尼龙6工程塑料与维克托莱LCP通过共混使之复合化 经注塑成型可得到与玻璃纤维强化塑料 FRP 强度相当 且再生循环时机械强度几乎不降低的材料 液晶聚合物经加热后变成兼有固体和液体两者特征的液晶状态 它是一种流动性很强的热塑性材料 而且由于温度一下降即发生纤维化 因而是一种轻质 高强度的材料 在高温下融化形成均匀层 当成型后使温度下降时 液晶聚合物便分散在聚合物基体当中 由于形成原纤维 微小纤维 所以它可以发挥与玻璃纤维同样的增强效应 在此过程中 必须调节成形温度和混合状态 使原纤维的成长最优化 让LCP弥散分布在基体当中 用这个方法得到的复合材料必须设法提高基体和原纤维间的结合力 这是因为成形时施加的剪切力会使LCP原纤维断裂而失去机械强度的缘故 为了防止这种情况发生 增强两者的亲和力 添加环氧树脂等相溶剂是一个要点 这样得到的材料抗拉强度 弯曲弹性模量等会增加 与非强化的尼龙相比性能可以得到大幅度提高 这种材料粉碎时 即使原纤维被破坏了 再成形时原纤维又能形成 因此再生循环后性能变化不大 可大体保持原始的机械强度 北京大学环境学院 8 3 6热塑性弹性体 热塑性弹性体是兼备橡胶与热塑性塑料成形性的新材料 在粘接剂 机电产品 汽车制造等方面已被大量使用 这种材料具有橡胶的性质 同时还可以熔融成形 与必须加硫的橡胶相比更容易再生循环 热塑性弹性体是由软链段和硬链段组成 硬链段承受强度 软链段产生柔性 由它们组合可制造出多种热塑性弹性体 北京大学环境学院 北京大学环境学院 8 3 7金属合金的设计 超级通用合金 现在针对不同的用途开发了不同的材料 材料的种类一直在增加 这么多不同种类组成的材料混杂在一起 使废料的再生循环很困难 从提高金属材料的再生循环性这一观点来看 金属制品的全部部件由单一合金体系制造是最理想的 而且所含的合金元素的种类越少越单纯 其再生循环就越容易 超级通用合金即是合金种类最少 而且能满足多种用途要求的标准体系合金 为此 需要能够满足通用特性 比如按每类部件对耐热性 耐蚀性 高强度等具体性能要求的不同而进行分类 的合金系 具体的合金可通过在同一合金系中仅变化成分配比而制得 通用合金 另一方面 在再生循环时 难以使废料的品位一致 也难以避免由于杂质的混入而造成的化学成分变化 所以为了易于再生循环 希望成分变化对特性带来的影响较小 组成变化兼容性好的合金系 北京大学环境学院 1 通用合金 由有限的元素构成 通过改变其配比可在大范围内改变其性能的合金系 A Fe Ni Cr系钢 改变Fe Ni Cr的相对含量 可得到铁素体钢到不锈钢等一系列钢种 这些钢的组织及性能有很大的变化 B Ti合金 改变Ti Al V的相对含量 可使合金的组织与性能发生很大的变化 C Cr Mo钢 高温蠕变强度主要和铁基体中的置换元素Cr Mo的固溶量成正比 与碳的固溶度成反比 即置换元素固溶强化作用是影响Cr Mo钢断裂寿命的主要因素 因此 可以通过优化合金成分 在保证合金元素在基体中必需的固溶量的前提下 应尽可能减少合金的总加入量 这种合金成分设计方法既保证了耐热钢的持久蠕变强度 又节约了合金元素 减小了合金生产过程中的环境负荷 北京大学环境学院 例 Ti合金的基本组成与组织设计 Ti在88 2 的相变温度以上是 相 以下是 相 依合金元素的种类与添加量不同 可分类为 以及 合金 北京大学环境学院 北京大学环境学院 型合金耐热性和焊接性优异 型合金强度高 冷加工性能好 而 型居于二者中间 占Ti合金使用量大部分的Ti 6Al 4V合金是这种类型 此外 在Ti Al系中近来年出现的Ti3Al TiAl Al3Ti等金属间化合物 作为比强度高的耐热构件而特别引人注目 最近 关于Ti合金也有了基于热力学数据的相平衡计算 根据正则熔体模型的热力学计算 可以相当精确地计算多元素Ti合金中的相平衡 此外 利用亚晶格模型可以处理Ti3Al等化合物 也可以计算Ti Al Sn Zr系的 Ti3Al相平衡问题 这样 通过计算来预测结构的组织正在成为可能 关于再生循环时容易混入并对性能产生很大的影响的间隙型固溶元素O N C H的计算 一部分已经有了结果 从 型固溶时效Ti合金在3000C时的拉伸性能得到如下公式 u MP 2543 6 3627 6 V 1170 4 d dDE 1744 1 V e 4 186 V Tag 100V 相的体积百分数 d 晶粒直径 dDE 相的固溶强化度 e 相的电子浓度 Tag为时效温度K 日本的通产省工业技术院 在预测拉伸性能时 利用了上面的公式 成功地开发了能大幅度提高现有合金性能的Ti合金 北京大学环境学院 2 组成变化不太敏感的合金 作为合金的强化机制 历来常用的有马氏体相变及第二相的析出等相变现象 这些相变或析出现象受化学组成影响的程度比固容强化作用更大 当偏离某一合金成分时 相变或析出现象有可能完全不发生 与此相反 固溶强化与合金组成的关系是比较平缓而连续的 再生循环造成的杂质及合金元素量的变动对性质的影响较小 因此 固溶合金可以作为有前途的再生循环候选材料 北京大学环境学院 固溶体的结构及设计指导原则 以往在处理固溶合金问题时 认为原子排列的完全无序的 但随着近年来合金学的发展 发现在固溶体中也存在短程有序结构 这种无序的不完全性有可能对以往的固溶强化现象产生影响 溶质分子分布的起伏未被定量地测定 也还没有找到适当的方法 因此 关于固溶合金结构与特性的关系 过去的认识还不够充分 今后必须进行系统的研究 这是一个有可能发现材料科学新现象的领域 关于合金元素的种类与含量对固溶合金无序性的影响 冷却速度或热处理等制造及加工工艺的影响等 如能通过统计热力学理论及X射线漫散射等测试技术将这些问题搞清楚 那么就可能实现固溶合金的结构挖进 进而就可以通过分析这种无序性与物理 化学性能以及机械性能之间的关系得到开发合金的指导原则 北京大学环境学院 3 金属再生循环的逐次降级使用情况 在合金学中 通过添加合金元素的配比 晶粒度等微观组织的控制等 以谋求合金的高性能 然而 在再生循环时 组成一复杂 分选与分离就困难了 此外 存在不能分离的合金元素时 有可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来 在这种情况下 欲利用合金元素的作用实现组织结构的控制 这也是一个难题 也就是说 由于再生过程中混入的杂质使正确的控制难于进行了 因此 以废金属作原料的金属再生循环 实际上倒不如说仍是以 逐次降级使用 为主 既一级一级地向低级别产品再生的过程 反之 要恢复为原来的高品位产品 就需要耗费更高的能量 使这与 再生必须节能 减少二氧化碳 的宗旨相违背 北京大学环境学院 4 简单合金的可再生循环设计 简单合金 就是组元组成简单的合金 简单合金在成分设计上应有以下特点 合金组元 规格简单化 再生过程中容易分选 原则上不添加现在尚不能精练脱除的元素 尽量不使用环境协调性不好的元素 与超级通用合金的用途不同 简单合金的主要用途是代替消费的金属结构材料 研制原则 在维持合金高性能的前提下 尽量减少合金组元数 获取合金高性能时 以控制显微组织作为加入合金元素的替代方法 这种设计合金的思路叫做省合金化设计或最小合金化法 不含对人体及生态环境有害的元素 不含枯竭性元素的低合金钢就是这样一种简单合金 通过选择适当的化学成分和热加工工艺 低合金钢可以获得大范围变化的显微组织和力学性能 而其简单的组元和类似的化学成分又能够保证在再生循环过程中回收的废钢具有大致相同的成分 因而易于再生循环利用 北京大学环境学院 但是只赋予材料以再生循环性不能支撑现代化发达技术的材料 必须充分满足高强度 高可靠性 舒适性等方面的要求 因此 对现代材料进行环境协调性设计项目 需要进行多方面的考虑 一般包括 1 强度 也包括疲劳强度等 韧性 高比强度 先进性 2 简单组成 易解体结构 合金协调性 3 功能兼容 多功能性 舒适性 传统的复合材料通过将不同材料组合起来 利用组合材料各自的性能 这又违背了简单组成和易解体结构的要求 所以 环境材料学中提出了 可再生循环复合 这一概念 即合金是简单组元的情况下也有可能通过工艺控制来自由地制造它的组成和结构 北京大学环境学院 8 4金属材料再生循环的现状 金属材料可循环再生设计是通过加入最少的元素 循环容许元素 或通过固溶强化 微细化强化 相变组织强化等保障材料性能 使材料可以循环再生 在合金学中 通过添加合金元素的配比 晶粒度等微观组织的控制等 以谋求合金的高性能 然而 在再生循环时 组成一旦复杂 则分选与分离就困难了 此外 当存在不能分离再生的合金元素时 就有可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来 在这种情况下 欲利用合金元素的作用实现组织结构的控制 也是一个难题 这就是说 由于再生过程中混入的杂质使正确的控制难于进行 因此 以城镇废金属作原料的金属再生循环 实际上仍是以 逐次降级使用 为主 即像 瀑布逐渐下降水位 那样一级一级地向低级别产品再生的过程 反之 要恢复为原来的高品位产品 就需要耗费更多的能量 但这与 再生必须节能 减少二氧化碳 的宗旨相违背 在金属材料的再生循环过程中 去除合金元素和杂质是相当困难的 同时这方面技术又是非常重要的 应大力发展材料再生循环过程中的杂质分离技术和杂质无害化技术 北京大学环境学院 8 4 1钢铁资源的循环 钢在世界上全部金属实际消费中起着特殊的作用 在半成品制造中 它约占世界金属消费量的80 钢铁工业不仅在发达国家扮演着重要角色 而且也是许多发展中国家工业化进展中的重要产业 问题是 由于钢铁生产中增加废钢铁的使用 对铁矿主要生产国和出口国已造成和可能造成多大影响 在过去20年的发展中 炼钢技术的革新增加了选择原料投入 包括生铁 海绵铁 也称直接还原铁 和废钢铁 的灵活性 它鼓励使用废钢铁作为钢铁生产的原料 北京大学环境学院 钢铁完全可以主要依赖于废钢铁或铁矿 这取决于给定地区或国家的需要 当质量问题不成为首要原因并且价格很合理时 产品生产可以全部或大部分依赖于废钢铁 这一市场框架适用于使用电弧炉的所谓小钢厂 其产品价格亦具有竞争性 与此相反 质量要求越重要 越需要使用铁矿作为钢铁生产的主要原料 从环境角度看 废钢铁能够降低炼钢过程中废物排放 节约原材料和能源消耗 并减少废弃物处置 因而其竞争力会得到很大提高 就节能而言 使用电弧炉每熔化100 的废钢铁 与使用纯氧顶吹转炉熔化生铁相比较 可节约65 的能源 当传统纯氧顶吹转炉投入20 的废钢铁时 与投入100 的生铁相比 可节约能源25 就原材料而言 每再循环一吨扁钢产品就意味着节约1 5吨矿和0 5吨焦碳 就污染排放而言 废钢铁再循环可使大气污染排放降低30 使水污染排放降低大约60 70 而以扁钢产品的再循环为例 每再循环1kg钢 可减少固体废弃物产生量1 28kg 北京大学环境学院 废钢铁处理与杂质问题 在废铁的回收过程中分选 分离工程是十分重要的 其一是化学成分的多样化 能按化学组成分选分离最理想 但实际上有相当的局限性 作为合金成分添加的金属元素有Si Mn Cr Mo Ni Cu V Ti Zr等 其组成花样繁多 此外 还有Zn Sn等的镀层 其二是由钢铁精炼工艺本身所具有的性质决定的 在钢铁精炼过程中 根据各种元素形成氧化物条件的不同 以氧化物的形式除去 因此 比铁易于形成氧化物的元素几乎都可以从钢水中除去 而比铁难于氧化的元素则几乎全部残存于钢水中 因而 钢水中的元素可以分为以下四种类型 1 几乎全部残存于钢水中的元素 Cu Ni Sn Mo Co W As Sb 2 不能完全除去的元素 Cr Mn P S 3 与沸点 蒸汽压等无关的元素 Zn Cd Pb Sb 4 从钢水中几乎可以全部除去的元素 Si Al V Zr B等 北京大学环境学院 合金钢经几次废钢铁再生 并且在分选过程中未被分离出而发生废料混合的情况下 Cu Ni Sn Mo等元素的浓度就会不断提高 这些元素本来是为了提高性能而起合金作用的 但是 它们对热加工性能有不良影响 因而必须控制其含量 为了将废钢铁置于庞大的钢铁材料流向中予以妥善处理 必须采取如下综合性的解决对策 1 含有不能除去元素的废钢铁精炼制钢工艺开发 2 杂质无害化技术的开发 3 确立通过材料设计可以实现再生循环的材料体系 北京大学环境学院 8 4 2铝的再生循环 铝通过电解氧化铝 原料 和沸石 添加物 的熔融盐来制取 因为电解铝过程需要消耗大量的电力 故被戏称为 电灌头 虽然铝在生产过程中需要大量的能量 但是 一旦与氧脱离开 则金属铝的再生只需要适当加热熔化 只需生产过程1 20的能量 即可实现 所以可称铝是再生循环的 优等生 从产品用途来看 再生铝在门窗 饮料罐 印刷版 电线等形变铝合金中的配比为9 而在汽车用铸件 家电产品压铸件等铸造 压铸件中的配比平均为85 作为常识 形变铝合金一般不能再还原为形变铝合金 这就是大致的现状 以废铝型材为原料这一点来看 还不如将废铝的再生称为二次合金化更能反映其实际状况 这是根据成分预测配比熔炼所需的废铝数量以制造与原料成分不同的合金的工艺过程 与电解精炼不同 它是使用熔渣或通过脱气法将可能除去的合金成分除掉 将异物及熔渣过滤 排除 而得到高纯度的铝 因此该工艺不能或难以除去残存的杂质元素 其中 特别是铁的混入是影响铝材质量的一大问题 北京大学环境学院 北京大学环境学院 8 4 3铜再生循环的现状 铜产量的40 用于制造电线 电线采用烧线处理法 解体处理法 粉碎处理法对涂层材料和铜导体进行分离分选 铜经压块或破碎后被再生利用 用于电线制造的废铜比率约为10 这是因为电线需具备高电导率及热处理后具有稳定的特性 必须使用高纯废铜才行 因此大部分回收电线被用作黄铜合金的原料或冶炼铜锭的原料 正确掌握废电线的再生率是困难的 电力 通信行业的废电线比较集中 再生率比较高 而家电 汽车等使用的铜的回收率则是一个较难的课题 北京大学环境学院 8 5塑料的再生技术 如果将分选技术 清洗方法等处理技术除外 大致可以分为两类 一类是回收使用过的塑料再作为原材料应用 另一类是分解成塑料的初始原料即单体 重新合成新的塑料 即材料再生循环与化学再生循环 北京大学环境学院 8 5 1塑料再生循环的基本思想 基本思想方法是将石油等为原料所合成的塑料在其功能丧失之前 多次进行使用 在实际的再生循环过程中 由于杂质的混入 加工过程的变质等原因 不可避免地带来某些特性的劣化 因此由石油原料合成的新塑料首先要用于要求特别严格的制品 而将回收原料作为第二次用途的原料时 一般用于性能要求较不严格的制品 依次类推 例如 聚乙烯第一次用于电线等电器制品或充气薄膜 第二次用于保护管材和型材 第三次用于模板或内装饰材料 而目前实际使用的都是新塑料 这就造成了不必要的环境代价 就热塑性塑料而言 现状是在工厂里产生的次品或制造工艺中产生的碎块 在各企业内部都考虑到加工中的劣化等因素 因而一般都是将材料掺和后再化为原料使用 相当于作为其它制品的原料被再利用 至于进入市场后的制品 回收之后作为原料的一部分掺合进去 已有被再利用的实际事例 但为数尚很少 实际制品用单一成分比较少 多数制品为求商品化 外观表面要求涂层 为了获得高性能 又要制成迭层材料 又涂层又涂层的组合情况则更为普遍 作为再生材料利用时 由于涂料和粘合剂起异物 杂质 的作用 所以性能比新合成材料的要低 这就是往往限制用于同一用途的原因 北京大学环境学院 8 5 2材料再生循环实例 汽车的保险杠及内装修 材料再生循环的例子是汽车的保险杠 同一品种可以大量回收 而且以保险杠材料再使用为回报 涂料膜及底漆的清除 粉碎细化 分解等各种无害化技术 以汽车制造公司为主正在积极地研究与开发 并期待实用化 日本汽车公司采用有机溶剂分解和剥离漆层的方法 丰田汽车公司采用160 的水热法处理水解涂层膜的无害化方法 富士重工业研究将涂层膜的除去和粉碎同时进行的方法 这些技术都已经接近实用化 北京大学环境学院 对于内装修材料 不同的使用场所要求各种不同的特性 为此要相应地使用各种树脂 这样 在回收的塑料当中便混杂着这样的树脂 很多情况下相溶性都不好 从而使再生材料的特性显著下降 为此 在设计阶段 预先就要考虑到再生循环性 并要限定使用的原料必须研究开发能同时满足许多特性要求的材料及加工方法 即这种材料应尽量以通用树脂为中心的同一系统 有相容性 的树脂 如果通过改变树脂的混合比 开发出综合满足各种各样特性的 通用型聚合物合金 塑料合金 及相容剂 那么在再生循环时即使相互混合 再生后材料的性能也变化不大 从而扩大再生材料的使用范围 北京大学环境学院 8 5 3化学再生循环 化学再生循环 将回收材料作为资源 作为石油及单体的原始材料加以利用 研究的目标是将回收材料通过水解或解聚等化学反应 分解成原始材料的单体及低聚物或者它们的母体 然后回收并重新合成原始的初级塑料 或者还原为石油状态以便再生利用 例如 在材料再生循环中 对于已多次利用了的塑料 因其功能下降而不能再进行或者很难进行材料再生循环的产品 则适用于采用化学再生循环处理 在实际再生循环过程中 由于杂质混入及加工过程的影响 塑料的某些性能不可避免地要发生退化 因此 经材料再生循环法制成的再生塑料 存在一个降低使用的问题 例如 由石油原料合成的聚乙烯可用来制造电线绝缘材料 用回收废聚乙烯作原料时 可以制造电线保护套管及型材 再次回收利用时可用来制造室内装修材料等 北京大学环境学院 化学再生循环由于还原成了原始材料 它不仅是完全的再生循环系统 而且即使在回收品中混杂了多种类别的其它塑料时 也是可以进行再生循环的系统 因此人们对于化学再生循环寄予了很大的期望 在化学再生循环中 分馏回收技术是一个具体的例子 如日本电线综合技术中心在研究将交联聚乙烯电线及橡胶绝缘电线的塑料和橡胶成分加热分解 分馏而回收 另外 德国塑料包装材料费弃物再生利用协会也提出了报告 据报道他们将家庭排出的各种塑料包装材料的混合物放在煤的分馏装置中热分解 最终作为石油回收处置 并得到制造塑料的原料 北京的废旧餐盒处理方法之一就是从中回收柴油 煤油成分 北京大学环境学院 8 5 4环境材料与再生技术 若在塑料的原料当中预先混入特定的催化剂 这种催化剂在产品使用时并不起什么作用 但在回收后进行化学再生循环如加热等处理时产生作用 能有效地回收有用的物质 单体 气体 油 这类加入了用于再生循环的催化剂的材料也属于环境材料之列 人们已经开始这方面的研究 与材料再生循环相比 化学再生循环的再生成本相对之高 相差数十倍以上 另一方面 在 环境材料 的概念中 不仅再生技术是重要的 而且开发对地区环境负荷小 对人类有益的新型材料的观点也是很重要的 以此观点看 从用化学再生循环方法再生的材料 使之转变为材料再生循环方法 以获得可再生材料的技术开发也就显得十分重要 当将塑料进行化学再生循环和热再生循环时 要防止可能对生物及地球环境产生不利影响的副产品 如SO2 NO2等 排入大气 水等造成环境污染 或者将其变换为无害物质或有用物质 北京大学环境学院 8 6建筑材料的再生循环 建筑材料更着重对人的生存 生活环境的影响 因为人在每天24h最密切接触的环境是居住和生活环境 日本名古屋大学和静冈大学的研究组分别以木材 混凝土 镀铸铁板筑巢 并置入木片 塑料屑 在巢中饲养小鼠 观察一年三代的仔鼠的妊娠 产仔 哺育和成长过程 评价各种材料的居住适宜性 认为越是接近自然的材料越适宜居住 建筑材料设计应当考虑材料自身的力学性能 功能和生态环境适应性 同时考虑建筑设计中材料的选择和组合要求 生态建筑设计与传统建筑设计的区别之一是对材料的选择 即考虑材料的整个生命周期环境负荷最低 而不仅仅是使用阶段 实际设计中往往会对材料的力学性能提出较高要求 而功能要求和材料的环境负荷之间 耐久性要求和循环再生要求之间也难协调情况 另外 选择传统的生态材料并予以现代化设计也是环境协调性设计可行的途径 例如北方的土窑建筑 以石材为主的建筑 南方以竹 木为主的建筑 云南的石片瓦 材料取自自然 最后返回自然 农村的土墙体砖和暖炕材料是天然的保健生态材料 具有红外辐射效率高 恒温 保暖效果 这些材料环境负荷小 可以取自当地 但需要科学设计以提高生活质量 对建筑各部位材料可循环再生性要求如下表所示 北京大学环境学院 建筑材料可循环再生设计包括如下几点 1 减少使用材料 以最少的材料达到对性能和功能的要求 2 材料再使用 要求可拆卸 可修复使用 3 循环使用 可拆卸 可降级使用 对于大宗建筑材料混凝土应采取较高强度的长耐久性设计 既可以提高资源 效率又可以减少 生产过程和退役 排放 并且退役后可以作为再生集料循环利用 北京大学环境学院 8 6 1建筑材料与环境的关系 长期以来 建筑材料主要是依据建筑物及其具体部位对材料提出的力学性能与功能方面的要求进行开发的 结构材料主要追求高强度 高耐腐蚀性等 而外部装饰材料则追求其高功能性和设计图案的美观性等 作为建筑材料不仅要求高强度和高功能性 而且由于如何与地球环境相协调的问题已经成为人类面临的最大问题 所以还必须考虑基于再生循环的环境协调性 北京大学环境学院 1 建筑材料对环境的影响 建筑材料不仅有钢铁 混凝土 木材等构成的结构框架和主体的结构材料 而且包括具有美观 防水 主体保护功能的高分子涂料及瓷砖等装饰材料 还包括外装修及隔墙间壁等形成居住空间的金属板 纤维水泥板等非结构材料 也就是说大量使用的建筑材料中有金属 有机 无机和复合材料等多种材料 建筑材料是应用最广 用量最多的材料 因此它的耗能与所造成的环境污染也是最严重的 概括起来 在建筑材料生产和使用过程中 污染一般来自六个方面 空气 水 固体废弃物 放射性 噪声和热等的污染 北京大学环境学院 1 废气 粉尘对大气的污染建筑材料生产过程中大多伴有烧制过程 在烧制过程中燃料燃烧产生的粉尘 飞灰 烟雾等气溶胶 直接对人体呼吸道 眼睛等器官造成损害 以及对环境的破坏等 水泥粉尘是建筑业的又一大污染源 水泥粉尘占水泥产量的30 左右 我国年排放量为1500 1800t 而发达国家的排放量控制在0 01 以下 水泥粉尘回收后可直接作为水泥的原材料或是作为胶凝材料 2 废液造成的水体污染在建材的选矿 冶炼 轧钢过程中会产生很多污水 其中含有大量的无机悬浮材料 如砂 炉渣 铁屑等 在冶金 涂料等行业会产生有毒污染物汞 镉 铅 砷等废液 在金属加工 制造业中可产生酸 碱污染物 在建筑工地上由于搅拌水泥而产生的污水中也都含有偏碱性的溶液 北京大学环境学院 3 固体废弃物工业窑炉产生的炉渣 采矿和冶炼过程中产生的冶金渣 尾矿与碎石 建筑过程中产生的砂 碎石 金属 塑料 木材等行业加工产生的金属屑 木屑 碎塑料 碎玻璃等 拆卸老旧建筑物的碎砖 碎瓦等大大增加了固态废弃物排放量 据1997年的统计资料 由建筑产生的废弃材料约为10 6t 其中尾矿 煤矸石 粉煤灰 矿渣分别占30 18 18 12 1998年固体废物利用率仅为45 2 约3 直接排放到环境中 约40 被贮存 占地面积近5亿m2 其中绿地面积 农田高达4000万m2 4 原材料的开采占用大量的土地建筑材料制品所需的主要原料 无论是金属原料或是非金属矿原料 对这些原料的开来及选矿过程都会占用大量土地 据统计表明 每生产1亿块砖 就要用1 3 104m2土地 另外 在开山取石 或是挖土制砖等过程中 可能影响到动植物的生存 也破坏了自然景观等 北京大学环境学院 5 噪声污染在建筑施工中 不同的机械会发出强烈的噪声 它是城市噪声的主要来源之一 相当多的施工现场其噪声都在90 100dB 远离于国家规定的白天要小于70dB 夜间小于55dB的噪声控制标准 而噪声对人的听觉 神经系统 心血管 肠胃功能等都会造成破坏作用 6 其他污染家庭装修中所使用的各种装饰材料会释放如甲醛 苯系物 酮等有机物 可直接剌激人的眼睛 皮肤 或引发气管炎等 所使用的尾矿 天然石板材 如花岗岩石 大理岩石 瓷砖及沥青中 有时会含有过量的放射性元素如氡等 氡是一种气体元素 如果被人吸收 有可能会引起肺癌等 这是建材对人体的直接危害作用 生产各种瓷砖的工业窑炉排气过程中产生热水 高温气 保温材料中大量使用的石棉 是一种纤维状的矿物 在开采和使用过程中被人体吸入后 可导致矽肺病 城市高楼所用的玻璃幕墙也会产生光污染 高层建筑群不利于汽车尾气及光化学烟雾的排放 也不利于由空调产生的热量的排放 从而形成的热岛现象等 北京大学环境学院 2 地球环境对建筑材料的影响 环境污染通常也会对建材及建筑物有所损害 其中 大气中CO2浓度的增大会造成气温上升 加速混凝土的碳化过程 从而影响混凝土构件的耐久性 缩短建筑物的使用寿命 此外 臭氧层的破坏会使波长短的紫外线辐照量增大 从而加速高级装饰涂料等有机建筑材料的老化 降低抗风化的能力 而酸雨的增加将加速栏杆 扶手等外露金属的腐蚀 环境变化对建材及建筑物的主要影响如下 1 大气污染与酸雨的影响大气中的SO3 S02 N0X H2S CO2等溶入雨水中 使雨水pH值小于5 6 我国西南地区及长江下游地区酸雨的pH值已降到4 0以下 严重影响生物的生存 使土壤严重酸化 同时 酸雨对建筑物 材料 雕塑 古文物 金属等的腐蚀作用明显 酸雨使材料表面的涂层失去光泽或变质而脱落 使光洁的大理石建筑逐渐变成松软的石膏 大理石主要成分是CaC03 侵蚀反应机理为CaCO3 SO42 2H H2O CaS04 2H2O CO2CaCO3 2N03 1 2H Ca NO3 2 H2O CO2另外 在建筑物中 酸雨对金属腐蚀主要是电化学腐蚀 北京大学环境学院 北京大学环境学院 2 建筑物表面析白现象建筑物表面析白现象 俗称泛碱或起霜 是建筑物的混凝土 砂浆 砖砌体等表面常发生的现象 据统计 建筑物析白现象出现的概率可高达36 形成原因是水泥 砂 石子 砖和化学外加剂中可溶性成分被水榕析出 随着水分蒸发逸出 留下物呈白色固体 或留下物与空气中CO2作用生成白色固体 其主要成分为Ca OH 2 CaCO3 Na2SO4 Na2CO3 K2CO3 大都是碱性物质 本质原因还是与原材料质量和施工质量有关 但与外部环境阴湿 不通风 气温偏高 水源不洁也有重要关系 3 建筑用高分子材料老化导致高分子材料老化的因素主要是光 热 机械力 氧气 水 霉菌及化学物质 这些因素往往是综合作用于高聚物 通过物理化学过程使其老化 主要老化反应可归纳为键的裂解反应和键的交联反应 裂解反应是大分子键断裂 相对分子质量降低 使高分子化学物变软 发粘并丧失机械强度 交联反应是大分子与大分子相连结 产生体型结构 使高分子化合物进一步变硬 变脆 而丧失弹性 两种反应往往同时并存 北京大学环境学院 4 金属材料的化学腐蚀和电化学腐蚀许多建筑物的栏杆 扶手 支架 甚至卫星天线等 都是金属构筑物 由于酸雨的作用 使这些金属构筑物的使用寿命大大缩短 甚至造成严重事故 5 其他影响江水 海水 污水对江河堤坝的冲刷侵蚀 地下水对地下建筑的渗析破坏 还有自然灾害的破坏 地震 水涝 龙卷风及台风等的自然力的破坏 总之 随着地球环境问题的日趋严重 使损害建筑材料的 外力 随时间推移而渐趋增大 从而加速建筑材料的破坏 北京大学环境学院 8 6 2关于建筑材料及其构件的长寿命与再生循环相互兼容的问题 假如希望建筑物的使用期限为30 100年 那么 结构材料的要求特别严格 要求在设计使用期限之内必须具有尽可能长的寿命 对建筑材料及其构件进行不易劣化的耐久性设计 则可确保建筑物的长寿命 并可减少产生废弃物的批量 其结果是减轻地球环境负荷的效果 但是 大多数建筑材料及其构件一旦被废弃时 几乎都变成了很难处理的残留物 拆卸和再生循环都很困难 因此 在进行建筑材料及其构件的材料设计时必须有新的设计思想 比如说设想一种像纺织品那样的 当拔出一根线就哗啦一下子破坏的结构形成 使之在使用期限满了之后能够迅速解体 也能进行再生循环 这就是预先考虑了再生循环的建筑材料及其构件的材料设计 改善混凝土的质量 利用表面涂料的钢筋混凝土构件长寿命化的问题 已成为新的耐久性设计的方法 与此同时 以代替易腐蚀的普碳钢钢筋或预应力钢筋为目的 采用以碳素材料 芳香族聚酰胺 玻璃等连续纤维强化的新型塑料材料 CFRP AFRP GFRP 作为混凝土中轻质 高强 耐蚀的新型增强材料 最近 将这种新型增强材料与高强度混凝土组合 以谋求混凝土构件的轻质 高强与长寿命的研究开发相当活跃 但是这些复合结构材料及其构件在达到使用年限之后解体废弃时 其解体有相当的难度 成为难以再生循环的难处理残留物 废弃物 从而增加地球的环境负荷 因此 必须确立新型增强混凝土构件长寿命与再生循环相互兼容的总体寿命设计及其相关技术 北京大学环境学院 8 6 3兼顾再生循环的建筑材料及其构件的材料设计方法 1 混合结构形式通常钢筋混凝土建筑物采取柱 梁和墙壁在现场整体混凝土灌注方式 对于确实需要耐久性的场合 这种方式具有寿命长 非常坚固的优点 但如解体 特别是在今后高强度混凝土的使用逐渐增加的情况下 就不容易破碎 因此 高强度 高耐久性的现场整体钢筋混凝土建筑物从解体和再生循环这一点来看多少存在一些困难 为此 不完全采用现场整体灌注方式 一半利用工厂生产的预制构件 只将结合部在现场施工 如柱体是钢筋混凝土构件 梁体是新型增强混凝土构件 结合部由钢制接头做成混合结构形成 这样解体时就比较容易 从建筑材料的再生循环这一观点来讲 混合结构形式是今后应开发的建筑技术 北京大学环境学院 2 高功能性和再生循环性结合的增强材料及其应用 与地球环境相协调 并具有良好再生循环性的混凝土构件是既具有长的使用寿命 又能在解体后容易再生循环的构件 这是个很重要的开发思路 现在开发的大部分的树脂固化新增强纤维 是环氧树脂或乙烯脂树脂等热固性树脂 这类树脂一旦固化就很难分解 要求再生循环性也要兼顾耐火性 因而利用热塑性树脂 光降解树脂或生物降解树脂以确保再生循环性是重要的 另外 既追求混凝土的高强度化 又要求更轻质化 即适当使用人工轻质骨料 并转换成轻质 高强度混凝土构件 也是很重要的 为了使混凝土再生循环 首先必须将混凝土构件破碎成小块 为此 加入适当的反应性物质 例如生石灰 或者混入具有物理敏感性的物质 以便于外部刺激等形式 促进解体混凝土快速膨胀破坏 以备于随后的再生循环 这样的技术开发也是必要的 北京大学环境学院 8 7干电池的