第八章 绿色材料与人类.doc

绿色材料与人类绿色材料又称为化学生态环境材料，是指在原料采集、产品制造、使用或再循环利用以及废物处理等环节中与化学生态环境相和谐或能共存并有利于人类身心健康的材料；它既要具备净化环境（对环境无化学污染）的功能，又要具备化学吸附功能和促进人类身心健康的功能。对绿色材料的研究、开发和利用，是21世纪伟大的化学工程之一；是保证人类通向安全和健康的必由之路；是21世纪人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。绿色材料主要包括绿色能源材料、绿色建筑材料、绿色循环材料和绿色净化材料。1 绿色能源材料绿色能源，是指洁净的能源（释放出能量或能量转化过程中对环境不造成化学污染）。1.1 风能喜怒无常的风（即空气流动），撒起野来不得了，轻则飞沙走石、推波逐浪，重则拔树倒房、倾船覆舟。其实，平时的风却给人类做着诸多好事：象耕云播雨、调节气温、传播花粉、扬帆行船、吹动风车（产生机械能、转化成电能）等等。风蕴藏着极大的能量，地球表面风的能量，估计为1.31012kW，其中人类可利用的风能约有21010kW。我国有可利用的风能约1.6108至2.53108kW，像浙江舟山地区是世界著名的风能库。1.2 太阳能太阳照射到地球上的光和热相当于多大的能量呢？据科学家估算，太阳放射出的能量其功率约3.81024kW，然而人类居住的地球只接受了其中的1（2109），尽管如此，却能使大气保持温暖，风生云涌、电闪雷鸣、江河奔流、万物生长。太阳像现在这样连续不断地发光和热，已经有50亿年的历史了。太阳能是一种取之不尽并且对环境无化学污染的能源，因此，针对目前“温室效应”日益严重的状况，尽可能地利用太阳能，不失为一种造福人类的绝妙方法。例如，太阳能发电，方兴未艾。据有关资料报道，在21世纪到来之际，一枚名副其实的太空“盗日者”巨型人造太阳能卫星，将由美国科学家研制成功，它会环绕地球轨道运行，收集太阳能，并且把能量发射到美国纽约州北部的接收天线场，供应整个纽约市所需的电力。有关专家对人造太阳能卫星评价很高，他们认为，按照目前人类进步和科技社会的发展态势，2025年左右，将有约100枚“盗日者”人造太阳能卫星，高悬在地球上空的轨道，届时，这些对环境无化学污染的电（绿色）能源，将会对人类做出前所未有的贡献。施正荣 H2SiF6应该指出，像水能（包括波浪能、潮汐能等）、地热能（包括火山能等）、生物质能等等，都是大自然赐给人类对环境无化学污染的绿色能源。这些绿色能源能量储量丰富，而科学地利用这些绿色能源，可长久地为人类生活、社会生产服务。1.3 热电材料（绿色能源材料的一种）合金热电材料是重要的热电（温差发电）材料之一，被广泛地应用在测量温度方面，这便是大家熟知的热电偶（温差电偶）不同金属组合而成的热电偶适合于不同的温差范围。热电材料还被广泛地用于加热、制冷和发电等，尤其是在发电方面的研究倍受人们的重视。虽然热电材料（温差）发电效率较低、成本较高，然而在某些场合，如高山作业、极地考察、宇宙探测等，在其他能源无法使用的情况下，热电材料（温差）发电长时间地提供大功率能源就显示出其独特的功能。它结构简单，无需转动部件，工作性能稳定可靠，寿命长，对环境无化学污染，真可谓是上好的绿色能源材料。海水源热泵地下暗河热泵可燃冰 2 绿色建筑材料绿色建筑材料，是指有利于环境保护的建筑材料。从其物理和化学性能角度讲，要满足强度和耐化学腐蚀的要求；从原料来源角度讲，要最大限度地减少对绿色土地资源的破坏；从耗能角度讲，要具有节约能源的功能；从环境保护角度讲，要具有净化（对环境无化学污染）功能，有利于人类身心健康。然而，目前，世界上的建筑材料（砖、瓦、石、砂等墙体材料和水泥等），其原料是来源于人类赖以生存的绿色土地；工业废渣、建筑垃圾等的堆放占用着大片土地，既造成土地的浪费又造成环境的恶化，这一恶性循环的结果，最终将使人类毁灭自己！考虑到人类自身的生存，研究、开发和利用绿色建筑材料迫在眉睫。例如，日本化学科学家自知其国土小、人口密集、且又是地震多发区，多年来，一直致力于高科技合成化学纤维建筑的研究。他们以高强度碳纤维、芳香族聚酰胺纤维和普通沥青纤维为原料，通过特定的化学方法研制成了超高强度的建筑材料（特种化学纤维制成），并用这种材料成功地建造了两幢高达42层的大厦。日本大成建设公司的化学科学家更是设计了面向21世纪的超高建筑，称之为“XSEED400”，其建筑高度达4103m，甚至超过了日本的富士山。可以想象，像这样高的建筑，如果离开有这种特种化学纤维制造的建筑材料，那么其稳固性是很难保证的。塑木材料脲醛树脂= 甲醛 + 尿素3 绿色循环材料绿色循环材料，是利用固体废物（城市生活垃圾）制造的、可再生循环制备和使用的材料，如再生纸、再生塑料、再生金属以及再循环利用混凝土等。绿色循环材料具备：可多次重复循环使用；废弃物（垃圾）可做再生资源；废弃物的处理消耗能量少；废弃物的处理对环境不产生化学污染等特点。化学科技工作者正在积极探索废弃物的处理、转化及综合利用的途径，改革旧工艺，探索无化学污染或低排放的“绿色”新工艺中发挥着重要作用。例如，面对当前垃圾资源与日俱增长的天然资源日渐枯竭的严峻现实，人类已开始自觉和不自觉地投入垃圾处理技术的研究。许多国家根据本国垃圾中有机成分含量高的特点，用垃圾生产高能燃料、复合肥料和进行发电等。垃圾资源开发处理系列化和垃圾资源综合利用多元化已成为当今国际社会范围内垃圾处理和综合回收利用的新趋势。在采用各种合理方法处理垃圾的同时，更有价值的是对垃圾进行回收，这种回收主要包括材料和能源的回收。其中材料回收主要是根据垃圾的物理性能，研究和发展机械化、自动化分选垃圾技术。像利用磁吸法回收废铁；利用振动弹跳法分选软、硬物质；利用旋风分离等方法分离密度不同的物质等。能源回收是根据日前可燃性垃圾的不断增加，不少国家把它作为能源资源，一般是通过3个途径来利用：作为辅助燃料代替低硫煤使用；在焚化炉内焚化，利用其燃烧时产生的热能生产水蒸气和发电；高温干馏（隔绝空气）产生气体和残渣，气体可做燃料，残渣冷却后形成的玻璃体（无氧条件下的该干馏产品，分子内能高），可做化学原料循环使用。这种方法比高温焚化垃圾产生可供利用的能源更多、回收的材料更多，也不污染空气，发展前景相当乐观。因此，目前在对垃圾进行科学合理使用焚烧法的同时，化学科技工作者正在积极研究无害化处理、长期受益的良性循环轨道的垃圾处理方法，它的研究已成为当今国际社会的热点问题。然而，考虑到我国的国情，有一种名为分选发酵法垃圾处理方法，其处理工艺比较符合我国实际。该方法是基于我国城市垃圾主要以厨房垃圾为主的特点，先将回收垃圾经重力分选。然后将吹出少量纸塑后剩下的主要部分经过滚筒筛分，筛下少量炉灰后，剩下大部分剩残动植物等有机肥料送入发酵池进行发酵，在微生物作用下，发生一系列复杂的化学反应（发酵过程），再经过化学法调控pH等一系列步骤和一定的时间，即可产生供人们用做照明、燃料等日常生活所需的沼气。待沼气释放完时，虑出池中发酵液直接用做农家肥；再将剩下的残渣经晒干、粉碎，制成颗粒状复合肥。这正是我国对城市垃圾作为生产沼气和复合肥等材料的宝贵原料的积极开发和充分利用。再如，以高纯度、高密度聚乙烯制成的化学防护衣，用于恶劣环境中可阻隔有毒害化学品对人身心的侵害。该产品可以完全回收再生，也可以焚烧处理，而对环境无化学污染，是绿色（循环）材料的一个典范。纳米级 TiO2（改性）淀粉絮凝剂4 绿色净化材料绿色净化材料，是指能分离、分解或吸收废气、废液而不给环境造成化学污染的材料。众所周知，随国际社会工业的发展和人口的猛增，水，这一人类赖以生存的基本物质，已面临严重危机。早在1972年，联合国在瑞典斯得哥尔摩召开国际环境会议，许多国家的代表在会上都提到城市用水严重污染和严重短缺的问题。会议纪要中也写到：“遍及世界的许多地区，由于工业膨胀和每人消费量的提高，需水量已增加到超过天然来源的境地”。有资料报道：西欧最大的河流全长1320km的莱茵河，由于沿岸各国化学污染物的排入，已成为“欧洲最大的下水道”，河水变成红褐色，鱼、虾类等淡水生物大量死亡；美国号称“百川之父”的密西西比河，其流域面积达美国大陆的1/4，也处于化学污染的危机之中；被俄罗斯人称作“母亲河”的伏尔加河，几乎接受了该国一半的污水。再看发展中国家，也不能乐观：南美洲拥有世界上第一长度和第一大水量的亚马逊河，化学污染相当严重；被印度人敬为“圣河”的恒河，曾因受到化学污染而导致几万人患黄疸病而致死不少人命；被我国称为“母亲河”的黄河，近年来严重缺水发生阶段性干枯而断流，造成沿河两岸的城市（像山东省的济南、济阳、滨州等）严重缺水。再有资料报道，地球表面的70.8被水覆盖，总水量达1.356109km3，然而被水覆盖的地球表面中97.2是浩瀚的海洋，而陆地水面只占2.8，其中淡水更少的可怜，只占0.64。通过上面的数据报道来看，人们遇到一个非常矛盾的问题：一方面，地球上的水并不少，但绝大多数是又苦、又咸、又涩的海水；另一方面，人类赖以生存的淡水源却越来越少。怎么办？科学社会的发展，已使人类有了改造大自然的能力，人们不能看着水而大喊没有水，向海水要淡水！这正是从根本上解决水危机的唯一出路。无锡太湖水污染，蓝藻，海洋，赤潮其实，海水淡化早就是人类重视的一项技术，如今已有多种海水淡化的方法，像多极闪蒸法、电渗析法、溶剂萃取法、冷冻法等，然而这些传统的海水淡化法耗能较大。反渗透海水淡化装置包括去除混浊物装置、物质的前处理设备、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器等。其中最核心的装置就是反渗透装置，而这个装置中最关键的部件就是反渗透膜（绿色净化材料之一）。反渗透膜是一种非对称膜，由厚度为0.1um0.3um的皮层（致密层）和提供强度的多孔支撑层（厚为100um300um）所构成，是由有机高分子材料制成的复合膜。在使用时，皮层应向高压一侧放置，否则就起不到盐水分离作用。简单地讲，反渗透膜的表面有这样的特性：它能有选择地在上面吸附一层水分子，而把盐远远地排斥开。反渗透膜上还有许多很细小的孔，在反渗透压强作用下，那层水分子就通过这些小孔流向淡水一边。盐水中的水分子会不断地补充到该膜表面上，并不断地通过小孔流向淡水一边，而盐则被据之于“门”外。上世纪80年代，人类成功地研制出这种绿色净化材料，它透水量大，除盐率高达99，且耗能低，是一种很理想的绿色净化材料。再如，自1996年5月以来，美国福特汽车公司与我国有关部门通力合作，