环境材料学

概念,用环境负荷小的材料替代环境负荷大的材料以减少对生态环境的影响，或将环境负荷虽小，但对人体健康不利材料替换为对人体健康有利的材料，是21世纪新型生态环境材料应用开发的一个重要内容，也是提高人们生活质量的关健。,如替代氟利昂的新型环保型制冷剂材料，工业和民用的无磷洗涤剂化学品材料，工业石棉替代材料及其他工业有害物(如水银)的替代材料，与资源相关的铝门窗的替代材料，用竹、木等天然材料替代那些环境负荷 较大的结构材料也属于环境替代材料的一类,2. 替代品的性质要求（以氟利昂替 代品为例）环保要求：替代品分子中不能含 有氯原子，对臭氧分解潜能值(ODP) 和全球变暖潜能值(即温室效应系数) 为零或近似于零。热力学要求：替代品应与原制冷剂、发泡剂有近似的沸点、热力学特性及传热特性。,理化性质要求：无毒、无味、无可燃 性和爆炸性。可行性要求：具有可供应性(工艺成熟、 价格适宜、能被市场接受),易采用性(无 需对原有装置进行大改动即可达到要求)。,三大环境替代材料,氟利昂,氟利昂之父米奇利,当其他实验室的科学家对新冷媒一筹莫展的时候，托马斯米奇利在接到任务的同一年，就发现了二氟二氯甲烷这种“最适宜”的气体化合物。 除了高效的制冷，米奇利为了证明它无毒，再次现身说法，他在新闻发布会上大口吸入这种气体，以展示它的安全性，然后又将这种气体吹向一支蜡烛，以显示这种气体是不燃烧的。,商业上用F-xyz(或R-xyz)表示氟利昂， 其中x代表分子中碳原子数减1，当x为 0时可省略；y代表氢原子数加1；z表示 分子中的氟原子数。如果还含有溴原子，则需在数字后面加上字母 B及溴原子数。工业上重要的氟利昂是甲烷和乙烷的卤代物(见表)，其中最重要的是二氟二氯甲烷（R-12）、一氟三氯甲烷(R-11)和二氟一氯甲烷(R-22),分类,氟利昂制冷剂大致分为3类一是氯氟烃类产品，简称CFC。主要包括R11、R12、R113、R114、R115、R500、R502等，由于对臭氧层的破坏作用最大，被蒙特利尔议定书列为一类受控物质。,二是氢氯氟烃类产品，简称HCFC。主要包括R22、R123、R141b、R142b等，臭氧层破坏系数仅仅是R11的百分之几，因此，目前HCFC类物质被视为CFC类物质的最重要的过渡性替代物质。在蒙特利尔议定书中R22被限定2020年淘汰，R123被限定2030年。,三是氢氟烃类：简称HFC。主要包括R134A、R125、R32、R407C、R410A、R152等，臭氧层破坏系数为0，但是气候变暖潜能值很高。在蒙特利尔议定书没有规定其使用期限，在联合国气候变化框架公约京都议定书中定性为温室气体。,我们目前所使用的所有制冷剂全部都是氟利昂制品，非氟利昂制冷剂到目前为止还没有研发出来。政府明令禁止的是第一类氯氟烃类产品，对于氢氯氟烃类产品和氢氟烃类制冷剂，还要有相当长的一段使用时间。,氟氯烃的化学性质非常稳定，在大气中的寿命极长。在早期氟氯烃的使用过程中，由于对它们的危害性缺乏认识或回收利用困难等原因，大部分的氟氯烃被排放到大气中，在平流层发生光化学降解反应。 CF2Cl2+ hvCl +CF2Cl Cl + O3ClO +O2 ClO + OCl + O2 减少臭氧层、形成臭氧空洞，增强紫外线对地球表面的照射。,据分析,平流层臭氧减少万分之一全球白内障的发病率将增加0.6-0.8%即意味着因此引起失明的人数将增加1万到1.5万人。,氟利昂替代品,目前，氟利昂(CFC)的替代品有两大类：一类是过渡性替代材料 ，另一类是永久性替代材料。过渡性替代材料主要有氟代烃类化合物(HCFC)、丙烷、异丁烷等；永久性替代材料目前开发出来的有环戊烷、HFC-134a等。,几种目前广泛应用的氟利昂替代品：,异丁烷 它是很早被使用的制冷剂，但由于其具有可燃性没有得到推广，后逐渐大规模用于冰箱制冷。由于其作为制冷剂具有原料易得、对臭氧层无破坏、高循环率和不用换压缩机润滑油等优点因而有良好的应用前景。,2.二氟乙烷与二氟一氯甲烷的混合剂 它们具有良好的制冷性能，在我国和美国的部分冰箱生产线采用此物质。它具有环保性能优越、节能等优点。此外，还有三氟二氯乙烷与三氯甲烷、五氯己烷、四氯己烷的混合剂，三氯甲烷、五氟乙烷的混合剂等。这些制冷剂中仍含有对大气臭氧层具有破坏性的氯，但由于有着比较理想的制冷效应，目前尚没有被淘汰，属于过渡性替代品。,3.四氟乙烷 (HFC-134a)一种无色、无毒、不燃烧的化学物质，臭氧耗损潜能值为0，在安全性上与CFC-12可以相媲美，已被公认为是CFC-12的最佳替代物，但仍存在温室效应。在工商制冷、汽车空调、中央空调、家用电冰箱、塑料发泡、医药、化妆品气雾剂和医用气雾抛射剂等行业在世界范围得到了广泛应用。,什么是石棉？,定义：石棉是指自然界中以纤维形式存在的、具有商业价值的链状硅酸盐。,石棉在日常生活中的应用,石棉纤维在纺织中织成纱、线、绳、布等，作为传动、保温、隔热、绝缘等部件的材料或衬料。在建筑上主要用来制成石棉板，石棉纸防火板以及保温、防热、绝缘、隔音等材料。石棉纤维可与水泥混合制成石棉水泥瓦、板、屋顶板、石棉管等石棉水泥制品。石棉和沥青掺合可制成石棉沥青制品，作为高级建筑物的防水、保温、绝缘、耐酸碱材料和交通工程材料。国防上石棉与酚醛、聚丙烯等塑料粘合，制成火箭抗烧蚀材料、飞机机翼、油箱以及鱼雷高速发射器，船舶、汽车以及飞机、坦克、舰舶中的隔音、隔热材料。石棉还可作防化学、防原子辐射的衬板、隔板或者过滤器及耐酸盘根、橡胶板等。,石棉本身无毒害，最大的危害来源于它的纤维，这些细小的纤维容易被吸入人体，附着在肺部造成肺部疾病。石棉的危害属于软性，病症分为四类：石棉肺、肺癌、间皮瘤、消化系统癌症。目前为止，石棉引起的疾病尚未找到可治的药物，唯一的方法就是预防。,危害严重：,法国第一高楼巴黎的Montparnasse大厦石棉含量太高，在大厦内上班的职员或参观者有患上癌症的危险。,爱美之心人皆有之，专家提醒：化妆品中所含的香精、颜料大多是以煤焦油为原料的人工合成品，有些即有致癌作用，如口红中的碱性蕊香红、胭脂中的曙红、焰红都有较强的致癌性保宁制药和Babyra等著名婴幼儿用品制造企业所生产的婴幼儿爽身粉中，被发现含有1级致癌物质石棉。,膨胀石墨 它是由天然鳞片石墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质，它既保留了天然石墨的耐热性、耐腐蚀性 、耐辐射性、无毒害等性质，又具有天然石墨所没有的吸附性、环境协调性、生物相容性等特性，不造成二次污染，在石油化工、原子能、电力、农药、建材、机械等工业中广泛应用。,柔性石墨 它是用膨胀石墨轧制或压制成箔或板制造的密封填料，由于柔性石墨的气固两相结构使其具有良好的密封性能。改善性能、降低成本，更多使用柔性石墨材料，不仅有利于合理利用资源，而且更重要的是根除了石棉等材料在制造、使用、废弃过程中给环境和人类带来的危害。,陶瓷纤维 陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性 好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，因而在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应用近几年由于全球能源价格的不断上涨、节能已成为中国国家战略的背景下，比隔热砖与浇筑料等传统耐材节能达10-30%的陶瓷纤维在中国国内得到了更多更广的应用，发展前景十分看好。,含磷洗涤剂,洗衣粉是现代合成洗涤剂的主要组成部分，自从现代洗涤剂问世以来 ，由于三聚磷酸钠(STPP)所具有的化学性质很符合理想助洗剂的特征 ，STPP就一直在洗涤剂用助洗剂市场上占据支配地位，其用量约占总助剂的95%。大量含磷洗衣粉流入不同水系中，造成水体的富营养化 。当某一湖泊中氮磷比超过7:1时，磷就成为湖泊富营养化的重要限制因子。,全球范围内地表水体中磷的富营养化问题，使人们对含磷洗涤剂的使用受到限制。能否通过改进洗涤剂的组成和结构来消除或降低环境富营养化是化学家关注与考虑的问题。一般认为，开发新的助洗剂必须具备四个条件：对人安全、不污染环境、要有可靠的去污效果、经济 实用。,目前开发的助洗剂主要有以下几类： 1.无机系助洗剂 4A沸石 它是一种具有网状结构的不溶高聚物固体，可与液体中的Ca2+和Mg2+ 进行离子交换反应，吸附纤维织物中含有的污垢和金属离子，使其分散脱离、凝聚，最后形成难溶的沉淀物以达到去污的目的。分子筛对Ca2+交换容量大于STPP的交换容量，而Mg2+的交换容量却不如 STPP。近年来研究发现，分子筛与阴离子或非离子表面活性剂混配 ，既可弥补镁离子交换的不足，又能提高钙离子的交换容量，增强 洗涤效果。 分子筛洗涤剂的制备要比STPP简单易行，耗能低，成本比STPP低 ，将会占