888第4章 材料的环境负荷

888888第第4 4章章 材料的环境负荷材料的环境负荷 第4章材料的环境负荷北京大学环境科学与工程学院北京大学环境科 学与工程学院 对不同类型的材料而言 其对环境的损伤或影响程度 是不相同的 为了定量描述这种损伤或影响的程度 需要引入一个物理量 这就是 材料的环境负荷 所谓环境负荷是指某一具体材料在其生产 使用 消费或再生过程 中耗用的自然资源数量和能源数量 以及其向环境体系排放的各种废 弃物 例如气态 固态和液态废弃物之总量 北京大学环境科学与工程学院4 1 任何材料在其生产中 例如金属材 料的采矿 冶炼 加工成型等过程中 均涉及能源的消耗 对于高分子材料和无机材料也是如此 没有能耗就不可能制备材料 而材料产业是能源的主要消耗者 其能耗约占工业总能耗的30 40 北京大学环境学院金属材料北京大学环境学院金属材料 材料的生产 过程涉及大量的资源消耗 这种资源包括两大类 一类是主原料 例如生产碳钢时的铁矿石 另一类是辅料 例如碳钢生产过程中的脱氧剂 脱硫剂 铁合金等 北京大学环境学院金属材料北京大学环境学院4 2 4 2 1大气污染 空气中的氮 氧 氩三者共占大气总浓度的99 9 以上 成为大气的 主要成分 此外大气中还有少量的二氧化碳 稀有气体等 北京大学环境学院洁净空气北京大学环境学院 可以分为自然源和人 工源两类 自然源主要有火山爆发 森林火灾 土壤风化等 一般造成二氧化 硫 一氧化碳及沙尘等污染 人工污染源主要是由工业 交通运输以及居民生活等几方面的活动 造成的 其中 飞机排放的大气污染物约占大气污染总量的1 2 而船舶仅占 0 05 左右 居民生活主要由炊饮 取暖 垃圾等活动过程造成大气污染 形成的 污染物有CO SO 2 N0X 碳氢化合物 烟尘等 北京大学环境学院大气污染物 气体污染物是指那些在常温常压下为 气态的有害物质以及某些有害固体或液体的蒸气 当前 各国普遍列入影响空气质量标准的污染物除颗粒物外 主要是 二氧化硫 一氧化碳 二氧化碳 碳氢化物 臭氧5种气体污染物 一般情况下大气污染物中的颗粒物与二氧化硫之和为40 二氧化氮 碳氢化物以及其它废气占30 一氧化碳占30 北京大学环境学院北京大学环境学院北京大学环境学院 1 A 二氧化硫 主要矿物燃料的燃烧和材料的生产过程 许多金属矿物 特别是有色金属矿 如CuS PbS NiS ZnS等都是含 硫的化合物 如欲将硫化物还原为纯金属 则硫最后必定转变成SO2 如在铜的冶炼过程中 由于Cu和SO2的原子量均为64 所以生产一单位 的Cu意味着生产一单位的SO2 由于SO2具有强烈的刺激性 当空气被二氧化硫污染时 容易被人发 现 即使大气中的SO2浓度低到1 10 6时 人的嗅觉也能感觉到 SO2在空气中的滞留时间大约一周 二氧化硫性质活泼 不仅易溶于水造成酸性腐蚀 还容易进一步发生 各种化学反应 北京大学环境学院B 一氧化氮和二氧化氮 统称为氮氧化物 NOx 其有害于人体健康 腐蚀建筑物和生产设备 并能导致发生酸雨和光 化学烟雾 而被列为大气中的重要污染物 在普通的燃烧中大部分为NO 燃烧中产生的NOx是通过以下两条途径形成的 第一 空气中的氮分子在高温状态下氧化成NOx 第二 燃料中各种氮的化合物经燃烧形成NOx 最近的研究表明 燃料中N的燃烧形成的NOx对大气的影响是主要的 一般情况下 NO在大气中的寿命约为几天 随后逐渐变成NO2 NO2的毒性比NO高4 5倍 NO2气体呈棕红色 有特殊刺激嗅味 1 10 6 v v 的浓度就能使人感觉到 北京大学环境学院C 一氧化碳是众所周知的毒气 将其列为大气污 染物是必然的 一氧化碳是含碳化合物不完全燃烧的产物 在任何燃烧过程中 无论是单质碳还是碳化合物 总是首先被氧化成C O 因其分子中三键强度很大 使大多数CO2的反应均需很高的活化能 所以CO2的生成速度较慢 只有在供氧充分时才能全部变成CO2 而实际上燃料燃烧中总有局部的供养不足现象 因而必有一部分反应 生成物是CO 又由于燃烧时总是温度很高 而高温能使CO2分解为CO和O2 即使急冷也不能使CO很快地再氧化以达到平衡的浓度 正是由于这些原因 在燃烧矿物燃料时总会生成一定浓度的CO 北京大学环境学院 CO的毒性特点是它无色 无味 无嗅 故使人不 易察觉其存在 当其被吸入人体后 它极易与血红蛋白结合 血红蛋白与CO的亲合力 比与O2的亲和力大200 300倍 使血红蛋白失去携氧能力 浓度高时可造成窒息死亡 浓度低时可造成慢性中毒 CO2无毒 对人体无害 将它列为环境污染物的原因在于它的温室气体效应 北京大学环境学院D 大气中的碳氢化合物泛指各种烃类及其衍生物 品种极多 一般以HC为代表符号 焦化厂 煤气厂 炼油厂等工厂以及交通运输工具是HC的主要 这些化合物多为石油的副产物 HC的重要性在于它和NOx在阳光作用下发生光化学反应 衍生出种种 污染物 由这些物质所造成的烟雾污染现象 称之为光化学烟雾 北京大学环境学院主要的光化学反应 1 汽车排放出NOx和HC NOx在阳光作用下推动HC发生反应 2 在日光作用下NOx光解 3 NOx经光化学作用生成 氧化剂 这些氧化剂包括O 3 O 过氧化物和激发态的O2 4 由HC氧化生成多种产物 其中有烟雾和刺激眼睛的物质 如醛类 酮类等 VOC和PAN的重要性北京大学环境学院 2 悬浮在大气中的微粒统称为悬浮颗粒物 简称为颗粒物 微粒可以是固体 也可以是液体 因其对生物的呼吸 环境的清洁 空气的能见度以及气候因素等造成 不良影响 所以是大气中危害最明显的一类污染物 北京大学环境学院悬浮颗粒物 大气中不同的颗粒物包括 烟 尘 雾等 不同颗粒的粒径各不相同 1 粉尘 是一种尺寸较大的固体颗粒 约1 100um 在材料的制造和处理过程中产生的各种粒子 如煤粉 石墨粉 水泥 尾矿灰尘等就是典型的粉尘 北京大学环境学院悬浮颗粒物 2 烟雾 在材料的升华 蒸馏 煅烧或化学反应过程中产生的蒸汽 经冷凝而形成的固体微粒 通常是指金属氧化物 尺寸非常小 一般在0 03 0 3um之间 在有色金属的冶炼过程中 如铅或锌蒸发而形成的氧化铅或氧化锌就 属于这种烟雾 3 烟 由碳氢化合物不完全燃烧而形成的固体微粒 尺寸在0 05 1 0um 煤烟属于典型的烟类 北京大学环境学院悬浮颗粒物 4 雾 由蒸气凝结成或化学反应形成的液体颗粒 其尺寸范围约为0 5 3 0um 硫酸雾就是一例典型 由于不同颗粒物径级的和形成机制不同 其化学组成也存在差异 通常粒径小于2 5um的颗粒物为 SO42 Pb As Se Zn Cu Ni Mn Sn Cd V Sb 炭黑等 而粒径大于2 5um的颗 粒物为 Fe Ca Ti Mg K PO43 Si Al NO3 等 北京大学环境学院4 2 2 地球上水体总储量 海水占97 3 冰川和冰 冠占2 14 地面水包括江河湖泊在内约占0 02 地下水占0 61 大 气中的水蒸气不到0 01 水是一种宝贵的自然资源 材料的生成和加工都离不开水资源 例如 生成1t钢需要49t水资源 水体受到污染 不仅妨碍了工农业生产 影响水生生态系统 还直接 或间接地危害人体的健康 尤其是重金属元素以可溶离子状态溶解在水中 通过人体吸收 会造 成严重的病变 如金属镉离子污染会引起人体的骨痛病 汞中毒可以 使人中枢神经失灵 并造成永久性病变 铬 锑及其化合物具有致癌 作用 北京大学环境学院 一是生活废水 一般居民住宅 医院 学校 商 业等生活活动 二是工业废水 主要是由工业生产中一些有害物如重 金属有机物 酸碱盐 油 放射性废水等混入工业用水造成的 北京大学环境学院北京大学环境学院北京大学环境学院 由于流动 稀释 扩散 沉淀等物理作用 其浓度会发生变化 由于化学作用和生物作用 有害物和污染物本身会分解 发生无害化 的质变 这称之为水的自净化作用 在水域中被稀释了的污染物在自然界生物体内会被浓缩和富集 如 果这些物质在生物体内不能分解 则会累积起来 产生非常严重的连 锁性反应和后果 例如Hg或Cd等难分解的有害物质就是如此 在食物链中 元素的浓缩系数是逐渐增加的 当浓度为5 10 11的Cr从海水中转换到鱼类体内时 其浓度可达3 5 10 2 即浓缩了1000万倍 北京大学环境学院北京大学环境学院 1 将水在103 蒸发 此时测得的固体物为总固体物TS 总固体物可以分成溶解性固体物和悬浮固体物 悬浮固体物质是水中含有的不溶性物质 是水质污染在外观上的重要 指标 浑浊的水常含有大量的悬浮固体物 其上会吸附一些有毒有害的离子 并随着悬浮固体物质迁移到很远的地方 从而使污染扩大化 北京大学环境学院 2 冶金 金属加工中的酸洗工序 人造纤维材料等工业废水是水体 酸污染的重要 而碱法造纸 化学纤维材料等工业废水是碱污染的重要 水体遭到酸碱污染后 其酸碱度将发生变化 当水体的pH值小于6 5或 大于8 5时 水中的微生物生长将受到抑制 这将导致水体自净化能力 受到阻碍 并可腐蚀水下各种设备与船舶 在无机物污染中 氰化物是毒性很强的物质 氰化物以各种形式存在 于水中 它是非常有害的物质 可对细胞中氧化酶造成损害 其毒性很 大 主要电镀废水 煤气废水 炼焦废水 有色金属冶炼废水等 北京大学环境学院 3 污染水体的重金属有汞 镉 铅 铬 铜 钴 锌等 其中以汞的毒性最大 此外还有砷 它虽不是重金属 但毒性与重金属相似 故经常归入重金 属一起讨论 重金属主要采矿 冶炼 电镀 化工等工业废水 重金属在水中可以多种形态存在 其可被水中悬浮物或底泥等胶体粒 子吸附而富集 也可以通过水解或与硫离子 碳酸根离子形成氢氧化 物 硫化物和碳酸盐沉淀物 还可以与Cl OH HCO3 F 等阴离子以及腐植酸等形成各种较易溶解的化合物 这一作用可使重 金属从悬浮固体粒子或底泥里释放出来进入水中 北京大学环境学院 4 当废水中含有大量的碳氢化合物 蛋白质 脂肪 木质素等有机物 质时 如果这些物质不经过处理而直接排入河流或湖泊中 它们将被 水中的细菌和微生物分解 因在其分解过程中需消耗水体内的溶解氧 故称这些有机物为耗氧有 机物 其污染程度可用生化需氧量 BOD 化学需氧量 COD 等各种指 标表示 有机污染物 通常是以微生物摄取有机物时消耗的氧量来表示 即BO D 应注意BOD并不是对某一污染物的直接测量 而是测量细菌或微生物 分解有机物所需的氧量 北京大学环境学院4 2 3 在生产活动及其他活动过程中产生的各种 固态半固态和高浓度液态废弃物统称为固体废弃物 因这些固体废弃 物对环境造成的变质现象称为固体废弃物污染 相应地 这些可污染 环境的固体废弃物称为固体污染物 北京大学环境学院环境影响 固体污染物的主要危害形式有侵占土地 污染土壤 污染水体 污染大气 影响环境卫生等 我国固体废弃物的排放量已超过6亿t a 固态废弃物的堆存占地面积已超过100万亩 1亩 666 6m2 其中农田 25万亩 这些固体废弃物被雨雪淋湿 浸出大量毒物和有害物 使土地毒化 酸化 碱化 污染面积往往超过所占土地数倍 进入土壤中的各种有 害成分还会导致水体污染 北京大学环境学院环境影响 在材料生产中排放的固体废弃物对大气 造成的污染不容忽视 如尾矿和粉煤灰在4级以上风力作用下 可飞扬40 50m 使其周围灰砂 弥漫 长期堆放的煤矸石因含硫量高可引起自燃 向大气中散发大量 的二氧化硫气体 北京大学环境学院环境影响 由固体废弃物造成的 危害中 最为严重的是危险废物的污染 易燃 易爆 腐蚀性 剧毒性和放射性固体废弃物既易造成即时性 危害 又易产生持续性危害 如我国有色金属冶炼过程中 每年从固体 废物中约流失上千吨砷 上百吨镉 几十吨汞 其危害无法估计 北京大学环境学院 固体污染物的可分为工业 矿业 城市和放射性 废弃物等 工业废弃物主要有冶金钢渣 煤灰 硫铁矿渣 碱渣 含油污泥 木屑以及各种机械加工产生的固体边角料等 矿业废弃物主要采 选矿过程中废弃的尾矿 城市固体废弃物主要有生活垃圾 城建渣 土以及商业固态废弃物等 放射性废弃物主要有核电站运行排放的 废弃核燃料及旧的核电设备等 北京大学环境学院4 34 3 1经济活动必须受环境条件的制约 任何环 境问题 都是由经济活动造成的 以前人们似乎没有意识到这一点 一直毫无节制的进行着经济活动 根据科学的预见 今后的经济活动不管愿意与否 都不得不面对环境得制约 环境问题与生产问题对人们造成的压力和后果是不同的 环境问题具 有长期效应而引起疾病 死亡 生产问题是眼前利益 北京大学环境学院 不管在什么情况下 如果考虑的只是单方面的经 济活动利益 就会陷入被动局面 这是一个客观规律 经济活动必须以环境负荷作为制约条件 地球环境一旦被破坏 就会 造成无法挽救的局面 北京大学环境学院4 3 2CO2 由于CO2的排放量大致和能耗成正比 按 产品生产每投入一万美元为一个生产单位 比较与其产品制造和使用 相关联排放的CO2 例如对汽油来说 将制造一个生产单位的汽油所产生的CO2和将这些 汽油燃烧后排放出来的CO2 19 9t 相加起来 这种计算方法 是 产业关联分析 中采用的最基本的计算方法 北京大学环境学院北京大学环境学院北京大学环境学院北京大学环 境学院北京大学环境学院北京大学环境学院从小事做起 减少环境负 荷 据统计 生产日常生活消费品排放的CO2占总排放量的44 9 在日 常生活中 照明 取暖 交通和食品占相当大的比重 要做到在保护 地球环境的同时发展经济 不仅需要很高的精神境界及其指导下的新 型技术 而且要从眼前平凡的事情做起 身体力行地做几件实事 只有 这样 才能实现人类和经济的持续发展 北京大学环境学院4 4 从某种意义上讲 人类活动对环境的影响主要 取决于在人口 经济增长和科学技术几者之间的相互作用 这种相互关系可以借助这样一个恒等式加以讨论 污染 污染 GDP GDP 人口 人口 抑制环境退化加剧的趋势可以分别从上述三个变量 入手 即 降低污染强度 减少人均收入或减慢人均收入水平上升的速 度和控制人口增长 北京大学环境学院唯一的可调控变量 最有调节控制弹性的变量就 是经济活动的污染强度 通过大幅度降低污染强度而实现在人口总量绝对增长 人均收入水 平日益提高的情况下抑制环境退化的目标 北京大学环境学院 使科学技术的发展和应用在促进经济发展的同时 起到减轻污染负荷 改善环境质量的作用 具有可持续性质的科技成果具有下述特征 1 这些科技成果的应用可以带来环境风险的显著下降并达到费用 效果的优化 2 它们应当具有显著的科技进步含义 简单地说就是比现在普遍得 到应用但仍不尽理想的技术具有更强的功能和更经济的应用前景 或 者是填补某项科技成果在产生和应用上的空白 3 在技术寿命周期的研究开发阶段 与商业利用阶段相对照 它们 就应显示出具有一般通用性 4 采纳这种技术要有足够大的社会效益 亦即当采纳这种技术可以 同时带来社会效益和厂商效益时 社会效益与厂商效益的比值要足够 高 北京大学环境学院4 4 1 电子技术的发展 功能增加 零部件数量 成倍增加 性能更新 低成本 大批量 造成修理后使用不如购买 新产品 追求高性能和新式样 提前废弃 北京大学环境学院4 4 2 组合器件 组合设计 零部件微型化 数量多 材料含有多种元素 有些是极微量的元素 材料种类繁 多 产品向二维方向发展 产品的寿命的不确定性 微小零 件更换困难 修理困难且修理费变高 北京大学环境学院电子产品特征 每个大规模集成电路 LSI 含15 20 种元素 重量0 5 3g 外形由陶瓷或塑料封装 内部为薄片 箔 厚度 薄膜 难分离 一般是废弃或焚烧掉 北京大学环境学院4 4 3北京大学环境学院电子产品与纸张消耗北京 大学环境学院4 4 4 需解决的问题 分类困难 分类回收 设计阶段 就要考虑从预测的实际使用状况来限制某些功能设计 设计容易分类回收的结构 使用容易再生的循环材料 注明所使用的材料 如 冰箱的设计 考虑金属压缩机 放热管的位置 和塑料部分的位置 改善设计以便日后易分离 产品尽可能小型化 减少材料用量 进一步开发在自然界分解的新材 料 北京大学环境学院4 4 5 新材料的开发是很耗时的 快则十年左右 慢则需要几十年的努力 对于具有毒性 且可以预测其危险性的材料 毒性不明的材料及回 收极端困难的材料 即使是可以改善产品的性能也应避免使用 材料的开发经历 基础 应用 实用 从基础研究阶段就应该考虑 到产品化以后对环境和再生循环利用的影响 严格筛选新材料及能改 善材料性能的元素 北京大学环境学院4 5 环境迫使人们改变生活方式 如无汽车日 墨 西哥城根据空气质量情况实施交通管制 限制车辆使用 回收生活垃圾 垃圾分类存放 有知识有教养的家庭主妇们认真地回 收各塑料盒等 北京大学环境学院4 5 1 消费这个词最适于描绘人类对生物圈的影 响 尽管消费文化最初本来是工业的产物 但消费刺激需求 需求推动工 业 消费量日益增多 废物也在增多 这就造成了资源的消耗和环境的退 化 消费本身无所谓好坏 关键需要分析其是可持续性的或不可持续性 北京大学环境学院消费观念的变化 如今消费的主导权逐渐掌握到 了消费者即生活者手里 消费者在购物和接受服务时总要比较商品的性能 实用性和价格因 素 然后根据自己的生活方式和价值观做出是否购买的决定 消费者的生活方式和价值观随着时代而变化 北京大学环境学院4 5 2客观的要求 人类如果不从保护地球环境 不 从自身的衣食住行的方方面面做起 最终将会失去健康安宁的生活 北京大学环境学院