节能减排与环境材料课件

1、第四讲 节能减排和环境材料1 环境材料产生的背景2 环境材料3 环境材料对材料和产品开发带来的影响4 环境材料学的研究进展9/14/20221环境材料产生的背景19/14/20222 据联合国预计在2025年之前，世界人口将达80亿；而按现在的工业发展，由于大量使用化石能源煤、石油和天然气，必将引起世界范围内更大规模的气候变化，全球气温变暖、酸雨增加和大气臭氧层的破坏更加加剧，并由此带来一系列恶性循环。 材料的发现、发明和使用，使人类一步步走出混沌蒙昧，发展到科学技术高度发达的今天。可以说，人类现代文明就是一个大量地生产和使用材料、能源的过程。然而，在这一过程中，人们过多地享受了材料的有用部分

2、，而对需要消耗的大量资源、能源和对材料获取和使用过程中的废弃却没有节制，结果给人类自身生存环境带来巨大压力。 联合国人口基金会(UNFPA)发布最新报告，在2011年10月31日之前，地球总人口数将随时突破70亿大关。联合国预计在2025年之前，世界人口将达80亿，2083年之前将达100亿。 2011年10月23日04:44 大洋网-广州日报 背 景 9/14/20223 大量的人口增长和资源消耗，必将引起资源能源更加严重的短缺，到2040年左右，将出现全球性的粮食不足；到2070年左右，将出现金属矿产资源的枯竭；到2090年左右，将出现煤、石油等化石能源的枯竭 这些现象都与全球材料生产和利

3、用有千丝万缕的关系。 现实迫使人们在材料及其制品的制备、加工中研究和发展与环境友好、无污染(或少污染)的材料及其制品制备技术，并注重材料的延寿，以及高附加值利用和再利用。总之，材料与生态的关系十分危急地摆在材料科技人员面前。9/14/202242 环境材料9/14/20225 环境材料是与原有的材料相比较而产生、相比较而发展的新一代材料，其判断和认知是相对的、动态的和不断发展的。 综合具备上述三种性质的材料便构成了环境材料的基本概念；环境材料本身是同时具备多种功能的所谓知识集约型材料；可以说，环境材料就是考虑了系统功能的材料。 9/14/20227环境意义 从源头间接减少对自然资源的消耗和对环

4、境的破坏，在末端直接减少废弃物和处理所需的能耗，并大大拓宽了材料循环利用的方式和领域，是真正意义上的节能减排。科学意义 改变材料的传统设计思想，探索新的材料技术体系和评价体系，消除对环境的负面影响或将其减至最小成为研究热点，并由此引导了生态循环设计和相应技术的诞生。经济意义 为众多企业的发展带来新的商机。环境材料的开发日益体现出其巨大的潜在价值。目前，世界上很多中小微型企业都在这一领域进行开发，通过精心构思和设计，从材料设计和再生循环的新价值中获得附加值，实现经济收益。 环境材料 idea 的意义9/14/202283环境材料对材料和产品开发带来的影响9/14/2022103.1.1 数字电子

5、产品引起的环境问题与反思： 硅大规模集成电路：重0.5-3g，含有20-30种元素，常用塑料、陶瓷封装，内部为箔、薄片、厚膜、薄膜等，报废后无法分离利用，只能焚烧。 现代数字电子产品的特征（从环境材料角度，多被视为弊端）： 组合器件、组合设计（功能过剩） 产品向纵深和横向二维发展（发展过滥） 零部件微型化（吸引投资过热） 材料含多种元素，有些是极微量元素（开采困难、成本高昂） 涉及材料种类繁多（回收利用困难） 产品寿命的不确定性；微小零件更换困难；修理费用高 3.1 信息产业兴起引发的材料开发观念的转变9/14/202211 启发：针对上述情况，多功能化的社会效果受到质疑。在产品和材料开发方面

6、开始全面注意更新观念和技术： 必要的功能 倡导制造和使用只具有必要功能的机电产品，但与消费观和拉动内需有冲突3.1.2 材料开发观念的转变9/14/202212 轻量化 蕴含着传统材料的高性能化。使用最少的资源，达到同样目的。节省制造过程的能源和材料消耗钢铁材料的高强度化；和新型轻质合金材料的开发，尤其以家用汽车材料为代表：小型化、轻量化。9/14/202214 无害化 吸取塑料薄膜的教训开发可自然降解的薄膜材料，例如： 自然光分解农膜； 有机淬火介质代替矿物油； 无铅焊料合金； 纸浆饭盒代替泡沫塑料； 陶瓷超导体中添加金属铊（Tl）会提高超导体临界温度，但铊剧毒，被否定采用； 干电池中Hg、

7、Cd的使用停止； 新能源汽车中铅蓄电池的被淘汰禁止添加有害成分例如：9/14/202215 3.2.1 以生态循环设计为指导改革产业发展模式 对于环境恶化、资源匮乏的关注，使得一些学者和产业界开始考虑改变资源流通模式。从传统资源消费垃圾场的线性流通模式，向资源消费再生利用的闭合循环的流通模式转变。 当前,资源库已经由传统意义上一个资源库变成了两个资源库即“天然资源库”和由各种废弃物构成的“再生资源库”，而且前者在不断的减少或贫化，后者正在迅速的增长。 当今人类社会所面临的挑战，就是如何将天然资源库与再生资源库通过产业有机地组合起来，形成和建立作为循环经济物质基础的新型循环产业。3.2 环境材料

8、引起产业模式的转变9/14/202217目标：到2020年时，我国单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降4045。措施：大力发展生物质能、太阳能、地热、风能等新型可再生能源。节能减排和提高能源利用效率，是我国发展低碳经济与控制碳排放量的基本国策。发展低碳经济必须注意的四个方面： 1）把发展低碳经济提高到国家战略高度； 2）逐步改变能源结构，减小对不可再生能源（或高碳能源）的依赖度； 3）提供研究基金加强研究部署，进行能源材料和技术的研究开发； 4）进行环境意识教育，培育和促进低碳消费和低碳市场的成长。3.2.2 我国节能减排的目标9/14/202218 生产过程和新建项目的环境

9、影响评价； 各行业的节能减排； 再生循环技术； 再制造技术； 清洁生产；3.3 环境材料对企业生产过程的影响9/14/2022193.4.1 立法和国际法规 国际法规 “京都议定书”，限制CO2排放。 欧洲积极的环境保护政策推行者 欧洲各国对环境保护持有积极姿态，起步很早。 追求在设计及制造中的可分解性; 促进贴商标及再生循环的程序; 制造过程中的再利用与再生循环等。3.4 环境材料导致的社会环境改变9/14/202220环境材料学的主要研究进展49/14/202221生态环境材料所研究的内容较广泛，可以概括为： 材料的环境协调性评价； 生态环境材料的设计； 材料在制备加工中的环境协调性技术包

10、括零排放与零废弃加工技术； 材料在使用中的环境协调性技术，如制备环境协调性制品及再生循环利用。 从国际材料科技界生态环境材料的研究趋势来看，生态环境材料研发的主要领域是:4.1 环境材料的主要研究内容和研究领域9/14/202222环境工程材料 用于治理大气污染、水污染或处理固态废弃物等的各种材料。环境负荷评价（或环境影响评价）材料寿命全程环境负荷问题的评价技术研究。569/14/202224 从与生物循环系统的关系考虑，可将材料分为两大类，即能利用自然循环的材料和不能利用自然循环的材料。 对不能利用自然循环系统的材料来说，需要极力降低其使用量，并从废弃到再生的过程中尽可能使之处于不活泼状态。

11、 而对于在自然界中可以循环的材料来说，应尽可能地利用其循环系统，现在更着重考虑管理其自然的变换功能。 所以天然材料成为重要的研究对象。 纯天然材料包括木材、竹材、石材等，现在，稻壳、木屑、淀粉等也可以作为天然材料。4.2 生态环境材料的研究进展9/14/202225木材的环境特性 研究表明，天然材料木材具有优异的环境性能，在树木的生长、木材的加工和使用过程中具有非常友好的环境特性。 与钢材、铝合金、混凝土及纸材相比，加工木材的过程中，特别是自然干燥木材的矿物燃料消耗和CO2排放量都是最小的。 木材是有机体，在生长过程中，大量的碳以固体形态储藏在其内部（碳汇 Carbon sequestrati

12、on），综合评价其温室效应，木材向大气中排放的二氧化碳的总量为负值。 木材具有生物降解性，经加工使用后，其废弃物可通过自然生物过程进行降解，对环境无大的不良影响。另外，废旧木材还可以作为二次资源，进行再循环利用。 最后，废弃木材属生物质能源，无固态废弃物遗留。 9/14/202227 (1) 再生性 木材是可再生资源，其再生性是矿产资源无法相比的。 人工林资源正在替代天然林资源。人工林木材具有环境友好型材料的优势。 通过对人工林的品种、生长方式等定向培育，缩短木材的成熟期，易于工业化利用，所以说木材是一种最早的、最标准的环境材料。 (2) 固碳作用 木材中含C，H，O，N，S等元素，占其中50

13、的C主要来源于大气中的二氧化碳（Carbon Sequestration ）。 通过光合作用，每生长1t木材可吸收1.47t 二氧化碳，产生1.07t 氧气，将碳元素固定在树木中形成纤维材料。这种固碳作用和造氧机能是其他材料无法比拟的，对地球生物圈的生态平衡有着重要的作用。9/14/202228 强度： 在纵向、切向、径向均不同。纵向的压缩强度是横向的数十倍。此外，纵向的拉伸强度为钢铁的1/43/5，压缩强度为混凝土的1.32.5倍。 比重： 仅为铁的1/20，混凝土的1/5，是一种轻质结构材料。 热传导率： 比铁小三个数量级,比混凝土小一个数量级。 适当的硬度和良好的触感；年轮和节疤形成美观

14、的纹理和色调；其成分内的羟基具有吸潮和脱潮性，从而具有调节湿度的功能。 木材利用需要进行干燥、切削、粘接等各种加工，虽能耗也随之增加，但比铁、铝等金属小得多。 木材改性和应用9/14/202229 整体改性方式： 物理改性： 外形修整、压力加工、粘合组合等，如制成叠层木、三合板、复合板等； 化学改性： 浸渍处理、减压注入、加热注入、化学修饰等；防腐、阻燃、耐磨、抗裂、装饰 新型的全天然叠压木地板，经过纵横叠压，并配以精制的树脂胶粘结，再经高温、高压处理，阻燃、耐磨、防虫蛀、抗静电、抗冲击、防潮湿，遇沸水也不易脱层开裂。1) 整体改性9/14/202230 WPC木材-塑料复合体（Wood-Pl

15、astic-Composite） 将聚合性的单体类或低聚体类注入木材空隙中，通过聚合反应使其硬化聚合形成高分子树脂而制得。 单体类是通过减压将木材内的空气排出后注入的，之后加压处理。 聚合是利用放射性照射或者预先添加催化剂后再进行加热。 由于木材中生成了坚硬的树脂，因而硬度和强度可成倍提高，同时，耐磨性也提高。由于树脂的覆盖而显示出独特的表面光泽，不易污损，不易损坏，着色后色调美观。 若利用亲水性的单体类，或者预先进行化学修饰导入疏水性的官能团，之后再进行WPC化，则细胞壁中也填充树脂，从而改善吸湿性和尺寸稳定性。 9/14/202231 WIC木材-无机物质复合体（Wood-Inorgani

16、c-Composite） 将木材和无机物组分进行复合处理，改善木材的阻燃性和耐腐蚀性。 工艺：将木材用无机盐溶液浸泡，通过阳离子（如钡离子）和阴离子（如磷酸二氢根离子）交替扩散浸透到木材空隙中发生无机反应，生成非水溶性盐（磷酸钡、磷酸氢钡）而制成。 因填充的无机物质可阻止木材的热分解、腐朽真菌丝体的成长和白蚁的侵蚀等，可获得良好的阻燃性、抗腐蚀性及抗蚁性。此外还可以通过化学处理改善木材的强度、弹性模量等力学性能。9/14/202232 仿生物材料是未来材料科学与工程发展的最重要方向之一，其原因在于仿生物材料在生物兼容性的基础上，从制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。从而与环境材料有着不可

17、分割的联系。4.2.2 仿生物材料.tw/Publication/Newsletter/no89/p12.php9/14/202233 仿生物材料人工制备的、具有生物功能、生物活性，或与生物体相容的材料（非指工程结构材料）。 主要类别： 天然生物材料通过由天然生物过程形成的材料，如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等； 人造生物医用材料人体植入材料、组织工程材料等。 环境性能主要体现： 生物兼容性：在成分设计方面要使材料在使用过程中，让生物体对材料表面成分有可接受性，不发生排异反应。 环境协调性：在制备工艺方面一般多采用与环境、生物友好的方式，产品的制备大都需模拟天然合成过程，自动体

18、现仿生过程。 仿生物材料的环境性能9/14/2022344.2.2 生物材料的成分、结构和性能 天然生物材料的成分（四大类）： 结构蛋白质； 结构多糖及生物软组织； 生物复合纤维； 生物矿物天然生物材料的结构类别和常见构成物 类 别 示 例 结构蛋白质 角、蚕丝等 结构多糖及生物软组织 韧带、筋等 生物复合纤维 昆虫表皮、肌腱等 生物矿物 骨、牙、贝壳等9/14/202235生物矿物 生物矿化区别于一般矿化的显著特征是，它是通过有机大分子和无机矿物离子在界面处的相互作用，在分子水平上控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式。 生物矿化过程是一个在细胞调制下极为复杂的生物

19、微组装过程，是在分子水平上对晶体成核和生长的精细控制，通过特殊的反应介质和细胞的参与对矿化过程进行调制，并且因生物种类而异。在生物矿化过程中，细胞的调制对生物矿物的成核、长大以及微组装的形成具有决定性的作用。 生物矿物是构成生物材料的重要成分，主要是通过生物矿化过程形成。生物矿物包括骨骼、牙齿、珍珠、贝壳、鹿角、珊瑚等。生物矿物是由生命系统参与合成的天然陶瓷和天然高分子复合材料。9/14/2022364.2.3 仿生物材料的制备与应用 生物陶瓷材料：在成分上与生物体具有相容性的一类仿生物无机陶瓷材料。 主要产品：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷以及生物陶瓷复合材料等。 生物陶瓷材料早在上世纪70年代

20、就已开始用于临床医学上人体齿骨的修复和替代。 生物惰性陶瓷 生物活性陶瓷 表面生物活性陶瓷 可吸收生物陶瓷氧化铝 氧化锆 氧化钛 生物碳 致密羟基磷灰石 熟石膏 玻璃陶瓷等 -双相钙磷陶瓷等 生物陶瓷及其复合材料9/14/202237 组织工程材料 器官和组织的缺损或衰竭是发生最为频繁、最具破坏性和花费最昂贵的人类医疗和保健问题。器官移植治疗并不完美的关键问题是缺乏具有生物活性的人造机体。 组织工程材料是用于代替某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的仿生物材料。例如： 用人工合成材料与活细胞或组织构建杂化人工器官； 制备可移植的活体器件和其它生物相容性材料。 组织工程材料为利用细胞培养

21、制造生物仿生材料和人造器官开辟了光明的前景。9/14/202238 仿生智能材料 能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料，可响应环境的刺激和变化，使无生命的材料具有生物特性。 仿生智能材料的三大要素是感知、反馈和响应，这不仅与材料的成分、结构和形态有关，而且与材料所处的环境有关。 仿生智能材料已发展成为生物材料领域最引人注目的研究热点之一。 智能高分子凝胶材料：目前发展最快。其智能化特征在于其受到环境刺激时，其结构、物理性质、化学性质可随之变化。外刺激信号可以是溶液的成分、pH值、温度、光照、电磁场等，这些信号可引起智能凝胶材料的体积发生数十至数千倍的突变，或收缩，或溶胀，从而体现智

22、能性。 用于蛋白质分离、细胞培养、光能转换的流量控制阀、人工肌肉驱动器、心脏起搏器、形状记忆凝胶等。19/14/2022394.2.4 仿生工程技术模仿生物功能的净化工程技术 在地球规模的物质循环中，生物作用至关重要。模仿生物功能的净化工程技术希望将生物长期培育而形成的功能应用于材料工程，这是未来环境协调的重要课题。 模仿生物功能的技术包括： 直接利用自然界中存在的生物，或者利用使生物具有独特功能的分子； 利用生物物质（如蛋白质）的活性，或具有类似结构和功能的物质； 虽然与生物的化学结构或原理不同，但可创造与生物具有同样独特功能的技术。9/14/202240 生物分子识别功能的利用 微生物为了

23、维持生命和繁殖，将其需要的物质储存于体内，从而具有生成材料、浓缩金属的功能（Bioreaching），成为回收稀有金属的生物反应器（Bioreactor）。 利用固定微生物作为催化剂使反应过程连续进行，从环境材料的观点，可通过微生物或动植物细胞的固定，来实现材料生产过程的高效率。在水溶液中，微生物具有从多种材料的表面吸附某些离子的特性，将这种离子识别功能和腐蚀功能应用于材料表面的改性。 在水污染治理中，模仿生物功能及生态中进行的物质迁移，对引起污染的特定离子进行选择性识别分离的功能性高分子材料的设计开发正在进行。例如血红素或铁紫菜碱具有选择性捕捉水溶液中微量氰离子的性质。9/14/202241

24、 高分子凝胶人工合成物质的生物功能利用 高分子凝胶具有其它物质所没有的独特而复杂的性质，例如体相变现象，在外界条件发生小的变化时，其体积可发生不连续的且可逆的变化。利用这种性质可开发分子感知材料。 分子感知材料除以高分子凝胶体相变研究为基础外，还需要探明： 产生这种独特而复杂性质的基本原理； 对组成高分子的分子间基本相互作用进行深入研究； 通过酶反应及生物化学刺激，识别引起其相变的特定分子和离子，用以控制相变过程。9/14/202242 利用生物物质的材料工程技术 有的高分子材料具有模仿生物功能，这种功能以及生态中进行的物质迁移，对引起污染的特定的离子进行选择性识别与分离。 生物的高分子效应利

25、用有助于酶功能显示的分子识别及触酶基的有效配置，研究开发选择性消除阴离子（如氧离子、硝酸根离子、亚硝酸根离子、磷酸二氢根离子等）的水质保护材料。 例如，金属紫菜碱高分子络合物可以用作净化水功能的材料，用以去除废水中的有害含氧化合物。9/14/2022434.2.5 生态建筑材料 构成人居环境最重要的因素之一就是建筑材料。建筑材料是应用最广、用量最多的材料。长期以来，人们生产与使用建筑材料主要考虑其使用性能，而忽视其对生态环境与社会发展的影响。随着环境问题成为人类发展的一种制约因素，对建筑材料也提出了生态化的要求。开发生产具有环境协调性的生态建材，对建材工业的可持续发展和环境保护具有重要意义。9

26、/14/202244生态建材的基本特点： (1) 具有优异的使用性能。 (2) 生产时大量使用废弃物作为再生资源或能源，少用或不用传统天然资源，尽量减少能耗。 (3) 采用清洁的生产技术，保持清洁的原料、工艺和产品。尽量减少废气、废渣、废水的排放，或经有效的净化处理。 (4) 使用过程中对人体健康及环境无害，并且功能复合化，如杀菌、防霉、除臭、调温、调湿、调光、隔热、阻燃、消声、消磁、防射线、抗静电等，有利于改善生态环境，与环境相和谐。 (5) 废弃后使之作为再生资源或能源加以利用，或能作净化处理。9/14/202245生态建材的类型： （1）天然型建材 采用天然成分的原材料作为建筑材料。除大

27、理石具有放射性外，常见的木、竹、石等材料一般对人类和环境都具有相容性，是一类自然的生态建材。 （2）节能型生态建材 在生产过程中能显著降低能耗、采用免烧、低温快烧、新预分解及其他新技术、新工艺生产的，或者是采用新型节能原材料生产的建材产品。 （3）利废环保型生态建材 采用新技术、新工艺，利用工业废渣或废弃物生产的一类生态建材产品，以实现废弃物的再资源化，同时治理环境污染。 （4）先进舒适型生态建材 具有高强、轻质、防火、防水、保温、隔热、隔音、调温、调湿、调光等多种功能，在某种意义上是一类智能型建材。作为居室材料使人更具安全感、舒适感。9/14/202246 （5）保健型生态建材 具有促进人体健康功能的一类生态建材产品，例如具有灭菌、消毒、防臭、防霉、吸附C02等功能的建材产品。 （6）特殊环境型生态建材 具有适用于恶劣环境的特殊功能的建材产品。例如适用于地下、海洋、河流、沙漠、沼泽等特殊环境的建材产品。这类产品具有超高强、长寿命、抗风沙、抗腐蚀等方面的特殊功能。 总之，环境材料技术正在促使建筑材料向生态型转变。随着人类消费水平和生活质量需求的提高，要使居住条件更加安全、舒适和有利于健康，本世纪所使用的建筑材料应该是具有多功能的、促进健康的生态建筑材料。9/14/2022474.2.6 环境降解高分子材料 环境降解材料一般指可被环境自然吸收、消化、分解