生态环境材料 第1章 概 论

1、生态环境材料教学安排 考核方式：考试(70%)+平时成绩(30%)返回教 材生态环境材料 聂祚仁、王志宏 机械工业出版社 2004 参考文献1、生态环境材料 王天民 天津大学出版社 20002、生态材料导论 洪紫萍、王贵公 化学工业出版社 20013、环境材料学 翁端 清华大学出版社 20014、环境材料基础 左铁镛、聂祚仁 科学出版社 20035、环境材料导论 张剑波北京大学出版社 2008返回生态环境材料绪论第一节、生态环境材料第二节、内涵和定义第三节、研究与应用发展第四节、发展趋势第一章 概 论第一节 材料可持续发展的产物生态环境材料一、背景 材料的发展带来的环境问题 材料的可持续发展

2、-生态环境材料 材料的发展带来的环境问题 旧石器时代中石器时代新石器时代人们的生产力水平非常低下，谈不上材料的生产的制备，材料的发展不会带来环境影响。原始经济时期 资源经济时期() 人类进入工业文明时代，人口快速增长生产力水平的大大提高，人类经济活动扩大到地球的每一个角落，材料发展空间高涨，使人与自然的关系发生了历史性转变。蒸汽机早期火车汽车20世纪世界著名的十大公害事件PM2.5细颗粒物又称细粒、细颗粒。PM2.5细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物，能较长时间悬浮于空气中。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。

3、与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2013年2月，全国科学技术名词审定委员会将PM2.5的中文名称命名为细颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐（Na+）等。来源：固定源包括各种燃料燃烧；如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘。流动源主要是各类交通工具在运行过程中使用燃料时向大气中排放的尾气。空气质量等级24小时PM2.5平均值标准值 (g/

4、m3)优0-50良50-100轻度污染100-150中度污染150-200重度污染200-300严重污染300以上全世界能源、各种原材料消耗快速；许多稀有金属回收再利用率很低，造成全球范围内能源、资源枯竭。由各种材料制成的产品废弃后的回收利用低，尤其是电子产品更新换代周期越来越短，造成废旧电子产品废弃量逐年增加，而且此类产品的回收利用难度较大。这些废弃物产生的有毒有害物质造成环境污染。 拆解20万台旧家电，可以回收各类金属4100吨，塑料1300吨，玻璃640吨；1吨电路板，可分离出130公斤铜、20公斤锡、0.45公斤黄金，最后留下的残渣还能作为建筑材料、家具、绝缘材料的原料。每处置1吨电子

5、垃圾，可获利润3000元至10000元；一年若处理100吨，年利润可达30万元至60万元。资源与能源材料的寿命周期与资源、环境的关系 对资源的消耗可以概括为以下几方面。 能源的消耗 矿物资源的消耗 生物资源的消耗 水资源的消耗 对生态环境的损害可以概括为如下几个方面。 向大气环境排放的有害物质，如大气污染物的诽出；具有温室效应气体的徘出，破坏大气臭氧层物质的排出；酸性气体物质的排出等。 向水域徘放的有害物质，如危害人体和生物体健康物质的排出;影响生态环境物质的徘出等。 向土壤排放的有害物质，如污染土壤物质的排出；恶化土质物质的诽出；危害生物链物质的排出等。 其他损害环境物质的排放，如固体废弃物

6、的排放，恶臭物质的排放：噪声、振动、电磁波的产生等。表 1.1 世界主要金属矿物资源储量与预测使用的年限 表 1.2 世界矿物能源储量、产量及其开采年限预测 年 限石 油天然气煤 炭铀确认储量1368亿t1380000亿m310392亿t低品位铀约139万t高品位铀约61万t1992年产量6800万t21600亿m345.5亿t2.7万t(不包括发展中国家)按1992年需求预计可开采年限466421974按2000年需求预计可开采年限2556按2010年需求预计可开采年限15 材料在生产-使用-废弃的过程就是将大量的资源提取出来，又将大量的废弃物排放到自然环境中的循环过程，人类在创造社会文明的

7、同时，也在不断的破坏人类的生存空间。材料的可持续发展 -生态环境材料 生态环境材料的概念最早是由日本东京大学生产技术研究所教授山本良一在1992年10月提出的，生态环境材料的英文名称Ecomaterials。由Environmental Conscious Materials或 Ecological Materials 缩写而成，可理解为环境意识材料或生态材料，也即环境友好型材料或环境协调性材料。生态环境材料材料可持续发展的根本优异的使用性能 优良的环境协调性环境净化治理污染功能性舒适性生态环境材料（ecological environment material）:实质上是赋予传统结构材料、功

8、能材料以优异环境协调性的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型材料，或改进、改造传统材料。生态环境材料并不是一类新材料，它是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是对传统“材料科学与工程”概念内涵的拓宽，也是材料产业可持续发展的必由之路。 “材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与用途之间的有关知识的开发和应用的科学” -美国材料科学与工程调查委员会（1979年）第二节 生态环境材料的内涵与定义一、环境材料的定义环境材料:指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使

9、用功能的人类所需的材料。生态环境材料：实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料。环境协调性：指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用高。 环境材料的性能：二、环境材料的内涵 在尽可能满足用户对材料性能要求的同时，必须考虑尽可能节约资源和能源，尽可能减少对环境的污染，要改变片面追求性能的观点； 在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，把材料及其产品整个寿命周期中对环境的协调性作为重要评价指标，改变只管设计生产，而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污染的观点； 这个定义的拓宽涉及多学科的交叉，不仅讲科学技术效益、经济效益，还要讲社会效益，把材料科学技术与产业的具体发

10、展目标和全球、各国可持续发展的大目标结合起来。见书P3 三、环境材料的特征1、从材料本身性质来看生态环境材料的主要特征是 :1) 无毒无害、减少污染，包括避免温室效应和臭氧层破坏等。2) 全寿命过程对资源和能源消耗少。3) 可再生循环利用、容易回收。4) 材料的高使用效率等。见书P22、从循环的角度来理解环境材料的特征是： 从原料开采、制造、使用至废弃的整个寿命周期中，对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高，或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。 3、在环境材料这一总的概念指导下，不同的研究者有不同的理解，有些人认为，环境材料应具备的特征是：1）先进性：即它可以拓展人类

11、的生活领域 (Expanding Human Frontiers)，也能为人类开拓更广阔的活动范围；2）环境协调性（Environment Conscious）：即能减少对环境的污染危害，从社会持久发展及进步的观点出发,使人类的活动范畴和外部环境尽可能协调,在制造过程中,材料与能源的消耗、废弃物的产生和回收处理应降低到最小,产生的废弃物也能被处理、回收、再生利用，且这一过程也无污染产生；3）舒适性 (Amenity)：即能创造一个与大自然和谐的健康生活环境, 使人类生活环境更加美好、舒适。 也有些人认为环境材料的特征是：功能性、经济性和环境协调性等。这有利于对环境材料的评判，也符合现实情况。即

12、在材料的寿命周期中，在其功能性、经济性基本相同的条件下对环境负担影响较小的材料。5、按照有关的研究报道和生态环境材料的要求，可将有关的材料特征分为十类：见书P4 1)节约能源： 2) 节约资源： 3) 可重复使用： 4) 可循环再生： 5) 结构可靠性： 6) 化学稳定性： 7) 生物安全性： 8) 有毒、有害替代： 9) 舒适性： 1O) 环境清洁、治理功能：四、环境材料的合成与加工工艺特征见书P41) 能源节约工艺：能够通过提高能源效率或降低能量消耗但又不损害生产率来节省能量的加工方法。也包括热能循环。2) 资源节约工艺：能够通过提高材料的效率或降低材料的消耗但不损害生产率来节省资源的加工

13、方法。3) 降低污染的加工技术：能够降低污染物(如废气、废液、有毒副产品和废渣等)排放但又不损害生产率的加工技术。4) 净化环境的加工技术：能够净化有害物质(如废气、废液和有毒副产品)以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。五、环境材料的分类 根据环境材料的功能可分为：低（资源、能源）消耗材料、净化材料、吸波材料、（光、生物）可降解材料、生物及医疗功能材料、传感材料、抗辐射材料、相容性材料、吸附催化材料等。根据材料的用途可分为：工业生态材料、农业生态材料、林业生态材料、渔业生态材料能源生态材料、抗辐射材料、相容性材料、生物材料及医用材料等 生态环境材料的分类第三节 环境材料研究中

14、的几个基本关系图12 环境材料与其他材料的关系利用环境意识，一方面可以改造现有材料，使其与环境有良好的协调性；另一方面在制造、设计新材料时，就注意与其环境相容性。 环境材料并不是一种完全独立的材料种类，环境材料不全都是高新技术材料，有许多传统材料本身就具有环境材料的特征或可以发展成环境材料，甚至有些垃圾废弃物经加工都可以制成环境材料。一、环境材料与传统材料和新材料的关系 返回二、环境材料与发展的关系 保护环境、爱护环境、珍惜资源的意识应贯穿于人类活动的全过程中，因此，环境材料的研究与发展不是阶段性的。它应当贯穿于人类文明社会的全过程中。环境材料不像其他材料，例如铁、铜、陶瓷一样，其发展是一代一

15、代的。环境材料不是一代新材料。从人类自身的进步和发展来看，环境意识应贯穿于人类社会的全过程之中 , 也应当贯穿于人类开发、使用、制造、再生材料的整个过程中。环境材料本身应该而且是可持续发展的。三、环境协调材料与环境协调产品的关系 环境协调材料与环境协调产品在概念上是有明显区别的。环境协调材料或环境材料:注重从环境协调性研究材料的环境负荷特性，力求最低的环境负荷。 环境协调产品（Environmental Conscious Products,ECP）目前主要注重的设计要素为净化环境、防止污染、替代有毒物、再生利用、降低废物量、再资源化、耐久性、可分解性、产品易拆卸、省能、省资源。事实上，环境协

16、调材料不一定能够制成环境协调产品。反过来，环境协调产品不一定是由环境材料构成。 德国和日本是环境协调产品的大力推行者。在西方商品市场上，有环境标志的商品价格比同类商品的价格高20%30%，且其销路极佳。第四节 生态环境材料的发展趋势 一、环境材料的研究历史 环境材料的研究目的：是寻找在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷的人类所需材料, 以满足人类生存和发展的需要。 东西方人对材料追求的不同态度：西方人追求的是材料的先进性和舒适性；而东方文化崇尚自然的心境, 则追求材料的自身协调和天人协调。东方文化追求天人和谐的思想, 对当今材料领域有着深刻的影响。西方人对环境科学认识上的进步：随着全

17、球环境意识的不断提高, 西方的一些学者提出了建立“绿色材料和工艺”，并开发出有益于健康的良性环境材料和工艺, 最大限度地对自然资源进行循环利用并开发其副产品, 使之具有与大自然相互平衡的能力。1992年, 日本东京大学山本良一教授首先提出环境材料 (Ecomaterials) 的概念, 并于 1993年4 月成立了“ 日本环境材料研究会”。 我国政府的科技决策部门也充分认识到开展环境材料研究的必要性与紧迫性, 如19962000年度国家高技术发展计划（863计划）中关于新材料研究项目指南中专门列入新型能源及环境材料这一专题; 目前在以下领域我国材料科学工作者取得了相当的成果: 材料的环境负荷评

18、价方法及其实践；生物降解塑料；固沙植被塑料；新型能源材料；汽车废气的排放控制与处理技术；工业废水处理技术；工业废弃物的再生利用；氟里昂替代材料；生态建材；新型分子筛材料等。 生态环境材料的几个方面：纯天然材料的开发和利用环境兼容性涂层材料汽车尾气净化用催化剂材料生物降解材料生态建筑材料绿色包装材料仿生材料降低环境负担性的材料加工工艺和技术二、生态环境材料的发展趋势 1、关于生态环境材料及其学科的基本问题研究 2、材料的环境负荷评价方法和标准的建立 3、生态环境材料和产品的研究及开发 4、制定与实施生态环境材料的教育计划 5、推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流 见书P8 图1-3 各种材料对社会发展的相对重要性三、环境材料与社会发展进步关系四、研究环境材料应当注