材料与环境 第二章 材料的环境协调性评价与生态设计

材料与环境01材料的环境负荷02材料的环境协调性评价03材料的生态设计Contents目录第二章材料的环境协调性评价与生态设计材料的环境负荷的定量指标能耗能耗即能源的消耗，其中的单位能是反应能源消耗水平和节能降耗状况的主要指标，是一次能源供应总量与国内生产总值（GDP）的比率，表示能源利用效率的指标。第二章第一节环境影响因子环境影响因子（EAF）表达材料对环境的影响EAF={资源、能源、排放物、生物效应、区域性……}EAF值可以定量地对各种金属材料的环境作用进行相互比较，EAF值越大，该材料的环境负荷越重环境负荷单位环境负荷单位（ELU）指某一具体材料在其生产、使用、消费或再生产过程中耗用的自然资源数量，以及其向环境体系排放的各种废弃物（如气态固态和液态废物）的总量。单位服务的材料消耗单位服务的材料消耗量（MIPS）指在某一单位过程中的材料消耗量，这一单位过程可以是生产过程，也可以是消费过程。材料的环境负荷的定量指标第二章第一节生态指数生态指数表示法即对某一过程或产品，根据其污染物的产生量及其他环境作用的大小，综合计算出该产品或过程的生态指数，判断其环境影响程度。生态因子生态因子（ECOI）考虑两部分内容：材料的环境影响（EI）、材料的使用或服务性能（SP）。ECOI=EI/SP，客观比较材料环境性能。环境熵值环境熵值（EQ）是综合考虑材料和产品生成过程中产生废弃物量的多少、物化性质及其在环境中的毒性行为等的评价指标。EQ=E×Q生命周期评价生命周期评价（LCA）是一种评价产品在整个寿命周期中所造成的环境影响的方法。第二节材料的环境协调评价生命周期评价（LCA）的产生与发展LCA发展20世纪60年代20世纪70-80年代20世纪90年代对不同包装材料从原材料获取到废弃物处理进行了全过程的跟踪研究LCA的研究已经开始从实验室阶段转变到实际生产ISO正式将生命周期评价纳入环境管理体系美国可口可乐公司一次性塑料瓶？可回收玻璃瓶？关注资源、能源消耗关注能源高效利用显著发展国际环境毒理学和化学学（SETAC）国际标准化组织（ISO）第二章第二节生命周期评价国内外研究进展国外研究进展理论研究应用研究生命周期清单分析方法生命周期影响评价方法数据库建立评价软件开发国内研究进展90年代1998年2012年2016年开展LCA相关研究全面引进ISO14040

系列标准首个“材料的环境协调性评价研究”项目立项国家和部委先后出台相关政策均提出要“强化产品全生命周期绿色管理“工业大数据应用技术国家工程实验室”获批建设第二章第二节材料的生命周期评价的概念与评价方法RawmaterialandenergyconsumptionEmissionstoair,waterandland材料生命周期评价是一种通过汇总某个产品或服务体系在整个生命周期内的所有投入和产出，评价研究对象能源消耗及环境影响的研究方法。是对一种产品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他人类活动行为全过程评价。包括原材料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等，进行资源和环境的分析与评价。生命周期评价定义第二章第二节生命周期评价的步骤生命周期评价框架图生命周期评价的步骤步骤4

结果解释步骤3

生命周期影响评价步骤2

生命周期清单分析步骤1

目标与范围的确定材料的生命周期评价的概念与评价方法第二章第二节生命周期评价的数据库与评价软件按应用系统的数据处理分类LCA数据库LCA软件分析SPOLD数据格式：生命周期评价发展促进会提出统一的清单分析数据格式BousteadModel数据库：重于客观量化生命周期清单的数字WestonModel数据库：生命周期清单分折数据库+生命周期影响评价数据库SimaPro软件：可完整地应用于LCA清单分析及影响评估的各个要素及不同生命周期工序阶段GaBi软件：主要由BUWAL与APME发展而得，是结合工业企业与研究单位的清单分析数据库EcoPro软件：内含一套由瑞士环境、森林及景观联邦办公室所建立的数据库eBalance软件：全面支持LCA工作开展的全部标准以及步骤材料的生命周期评价的概念与评价方法第二章第二节应用范围的局限性评估范围的局限性评估方法的局限性时间和地域的局限性1432只考虑生态环境、人体健康、资源消耗等方面的环境问题，而不涉及技术、经济或社会效果方面没有包括所有与环境相关的问题既包括了客观成分，也包括了主观的成分存在时间和地域上的限制材料的生命周期评价的局限性第二章第二节材料生命周期评价的特点与应用特点性能要求要明确作为研究目标的材料所要求的特性及其允许的范围、表面处理等技术操作的要求以及使用寿命的影响技术系统建立与材料对应的技术系统，包括材料的制备、加工成形和再生处理技术以及相应的副产品、排放物等基本情况材料流向着眼于分析资源的使用和流向，特别是作为微量添加元素的使用，因为这些元素很难再被循环使用统计分析对技术流程中各阶段的能源和资源的消耗、废弃物的产生和去向进行分析和跟踪1234第二章第二节LCA在钢铁材料中的应用包钢稀土钢产品LCA研究目的和范围生命周期清单分析生命周期解释生命周期影响评价对外的环境交流：提供产品的生命周期信息；获取绿色标识；环境宣传等对内的环境管理：掌握产品生命周期环境指标及其在各阶段的分布辅料与能源开采、稀土钢产品生产、循环再利用三个阶段5类指标：资源、能源消耗、大气排放物、水体排放物、副产和固体废弃物内部：包钢内部数据通过调查问卷的形式收集外部：上游阶段过程等数据来源于文献和其它LCI数据库包钢稀土钢产品生命周期环境影响评价是根据CML方法，确定了资源损耗、能源损耗、气候变化、酸化、富营养化、光氧化剂形成、人体毒性和生态毒性8个环境影响指标。包钢稀土钢LCA研究在生命周期解释中提出分布分析方法，分析包钢产品的清单指标环境负荷以及环境影响潜值在生命周期各阶段的分布情况。材料生命周期评价的特点与应用可准确发现产品生产流程中各工序降低资源、能源消耗、减少环境排放的潜力点和改进潜能，从而优化工艺，设计开发生态产品。第二章第二节LCA在固废建材评价中的应用呼和浩特生活垃圾焚烧灰渣目标和范围清单分析环境影响评价与分析将功能单元拟定为制备1kg生活垃圾焚烧灰渣掺合料，定量分析灰渣掺合料的前期准备、制备过程中消耗能源和所造成的环境影响。通过收集垃圾焚烧灰渣掺合料的各阶段能源消耗，整理形成环境符合的相关物质的输入输出数据清单。按照评估计算流程对焚烧垃圾灰渣掺合料的4个主要过程进行环境影响计算，整体评估范围到垃圾焚烧灰渣掺合料制备结束，作混凝土掺合料输出为止，通过计算得出不同的影响指标在整个生活垃圾焚烧灰渣掺合料制备途径的占比。材料生命周期评价的特点与应用第三节材料的生态设计如何解决上述问题？大气污染水污染固体废弃物污染海洋污染土地荒漠化气候变暖臭氧层破坏生物多样性减少酸雨森林锐减全球十大环境问题第二章第三节什么是生态（Eco-）？Eco-源于古希腊字，意思是指“家”（house）或者我们的环境一切生物的生存状态，以及它们之间和它与环境之间环环相扣的关系早在1869年，德国生物学家ErnstHaeckel最早提出生态学的概念，它是研究动植物之间及其对生态系统的影响的一门学科。第二章第三节生态设计的目的是实现可持续性发展材料的可持续性发展既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。第二章第三节可持续性发展的内涵社会学内涵：可持续发展的社会学内涵强调的是“发展”。经济学内涵：在不破坏资源、不牺牲环境质量的前提下，实现真正意义上的社会财富的增加生态学内涵：发展必须考虑生物和非生物资源基础，使生物圈既能满足当代人的最大利益，又能保证其满足后代人需要与欲望的权利伦理学内涵：可持续发展中就是其所追求的公平性原则，包括本代人的公平和代际间的公平1234材料的可持续性发展第二章第三节材料产业的可持续发展实现材料产业可持续发展的关键材料的可持续性发展传统材料生产是物质单向流动的生产过程材料产业是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者之一技术：优化传统材料的制备工艺、开发新材料，满足材料使用性能及可接受的经济性能，注意材料的环境性能。管理：加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环利用的研究和应用，提高资源效率第二章第三节生态设计（eco-design;ED）基本概念

又称生命周期设计（lifecycleengineeringdesign;LCED）；绿色设计（greendesign;GD）；为环境而设计以及环境协调性设计；是指在材料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全意识有机地融入其中的设计方法。生态设计LCA:环境负荷设计：1.设计性；2.环境协调性；3.经济性；4.舒适性；材料生态设计理论第二章第三节生态设计的内涵生态设计的特点扩大了产品的生命周期生态设计是并行闭环设计生态设计有利于保护环境，维护生态系统平衡生态设计可以防止地球上矿物资源的枯竭生态设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题从“以人为中心”的产品设计转向既考虑人的需求又考虑生态安全的生态设计从产品开发概念阶段就引进生态环境变量，并与传统的设计因子进行综合考虑将产品的生态环境特性看作是提高产品市场竞争力的一个重要因素材料生态设计理论第二章第三节产品生态设计的主要内容原材料的生态设计产品的生态设计生产过程的生态设计产业生态系统的生态设计材料再生设计尽可能减少生产环节选择对环境影响小的生产技术使用清洁能源和材料建立ISO14001环境管理体系减少使用量采用再循环材料采用低能值材料整合产品功能优化产品结构产品部件的功能优化模块化设计易于维护和维修易于再循环将产业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入与产出进行综合平衡，推动产业系统的演进、使之由低级生态系统向三级生态系统转化充分考虑材料的循环再生性例如：金属材料可再生循环设计第二章第三节生态设计方法性能performance;P成本Cost;C环境影响Impact；I传统生态设计𝑊tra=P⁄（I×C）综合价值指标：传统生态设计三要素第二章第三节材料生态设计方法𝑊𝑚𝑎𝑡=P⁄（I×R）综合生态设计指标：生态设计方法第二章第三节新能源汽车电池负极材料的生态设计及应用整体研究技术路线基于电池应用场景的生态设计分析电池负极材料环境负荷对比分析动力电池负极材料