35材料科学导论8-材料与环境.ppt

1、材料与环境,地球生态图,污染物一般来自6个方面：空气污染水污染固体污染放射性污染噪声污染热污染,环境污染,主要环境污染物的类别和来源,工业污染,工业污染实例,工业污染,水域工业污染,工业污染,20世纪十大环境公害中国青年报2000-1-6,1930年马斯河谷烟雾事件比利时马斯河谷工业区。在这个狭窄的河谷里有炼油厂、金属厂、玻璃厂等许多工厂。12月1日到5日的几天里，河谷上空出现了很强的逆温层，致使13个大烟囱排出的烟尘无法扩散，大量有害气体积累在近地大气层，对人体造成严重伤害。一周内有60多人丧生，其中心脏病、肺病患者死亡率最高，许多牲畜死亡。这是本世纪最早记录的公害事件。1943年洛杉矶光化

2、学烟雾事件夏季，美国西海岸的洛杉矶市。该市250万辆汽车每天燃烧掉1100吨汽油。汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学反应，形成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这种污染为光化学烟雾。1955年和1970年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。,1948年多诺拉烟雾事件10月下旬，美国的宾夕法尼亚州多诺拉城有许多大型炼铁厂、炼锌厂和硫酸厂。1948年10月26日清晨，大雾弥漫，受反气旋和逆温控制，工厂排出的有害气体扩散不出去，全城14000人中有6000人眼痛、喉咙痛、头痛胸闷、呕吐、腹泻。

3、17人死亡。1952年伦敦烟雾事件自1952年以来，伦敦发生过12次大的烟雾事件。1952年12月那一次，5天内就有4000人死亡。祸首是燃煤排放的粉尘和二氧化硫。烟雾逼迫所有飞机停飞，汽车白天开灯行驶，行人走路都困难。烟雾事件使呼吸道疾病患者猛增，5天内有4000多人死亡，两个月内又有8000多人死去。19531956年水俣病事件日本熊本县水俣镇一家氮肥公司排放的废水中含有汞，这些废水排入海湾后经过某些生物的转化，形成甲基汞。这些汞在海水、底泥和鱼类中富集，又经过食物链使人中毒。当时，最先发病的是爱吃鱼的猫。中毒后的猫发疯痉挛，纷纷跳海自杀。没有几年，水俣地区连猫的踪影都不见了。1956年，

4、出现了与猫的症状相似的病人。因为开始病因不清，所以用当地地名命名。1991年，日本环境厅公布的中毒病人仍有2248人，其中1004人死亡。,19551972年骨痛病事件镉是人体不需要的元素。日本富山县的一些铅锌矿在采矿和冶炼中排放废水，废水在河流中积累了重金属“镉”。人长期饮用这样的河水，食用浇灌含镉河水生产的稻谷，就会得“骨痛病”。病人骨骼严重畸形、剧痛，身长缩短，骨脆易折。1968年日本米糠油事件先是几十万只鸡吃了有毒饲料后死亡。人们没深究毒的来源，继而在北九州一带有13000多人受害。这些鸡和人都是吃了含有多氯联苯的米糠油而遭难的。病人开始眼皮发肿，手掌出汗，全身起红疙瘩，接着肝功能下降

5、，全身肌肉疼痛，咳嗽不止。这次事件曾使整个西日本陷入恐慌中。1984年印度博帕尔事件12月3日，美国联合碳化公司在印度博帕尔市的农药厂因管理混乱，操作不当，致使地下储罐内剧毒的甲基异氰酸脂因压力升高而爆炸外泄。45吨毒气形成一股浓密的烟雾，以每小时5000米的速度袭击了博帕尔市区。死亡近两万人，受害20多万人，5万人失明，孕妇流产或产下死婴，受害面积40平方公里，数千头牲畜被毒死。,1986年切尔诺贝利核泄漏事件4月26日，位于乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站，由于管理不善和操作失误，4号反应堆爆炸起火，致使大量放射性物质泄漏。西欧各国及世界大部分地区都测到了核电站泄漏出的放射性物质。31人死

6、亡，237人受到严重放射性伤害。而且在20年内，还将有3万人可能因此患上癌症。基辅市和基辅州的中小学生全被疏散到海滨，核电站周围的庄稼全被掩埋，少收2000万吨粮食，距电站7公里内的树木全部死亡，此后半个世纪内，10公里内不能耕作放牧，100公里内不能生产牛奶这次核污染飘尘给邻国也带来严重灾难。这是世界上最严重的一次核污染。1986年剧毒物污染莱茵河事件11月1日，瑞士巴塞尔市桑多兹化工厂仓库失火，近30吨剧毒的硫化物、磷化物与含有水银的化工产品随灭火剂和水流入莱茵河。顺流而下150公里内，60多万条鱼被毒死，500公里以内河岸两侧的井水不能饮用，靠近河边的自来水厂关闭，啤酒厂停产。有毒物沉积

7、在河底，将使莱茵河因此而“死亡”20年。,环境材料的概念、一些构思,环境材料,什么是环境材料？,90年代初，山本良一(Yamamoto)首先提出了环境材料的概念，兴起了全球性的环境材料研究、开发和应用热潮，并成为材料科学与工程的最新发展方向之一。环境材料对资源和能源消耗最少对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和特别优异的环境协调性直接具有净化环境、修复环境能力,根据这一概念，材料科学与工程工作者必须转变观念，强化环境意识，在研究、设计、制备材料和使用、废弃材料时，不片面追求最大限度地发挥材料的性能或功能而忽视环境问题；在尽量满足用户对材料性能的要求的同时，应尽可能

8、节约资源和能源，尽可能减少对环境的污染；充分重视材料在整个使用寿命周期中与环境的协调性，并将其做为重要评价指标。,天然矿物是一类资源丰富、价格低廉、对能源消耗最少、与环境协调性最佳的材料。一些天然矿物还具有净化环境和修复环境的功能，是理想的环境材料。如沸石、硅藻土、海泡石、坡缕石、蒙脱石、麦饭石等许多具有选择性吸附、过滤性能的矿物已被广泛应用于工农业生产和环境治理。以蒙脱石、沸石等层状、多孔状矿物研制的抗菌涂料已用于医院的消毒材料。铁的硫化物矿物处理重金属污染物,工业固体废物的利用,固体废物主要是指工业生产和城市居民日常生活排弃的废弃物。工业固体废物系工业生产、加工及矿石采、选，交通运输等行业

9、以及环境治理过程中所丢弃的固体、半固体物质的总称。主要包括各类炉渣、煤矸石、粉煤灰、赤泥、水泥窑灰、废石、尾矿等。为了便于环境管理，国际上也将容器盛装的易燃、易爆、有毒、有腐蚀等具有危险性的废液、废气，从法律角度上定为固体废物，执行固体废物管理法规，划入固体废物管理范畴。,据不完全统计，我国仅煤炭、冶金、电力、化工等工业行业一年即产生5.6亿t固体废物。其中煤矸石约为1.35亿t，粉煤灰6000万t，锅炉渣约8000万t，约占我国工业固体废物量的50%。年利用率只占当年排放量的1/4左右，其中70%用于建筑材料。据预测，到2000年工业固体废物的年产生量将达到9.8亿t。工业废物如不妥善处理，

10、不仅大量占用农田，而且长期堆积，废物中的有害物质随雨水渗入地层，造成大面积土壤污染和水体污染。此外，废物如堆置不当还会造成很大的灾害，如尾矿或粉煤灰库冲决泛滥，淹没村庄、农田，泥石流中断公路、铁路、堵塞河道等灾害。有的废物随风飘扬，形成二次污染。有些地区的煤矸石因含硫量高而自燃，像火焰山一样散发出大量的二氧化硫。化工和石油化工等工业的许多固体废物散发毒气、臭气，成为污染大气的主要污染源之一。,“废物”是一个相对概念，在某一条件下为废物，在另一条件下却可能成为宝贵的原料,工业固体废物数量巨大、分布面广，多数是常年均衡排放，可做为稳定供应的原材料加以利用。固体废物大都具有某些工业原材料所具有的一些

11、化学、物理特性，比废水、废气更易于收集、运输、加工，大多可以进行再利用，具有巨大的资源潜力。许多国家主张将固体废物作为“二次资源”。,冶金渣,炼铁、炼钢和有色金属冶炼过程中排放出来的废渣称为冶金渣。主要包括高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣等。高炉矿渣是高炉冶炼生铁时排出的废渣，一般每炼1t生铁将产生300900kg矿渣。高炉渣多孔，玻璃相含量高，化学成分与普通硅酸盐水泥相似，主要为CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO等，特种生铁渣中还有TiO2、V2O5等。高炉渣大部分用于生产矿渣水泥，少部分用来生产矿渣砖、矿渣玻璃、矿渣铸石、矿渣棉、膨胀矿渣珠、混凝土骨料及铺设道路等。钢渣是炼钢

12、过程中排出的废渣，包括平炉钢渣、转炉钢渣和电炉钢渣等。一般每生产1t钢，产生200300kg的钢渣。钢渣的化学成分以CaO、SiO2为主，其次为Al2O3、Fe2O3、P2O5，有时含TiO2、V2O5等，矿物成分主要为钙镁橄榄石、蔷薇辉石、硅酸二钙、硅酸三钙和铁酸钙等。钢渣有多种用途，可以返回供烧结、炼铁或炼钢之用，也可用于公路路基、水泥、铁路道碴、沥青拌和料和农肥等，但因成分复杂，不稳定，应用问题尚待进一步解决。,有色金属渣包括铜渣、铅渣、锡渣、锌渣、镍渣、钴渣、赤泥等。其化学成分与原料成分和冶炼方法有关。目前只有少量铜渣、赤泥等用于生产水泥、矿渣棉、陶瓷、铸石、农肥和路基材料等。,煤渣和

13、粉煤灰,煤渣和粉煤灰是煤燃烧后的废弃物。经收尘器或废气管道从烟气中收集的细灰称粉煤灰(或飞灰，FlyAsh)；由炉底排出的废渣称为炉渣或熔渣。我国煤炭产量的30%用于发电，每一万千瓦发电机组排灰渣量约0.91万t。随着电力建设的高速发展，粉煤灰及炉底渣急剧增加，目前全国粉煤灰积存量已超过5亿t，占地18万亩，当年利用率只有1/4左右。,粉煤灰,粉煤灰是一种火山灰质材料，主要化学成分为SiO2和Al2O3，分别占40%60%和19%35%，其次含4%20%的Fe2O3，物相以空心球玻璃为主，占50%，含较多莫来石、石英及少量赤铁矿、磁铁矿。粉煤灰本身没有或略有水硬胶凝性能，在有水分存在，特别是在

14、水热处理(蒸汽养护)条件下，能与氢氧化钙和碱土氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物。粉煤灰含有较高的残留碳，生产烧结材料可节约能源，所以可大量用于生产水泥、粉煤灰砖、建筑砌块、轻质混凝土等多种建筑材料。回收空心微珠、漂珠-具有高强、耐磨、耐高温、绝缘等特性的一种质优价廉用途广的高效能材料，可用作塑料、涂料、油漆的填料，可作保温、防火及耐热材料等。粉煤灰中的炭粉可做活性炭可做农肥、改良土壤、生产分子筛,粉煤灰的SEM,粉煤灰的SEM,一些固体废物再生利用产品,用粉煤灰建成的居民楼,水泥窑灰,从烟道沉降室或除尘器中收集的水泥窑飞灰。窑灰产生量约为水泥熟料量的10%20%。中等规模的水

15、泥厂，每天可收集数百t。化学成分介于水泥生料和熟料之间，CaO含量很高，占50%以上，其次为SiO2、Al2O3和Fe2O3，含有较高的游离CaO和SO3，除少部分可回用于水泥生产外，因其具有较高的活性，可代替石灰等用作胶凝材料，生产灰砂砖、配制混凝土等。还可用于制钾肥，做饲料，做为铺筑公路底层的稳定混合物。,煤矸石,煤矸石是成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比较坚硬的黑色岩石，也是煤矿开采中产生的废渣。包括掘进时产生的矸石和洗煤过程中排出的洗矸石。一般每采1t原煤排矸石0.2t左右，包括掘进矸石时，平均排矸石1t。我国历年积存的煤矸石已超过13亿t，占地5万亩，而且仍在继续增加。成分与粘土相似，含碳量较高的煤矸石可做燃料；含碳量较低