luo-生态环境材料-chp4

1、,第四章材料和产品的生态设计,什么是可持续发展？材料产业如何实现可持续发展？工业生态学材料流分析材料生产的资源效率材料的生态设计,材料/产品的可持续发展,可持续发展,1972.6.5Stockholm联合国人类环境研讨会界定人类在缔造一个健康和富生机的环境上所享有的权利,(sustainabledevelopment),1987.4.27世界环境与发展委员会GroHarlemBrundtland发表了一份题为我们共同的未来的报告，提出了“可持续发展”的战略思想，确定了“可持续发展”的概念。,“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展。”,1992.6.3联合国环境与发展大会

2、官方对可持续发展讨论的一个高峰大会通过了里约热内卢环境与发展宣言以及二十一世纪议程,(sustainabledevelopment),材料/产品的可持续发展,材料/产品,可持续发展,原料,工艺,资源、材料流,LCA、指标、标准、数据库,评价,产品,污染控制、治理和修复，清洁生产，再利用，再循环,生态设计，绿色材料、环境降解材料、环境协调材料、环境工程材料,影响材料/产品可持续发展的一些因素,材料/产品的可持续发展,开发新材料、新产品提高资源效率、减少污染排放政策、法律法规，ISO14000国际环境管理标准体系,现代设计的内容及目标示意图,什么是生态？,源于古希腊字，意思是指“家”(house)

3、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。1869，德国生物学家ErnstHaeckel最早提出生态学的概念，它是研究动植物及其环境间、动物与植物之间及其对生态系统的影响的一门学科。,（Eco-）,人,自然,社会,材料,第一节生态设计的概念,工业生态学原理,1989年9月美国通用公司的研究部副总裁RobertFrosch和负责发动机研究的NicolasGallopoulos在科学美国人杂志上发表题为可持续工业发展战略的文章正式提出了工业生态学的概念工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来看待，认为工业系统中的物质、能源和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关

4、系，而是可以像在自然生态系统中那样循环运行，它们之间相互依赖、相互作用、相互影响，形成复杂的、相互连接的网络系统。工业生态学是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程、组织管理体制以及生产、消费、调控行为的动力学机制、控制论方法及其与生命支持系统相互关系的系统科学。,工业生态学通过“供给链网”分析（类似食物链网）和物料平衡核算等方法分析系统结构变化，进行功能模拟和分析产业流（输入流、产出流）来研究工业生态系统的代谢机理和控制方法。工业生态学的思想包含了“从摇篮到坟墓”的全过程管理系统观，即在产品的整个生命周期内不应对环境和生态系统造成危害，产品生命周期包括原材料采掘、原材料生产、

5、产品制造、产品使用以及产品用后处理。系统分析是产业生态学的核心方法，在此基础上发展起来的工业代谢分析和生命周期评价是目前工业生态学中普遍使用的有效方法。工业生态学以生态学的理论观点考察工业代谢过程，亦即从取自环境到返回环境的物质转化全过程，研究工业活动和生态环境的相互关系，以研究调整、改进当前工业生态链结构的原则和方法，建立新的物质闭路循环，使工业生态系统与生物圈兼容并持久生存下去。,工业生态系统（一级）,无限的资源,无限的废物,一级生态系统,工业生态系统,工业生态系统（二级）,有限的资源,有限的废物,二级生态系统,工业生态系统,工业生态系统（三级）,能源,三级生态系统,工业生态系统,工业生态

6、系统（理想）,能源,理想生态系统,工业生态系统,服务,材料,制造,废弃,消费,什么是生态设计,生态设计(GreenDesign)，也称环境设计（DesignforEnvironment）、环境意识设计与制造（Environmentally-ConsciousDesignandManufacturing）、生命周期设计（LifeCycleDesign）、绿色设计（GreenDesign），是20世纪80末出现的一股国际设计潮流。它反映了人们对于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师道德和社会责任心的回归。,生态设计的概念,广义概念：指任何与生态过程相协调，尽量使其对环境的破

7、坏影响达到最小的设计形式。这种协调意味着设计尊重生物多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有帮助改善人居环境及生态系统的健康。这种生态设计不仅涉及产品，还包括原材料、生产过程、产业系统、景观和建筑等。狭义概念：是指“环境因素”决定设计决策的方向，即环境与产品开发中其它因素（如利润、功能、美观等）一样同等重要，甚至更重要。这个概念强调了产品的生态设计。,生态设计的基本思想,将粗放型生产、消费系统变成集约型生产、消费系统，设计时于产品的孕育阶段就开始自觉地运用生态学原理，使产品生产进行物质合理转换和能量合理流动，使产品生命周期的每个环节结合成有机的整体。,为

8、什么要进行生态设计,被动的末端治理难度大、成本高不能从根本上消除污染，可能导致二次污染主动的源头控制在生产技术的设计阶段考虑到环境的因素发达国家的实践表明，生态设计可减少30%50%的环境负荷,生态设计并不是一种特定的方法或工具，而是一种思维和分析的方式，它不是一个独立的行为，而是整体产品设计过程中的一个部分。从源头设计阶段寻求产品环境问题的解决方案，进而改进产品的设计或重新设计产品，减少并预防环境影响的出现。,生态设计的原则,系统分析方法：需要系统考虑和分析产业生态系统、自然生态系统与人类需求之间的关系。生命周期角度：只有综合考虑产品生命周期过程的影响，多级使用资源和能源，才能降低产品生产和

9、消费过程的环境影响，使其与地球的环境承载力一致。多要素分析：生态设计必须必须同时考虑成本、环境影响和性能等主要因素。,Cost,Impact,Performance,Lifecycle,运输成本制造成本间接成本,材料消耗能耗CO2排放量酸雨,比强度耐腐蚀性安全寿命便利与否施工难易回收件,产品价值P/C环境效益P/I产品综合价值?,产品综合价值指标,Performance,Impact,Cost,相关者协作：生态设计是基于产品生命周期链的设计方法，在设计过程中，需要各利益相关者共同参与及协作，这些利益相关者包括：生产者、供应商、消费者、废弃物管理者、资源回收者及政策制订者。生态设计的原则和方法不

10、但适用于新材料和新产品的开发，也适用于传统材料和传统产品的改进设计。,生态设计的思路,低物质化指在产业生产过程中，减少物料消耗和降低能量强度的现象，从更广的意义上，低物质化是指提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少物质的量。低物质化应从产品生命周期考虑。比如：借助于网络实现无纸化办公、交易等。,功能经济“一种产品代表的是向消费者提供特定功能的一种手段”。即产品不是目的，而是服务手段，实际上消费者关系不是产品，而是产品所提供的功能。这意味着可以引导消费者把其注意力从关注产品的特征转向关注服务的特征，从而寻求产业生态化的机会和可能。当把产品看成是向最终用户提供的某种功能时，资源的使用量和废物排放

11、量将会大大减少，即人们通过服务来代替那些消耗大量物质和能量的活动时，可以减少对单位生活质量不利的环境影响。比如，当人们不买汽车这种产品本身，而只买汽车运送乘客和物品的功能时，汽车制造商将会想方设法延长汽车的使用寿命，并且提高废旧汽车的回收价值，从而减少资源消耗和废物排放。,物质替代减少物质使用的一个办法是完全使用新的物质替代旧的物质，新的物质应该具有耐用、在获取和加工过程中产生的废物少等特性。如：聚合材料代替钢材光纤代替铜质线用萜(一种植物清洗剂)代替氟利昂(氯氟烃,CFCs),生态设计的四阶段模型Step1：从防止污染和考虑环境的观点出发，逐步进行改善。例如，建立轮胎回收系统，原材料的变更，

12、制冷剂的变更等。Step2：零部件的变更、无毒物质的使用，提高再生循环率，改善拆卸性，零部件的再利用，生命周期里的能源使用量的最小化等。,Step3：不断革新产品功能的方法，从用纸交流信息变更为采用E-mail，从拥有自家车变为租车使用系统。Step4：追求结构和组织的变更，如向农业工厂为的粮食生产转变，根据信息技术来改变组织、运输和劳动,生态设计发展方案(H.Brezet荷),生态设计的方法,系统设计生态设计要求设计人员在产品开发设计过程中要有系统的观点，充分掌握设计的全盘性，相互联系及制约的细节。其设计思想是整体性、综合性和最优化。其设计思想是整体性、综合性和最优化。其特点是采用物料和功能

13、循环的思想，扩大了产品的寿命周朗，有利于维护生态系统平衡，提高资源效率减少废弃物数量及处理成本。,模块化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能不同规格的产品进行分析划分并设计出一系列功能模块。通过模块的选择和组合可以组装成不同产品，以满足市场需求。同时，摸块化没计也有利于产品使用后的拆卸，继续利用一些可用的模块。其特点典型地体现在拆卸技术和回收技术等方面，目前，摸块化设计已广泛应用于汽车、家电、计算机、复印机以及许多工业机器行业。,长寿命设计（LCA评价）按照LCA理论，产品的寿命越长，其环境负担性越小。因此，长寿命设计目前在工业产品设计中也比较流行。特别是对一些影响到人身安全的产品，长寿命设

14、计更是苜选的设计原则，以确保产品能够长周期安全地使用。,生态设计就是设计+LCA生态设计的目标是降低每个过程综合环境负载指标和降低总影响评估值。,调查各个生命阶段资源、能源消耗量和排放量清单分析。掌握消耗量和排放量（环境负载）最大生命阶段。掌握影响评估的各类目之间负载量相对大的类目。根据环境负载的空间规模（地球规模或地域规模等）考虑权重系数。将环境负载的时间非可逆性纳入权重系数。根据产品销售、使用地区有关政策、法规，决定重点降低的环境负载。根据总影响评估权重的总和，提出材料、产品环境质量改进方向分析和新产品设计方案。,再生设计,把生态设计的思想始终贯穿在从开采开始，到材料的冶炼、加工、使用、废

15、弃，一直到再生利用等诸多环节，使材料的服务性能和环境性能相协调。废弃物的直接再利用（一次）例如：建筑物拆卸时的砖瓦零部件的回收再利用（模块设计）例如：施乐复印机公司的“再造”战略废弃物作为原料再利用（二次）生产过程中能源回收再利用（能率）,从资源、能源合理利用材料组成制备工艺使用性能生态平衡（环境保护、材料循环再生）的总体上优化设计按指定的生态调和性、物化性能和功能性设计新材料，并按要求设计最佳的制备和加工方法,生态设计的目标,材料生态设计包括面向制造环境负载低的设计、材料可循环再生设计等，设计的准则和基本概念是相同的，以应用分类的材料设计长期以来科学工作者研制材料一直着重于追求材料的性能、功

16、能、特性及其社会价值或用途。制备新材料方法仍然是通过变换多种配方和工艺，获取无数个样品，分析其成分和结构，并检测其性能,生态设计从原材料的选择与制造、装配、销售、使用、维修、报废整个生命周期的各个阶段进行分析和生命周期成本评估。产品设计总的要求是统一化、简化、省能、协调化，使产品低熵化，缩小不可逆过程，改进无序状态。,生态设计的具体方法,1、选择对环境影响小的原材料采用易再循环材料，不采用难于回收或无法回收的材料尽量避免使用或减少使用有害、有毒、危险的原材料选择丰富、容易得到的原材料。优先选择天然材料代替合成材料。减量化，尽可能减少材料使用量，节省资源。统一化，尽可能采用同一种材料，使产品使用

17、后容易处理。,组合化，尽可能采用即使混合也不能妨碍再资源化的材料组合。标准化，尽量采用标准结构，便于更换更新，延长产品的使用寿命。尽可能从循环再生中获取的所需原材料，特别是利用固体废弃物作为原材料。选择能耗低的原材料，使用量大的原材料尽可能就地取材，避免远途运输，以降低能耗和成本。,2、部件少量化（积木化），使再利用或循环处理容易。标准化、规格化，有利于维修、更换、回收再利用。长寿命化，尤其是易损部件的长寿命化可提高产品的整体寿命。连接简化，采用容易拆卸的连接方法。重复利用化，经过翻修可达到原设计要求而再次使用。,3、产品部件协调化，再利用、再资源化时容易拆卸，同时减少使用工具、减少接合处。易

18、分离、解体。易破碎、筛选、焚烧、最终处理等。焚烧可防止二次污染。易搬运、输送。例如大型产品容易分离拆卸的结构,材料的标志化。便于分类处理、便于处理方法选择。易维修，延长使用寿命。情报的公开化。符合法律法规和有关标准。,现有材料生态化的再设计是以降低资源、能源消耗，降低环境负载，通过环境标志标准等为主要目的的设计。新型生态材料的生态设计目前尚处于研究发展阶段，还缺乏充分的数据和知识，需要有材料的组成、结构及加工方法与材料环境负载的内在规律数据的积累。,生态设计的类型,第二节材料的生态设计,保证材料在使用时所必须具备的使用性能的前提下，尽可能地延长材料及相关制品寿命是环境材料研究的另一个重要方面。

19、消费品的长寿命化是减轻环境负荷的重要手段。材料的再生循环是为了将有限的资源在尽可能长时间内有效利用的一种手段。为了将资源长期、充分地使用，不仅可通过提高材料的再生循环性，也可以通过延长材料寿命得以实现。从发电设备和化学设备等大规模的设施到汽车和家电产品等大量耐用消费品的长寿命化，对于减轻环境负荷都有很大的贡献。延长材料使用寿命、实行减量化是解决环境问题的重要手段，把握好延长寿命与再生利用设计之间的度，二者不可偏废。,金属材料的生态设计,易于循环再生减少合金元素而保持高性能；不使用环境协调性不好的合金元素；不使用循环再生过程中难以除去的元素。,通用合金从提高金属材料的再生循环性这一观点来看，金属

20、制品的全部部件由单一合金体系制造是最理想的，而且所用合金元素的种类越少，再生循环时就越容易对过程进行有效控制。从这个角度考虑，通用合金就是新思维。即是合金种类最少，而且能满足多种用途要求的标准体系合金。能够满足通用特性(比如部件对强度和韧度、耐磨性、耐蚀性等具体性能要求的不同进行分类)的合金系，即在同一合金系中仅变化成分配比而制得(通用合金)。这样，在再生循环时，废料的品位一致，避免了由于杂质混入而造成的成分变化。所以通用合金即易于再生循环，成分变化对材料特性影响明显的合金系。,通用合金,能够满足对材料要求的通用特性，如耐热性、耐腐蚀性和高强度等，合金在具体用途中的性能要求可通过调整合金成分配

21、比来达到。合金系中组元越少，合金的再生循环性能越好超级通用合金,主要的几种通用合金系,Fe-Cr-Ni钢合金化对钢铁材料性能带来的巨大改变莫过于Cr的介入，以及随后其他固溶元素的介入，包括易控制元素如钒的添加，从而形成了由有限的元素构成、通过改变其配比可在更大范围内改变其性能的合金系。如Fe-Ni-Cr系：通过改变Fe，Ni，Cr的相对含量（当然包括C），可得到铁素体钢到不锈钢等一系列钢种，这些钢的组织及性能可以在很大范围内发生变化，可适应许多场合。,从上述概念来讲，传统的Fe-C合金系列就是很好的通用合金。Fe-C系碳钢系列有：结构钢：（从低碳到高碳系列）10，20,30,40,45弹簧钢：

22、70工模具钢：T7,T8T12A在再生循环时，充其量只是不同碳含量的钢材混在一起，按冶金技术，对含碳量的控制是轻而易举的，从而又可得到不同用途的钢。即便存在Si-Mn-S-P等这些常规元素，现代冶金原理也不难调整其成分。,Ti合金改变Ti、Al、V的相对含量，可使合金组织与性能发生很大变化新型结构材料，优异的综合性能，如密度小、比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为550C，预期可达700C。,主要的几种通用合金系,第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金。耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀

23、性和生物相容性方面均达到较好水平；Ti-6Al-4V合金使用量已占全部钛合金的7585%。许多其它合金可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。高温合金Ti3Al、TiAl、Al3Ti渴望耐温达900,简单合金,概念：组元组成简单的合金系。研制简单合金需要遵循的2个原则：在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；控制显微组织作为加入合金元素的替代方法（省合金化设计或最小合金化法）；简单的组成和类似的化学成分能够保证在回收的废钢中有大致相同的成分。主要用途是代替大量消费的金属结构材料。,双相钢（FM，铁素体马氏体）合金成分比较简单，易于再生利用；F与M两种不同的组织交替共存，改善了材料性能；屈

24、强比低、加工硬化能力强、冷变形性能好，无屈服点；强度高，成型性能好的新型冲压用钢,简单合金的设计原则可再生循环设计在合金学中，通过添加合金元素的配比、晶粒度等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。但在再生循环时，组成复杂，分选与分离就困难。简单组成有以下含意:使合金规格简单化，容易分选;原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。所有的合金最终都要成为可再生循环设计的对象。这是因为考虑到对环境影响的大小，及其直接效应的大小，大量消费或大量生产的材料具有组成本来就不复杂的优点。所以，首先应该将大量消费的材料作为目标（目前虽然有许多成分复杂的新材料，但因用量少，未成影响环境的祸首）。但是，环境材料也强调

25、：单纯赋予材料以再生循环性还不能生产出支撑现代发达技术的材料，必须同时充分满足高强度、高可靠性、舒适性等方面的要求。另外，对于脱除元素的收集和再生循环利用也应在考虑之列。,简单合金,低合金钢,Fe-C-Si-Mn系低合金钢Fe-0.15C-0.8Si-1.5MnSCIFER钢（日本神户钢铁公司）通过形变强化可达到5GPa的极高强度，同时保持4的伸长率,Fe-0.16C-0.41Si-1.53Mn合金应力应变曲线F铁素体；B贝氏体；M马氏体；P珠光体,长寿命金属材料,发电设备、化工设备、发动机等高温下蠕变断裂日本STX21计划中。专门开发了一种长寿命的耐热钢，在650摄氏度下承受35MPa压力，

26、寿命提高一倍。在高铬钢中加入w，抑制碳化物的聚集长大。,无铅钎焊合金,环境协调性不好的合金化元素蕴藏量不大的枯竭性元素有较大毒害作用的元素。,结论：Sn-Ag系合金最有希望成为环境协调性钎焊合金。,不太受资源制约的先进陶瓷陶瓷是地球表面含量丰富的硅、铝、镁等元素的氧化物、碳化物、氮化物，是受资源制约小的高克拉克指数(ClarkNumber地壳中元素丰度)材料。与金属、高分子相比的陶瓷，化学性质很稳定，即使在高温和腐蚀极限环境中也可以保证部件的长寿命。陶瓷具有高强度、高硬度、高熔点等特点，作为耐热结构材料被广泛利用。例如，燃烧气体温度在1000C以下的汽车涡轮充电器，用氮化硅制作的部件在80年代

27、中期就已应用。还有，汽车发动机，发电用陶瓷燃气轮机等的研究开发正在向着实用化方向努力。主要部件用SiC、Si3N4制造的、燃烧温度1350C级的陶瓷燃气轮机热效率可达42%。但是，由于发电站及飞机的燃气轮机的热效率随燃烧温度的上升而提高，因此，今后必然会从实现燃烧温度1500C级的燃气轮机或燃烧温度达2000C的燃氢发动机，进行超高温材料为目标的开发。,先进陶瓷材料的长寿命化,无机非金属材料的生态设计,将陶瓷作为高温发动机部件的尝试以欧美70年代的研究计划为开端，自此之后，陶瓷材料的性能也确实得到了提高。氧化物系陶瓷室温强度超过了2000MPa，氮化硅的临界使用温度以1200C为目标，但近年已

28、开发出了耐热温度高达1400C的材料。碳化硅到1600C时高温强度不降低，但到2000C附近，非氧化物陶瓷达到其抗氧化性的临界点，因此，需要采用氧化物系陶瓷。以高温结构陶瓷长寿命为目标的材料设计，其第一阶段是搞清控制材料性能的因素。影响陶瓷机械性能的三大因素:,1)抗氧化性;2)晶界滑移和气孔;3)断裂韧性。,提高断裂韧性未来陶瓷材料的开发方向，可从过去50年耐热合金开发的历史中得到启示。在普通的铸造合金中，很难避免多晶晶界和空洞导致的高温强度下降。为了减少有害的晶界，开发了用定向结晶控制合金和单晶合金制造的高温合金材料。如果陶瓷也能制造出单晶部件，一定会发挥出更优异的高温特性。然而，陶瓷单晶

29、在室温时承受解理断裂破坏的能力弱是一个问题。作为工业材料的结构陶瓷，其最大的课题是提高室温断裂韧性。与陶瓷同样存在脆性问题的金属间化合物，通过添加微量元素控制晶界的电子结构以克服晶界脆性，改善其室温延性。作为陶瓷弱点的解理脆性，其本质源于原子间的结合，正因如此，解决起来更加困难。,提高陶瓷韧性的实际方法是通过控制多晶体的界面结合力以追求强韧性，为此所采取的微结构控制技术可例举如下:1)自生ln-Site复合材料;2)长纤维强化复合材料;3)纳米复合材料。使长柱状-氮化硅晶粒在氮化硅基体中长大的自生复合材料，其强度和断裂韧性都比原来的材料成倍增加。作为进一步提高韧性的途径，长纤维强化复合材料是很

30、有希望的。人们期待开发出以氮化硅、碳化硅为基体的、性能更加优异的长纤维强化复合材料。,陶瓷耐热涂层材料的开发近来，人类消费的能量日益增加，大量消费有限的地球资源带来了温室效应等现实的地球环境问题。作为解决这个问题的一个方向，人们尝试通过开发耐热材料等途径实现机器的长寿命和高性能化，以谋求节省能源、节省资源。随着能源产业、宇航产业等领域日趋高温化的趋势，从耐热性、耐高温腐蚀性、耐高温摩擦性等方面，对开发新型耐热材料提出了更为迫切的要求。作为结构材料所要求的主要性能有强度、弹性、断裂韧性等，从有效利用能源的角度考虑，还要求优异的耐热性能。,建材可持续发展节能；降耗；环保；性能面临的问题：矿产资源消

31、耗大能源消耗高环境污染,建筑材料的生态设计,建筑材料调查搜集资料,随着当今时代科学技术的进步经济的发展，建筑材料的种类越来越广泛，新型建筑材料逐渐被开发。新型的建筑材料包括的范围很广，有保温材料、隔热材料、高强度材料、会呼吸的材料等都属于新型材料。,原料制造阶段,建材原料高度依赖不可再生资源；大部分来自不可再生天然矿物原料小部分来自工业固体废弃物加工技术落后，综合利用率低；一方面加剧资源短缺另一方面产生大量废弃物不合理开采和浪费。消耗矿产、土地资源，资源枯竭，尾矿，废弃物，粉尘，噪声，等。,我国可开采利用的石灰石矿250亿吨，水泥工业每年消耗6亿吨,我国年产6000亿块粘土砖，消耗粘土12亿立

32、方米，毁坏农田10万亩,河北省隆化县韩麻营镇铁尾矿正在蚕食“京津风沙源工程区”内的防沙林,无节制开采导致大面积林地塌陷,包头公益明铁矿区尾矿库,北京怀柔铁矿区尾矿库,天一亮，车出矿，十里山沟白茫茫,开采前具有原始森林风采,开采后矿场一角已变成“沙漠”,河北省迁西县龙湾村铁矿区,生产阶段,生产能耗高；大部分建材工业是高温工业，煤、电我国建材生产能耗高于国外同类产品10%-200%污染环境；废水废气：CO2、SO2、H2S、NOx、CO等固体废弃物：废料、废渣、粉尘、污泥危害人体健康。水泥生产：粉尘、NOx、CO、铬、铅玻璃生产：铅、砷、矾、SO2、CO、HF陶瓷生产：SO2、NOx、氟化物固体废

33、弃物,使用阶段,能耗室内温度调节，空调、暖气墙体材料保温隔热性能差我国住宅采暖能耗相当于发达国家的3倍环境污染室内污染：有害成分缓慢散发，如放射性物质，胶黏剂，涂料，游离甲醛，高分子材料老化噪声：墙体材料、门、窗的隔音性能噪光：外墙装饰,废弃物处理阶段,建筑垃圾，由建筑施工垃圾和建筑物拆除垃圾组成：废弃混凝土、建筑玻璃、陶瓷渣、金属、石棉、石膏、装饰装修中的塑料和化纤等；特点：不燃烧、不腐烂、难拆卸、难分类；影响：占用土地，污染环境。,建筑材料工业是造成资源过度消耗、能源短缺和环境污染的主要工业之一；资源消耗大、能源消耗高和环境污染是建筑材料工业可持续发展的主要障碍；建材产量持续增长与生态环境

34、的协调发展必须解决，绿色建材的研究与开发势在必行！,绿色建筑材料的定义和内涵,绿色：节能、降耗、环保、（高性能）绿色建筑的三个主题：减少对地球资源与环境的负荷和影响；创造健康、舒适的生活环境；与周围自然环境相融合。绿色建筑的定义：绿色建筑是指为人类提供一个健康、舒适的活动空间，同时最高效率地利用能源、最低限度地影响环境的建筑物。,建筑材料的绿色化是绿色建筑的基础。绿色建筑的材料选用原则：资源消耗-降低生产过程中天然和矿产资源的消耗；能源消耗-降低生产过程中能源的消耗；环境影响-降低生产过程中对环境的污染；本地化-减少运输过程中对环境的影响；旧材料利用率-鼓励使用可回收利用的旧建筑材料；室内环境

35、质量-选用对室内环境无污染、无害的材料。,绿色建材是生态环境材料的一个分支。生态环境材料：具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或能够改善环境的材料。环境协调性：资源能源消耗量少，对生态环境的影响小，再生循环率高。绿色建材的定义：采用清洁生产技术，不用或少用天然资源和能源，大量使用工农业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性，达到使用周期后可回收利用，有利于环境保护和人体健康的高性能建筑材料。包括四个环节：原料，生产，使用，废弃物处理；涉及四个主题：节能、降耗、环保、性能。,环境标志,是一种标在产品或其包装上的标签，是产品的“证明性商标”，它表明该产品不仅质量合格，而且在生产、使用和处

36、理过程中符合特定的环境保护要求，与同类产品相比，具有低毒少害、节约资源等环境优势。,型环境标志：自愿的、基于多准则的第三方认证计划；其对产品从设计生产、使用到废弃处理全程进行控制。型环境标志：对企业自我声明性质的环境行为给予认可的一种评定；企业可根据自身的产品特点，选择一个或多个方面作自我环境声明。型环境标志：是以设定的参数为依据，为消费者提供经第三方确认的信息。与型一样，侧重产品某一方面的环保因素的评价，直接反映企业的某项承诺。和型标志均被称为“绿色选择”标志，没有强制性。,TVOC是影响室内空气品质中三种污染中影响较为严重的一种。TVOC是指室温下饱和蒸气压超过了13332pa的有机物，其

37、沸点在50至250，在常温下可以蒸发的形式存在于空气中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。,贝壳粉贝壳粉是用精选优质的天然夏夷贝壳和牡蛎贝壳为原料加工而成的粉末。贝壳粉的主要成分为碳酸钙和少量的壳质素。蛋白质含量1.83%,粗脂肪为0.07%。含有铜、镁、钾、钼、磷、锰、铁、锌等多种微量元素。此外在贝壳的珍珠层中还含有多种氨基酸成分。贝壳粉主要广泛应用饲料添加剂、环保肥料、农作物、畜禽饲料、干燥剂、医药用钙、食品钙源添加剂、化妆品、改良土壤、饰品加工、高分子材料的填料以及室内装修的高档装修涂料等。,贝壳粉生物墙面漆是石灰类涂料，其化学工艺原理是将碳酸

38、钙脱碳成氧化钙加水制成涂料上墙干燥后吸收空气中二氧化碳气硬反应为碳酸钙涂膜层，实现无机材料的化学粘结。贝壳碳酸钙为类似于甲壳素的生物双螺旋体杆状构造具有更强的化学活性，不同于石灰团粒构造和化学惰性，由于发现并利用了这一特征为石灰类涂料改造升级扫除了主要障碍。,传统建筑涂料乳胶漆使用石油丙烯酸乳液作为基料粘结剂，需耗费大量不可再生的石油资源并带来污染和地球环境破坏。导致温室效应，气候变暖。贝壳粉涂料利用现代贝类养殖业可再生的有机固体废弃物贝壳垃圾/石灰/建筑胶水来生产并替代传统产品，摆脱石油资源消耗框架而改为主要依托种植、养殖业废弃物利用，主要成膜物质改为采用无机粘结剂来替代石油丙烯酸有机粘结剂

39、，转变了资源消耗方式，达到资源节约/环境友善效果，并使生产成本降至1/3以下，开创行业转向低碳、循环型经济新领域。,天然贝壳粉涂料的功能：一、吸附、分解（甲醛、苯、TVOC、氨气）的作用以及调节空气湿度等功能1、贝壳粉陶瓷液生物功能治理内墙装饰材料2、纯天然助剂：在棉芯、纸浆中提取，替代有挥发性有毒气体合成的人工胶合剂二、消除异味功能钙的化合物在生活中多用于除味剂，因此贝壳粉可以对室内烟味、婴幼儿，病人、宠物、霉菌所散发的气味以及室内杂味都具有有效的祛除作用，尤其对烟在室内所散发的一氧化碳和浮游粉尘量具有吸附作用。,三、抗菌、抑菌作用烧制的贝壳粉膜对大肠杆菌有极强的抗菌和杀菌作用，另外对沙门氏

40、菌、黄色葡萄糖菌也有显著效。不仅具有高性能的抗菌性，而且具有防腐、防扁虱的功能。四、防静电性能以天然的贝壳为原材料，其成分100为钙，因此具有很好的防静电性能。五、调节空气湿度独特的“水呼吸”功能贝壳粉自身为多孔结构，所以有良好的水呼吸功能，在低气压，高湿度状态下墙面不结露，而在干燥的情况下，可以将墙内储藏的水分缓缓释放。因此它的呼吸功能是室内湿度的调节剂，防止结露和微生物的产生，所以被誉为“会呼吸”的涂料。六、防火阻燃。,秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中，秸秆富含

41、氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源,秸秆也是一种粗饲料。,特点是粗纤维含量高（30%-40%），并含有木质素等。木质素虽然有营养，但是不能够为猪、鸡所利用，因此往往焚烧之。,秸秆板：以加工成一定尺寸和形状的植物秸秆和树脂类胶黏剂为原料，制作多种用途的秸秆板。具有如下特点：以植物秸秆作为原料，具有节能和环保的双重功能；具有使用寿命长、重量轻、机械性能高、节省材料、成本低、保温、隔音、耐火阻燃、无污染、无公害、安装简单等特点，并具有良好的防虫蛀、防水和防腐性能。可塑性很强，可代替木材及多种轻质建材，适合制作秸秆室内外墙板、各类装饰板、秸秆地板、秸秆楼梯、秸秆灯柱、高速

42、公路秸秆护栏、厨房防水防火台面、卫生间防水防火台面和墙体、住宅秸秆围栏、音乐厅和会议室吸音板、秸秆板、秸秆门、各类家具、包装材料、秸秆墙体、抗震型秸秆房屋等材料。,我国是一个农业大国，每年生产千亿吨农作物秸秆，每到收获季节，焚烧秸秆屡屡发生，已成为严重的社会公害，引起了各界领导和广大群众极大关注。政府虽然投入了巨大的人力和物力，但是杜绝秸秆焚烧还是不能取得令人满意的成绩。经过多年不懈努力与技术攻关，终于研制成功以农业生产中的秸秆、花生壳、稻壳和其他植物茎杆为原料，经粉碎加工制成不含甲醛的秸秆板材，集中了塑料和木材的优点，具有较强的抗水性能，防霉不易腐蚀，抗老化，还具有一定的绝缘性和阻燃性。秸秆

43、板材实现了产业化，实现年产八万、十万系列化国产秸秆人造化板材。检验结果证明，秸秆健康板材的所有物理历史性能，均可以达到国内外木质板材的要求。,秸秆板材研制成功向社会提供新型健康材料，由于生产这种板材不含甲醛，它可以对甲醛量有严格限制的场所提供合适的材料，比如我们用于儿童家具和厨房家具的制造，以及特殊场所的装修。由于秸秆原料售价，秸秆加工过程中的原料都比木材低，所以用秸秆做成的板材比用木材做成同类型的板材成本低。秸秆板材研制成功缓解了我国木材原料的供应不足，秸秆板材的研制成功，开创了一条用秸秆替代和部分替代木材原料的吸入，实现结果表明，单纯用秸秆做成秸秆板材，或者用秸秆和复合木材混合的板材都是可

44、行的。如果我们将全国秸秆总量10%用于生产人造板，就可以基本解决人造板生产木材的问题。,有机聚合物材料的生态设计,侧重点：废旧材料的再资源化有机聚合物材料生态设计材料的可再生循环设计,材料再生循环法,即在塑料功能丧失前，将废塑料作为原料多次再生循环使用（降级使用）石油原料聚乙烯电线绝缘体电线保护套管及型材汽车保险杠汽车保险杠,化学再生循环法,将回收塑料，通过水解或解聚，分解成原始材料的单体或低聚物作为原材料应用。日本电线综合研究中心将交联聚乙烯加热分解、分馏回收的技术；日本工业技术院开发出从费塑料中回收煤油和柴油成分的技术。,一、产品生态设计的定义,2005年7月6日，欧洲议会和欧盟理事会通过

45、了关于用能产品生态设计要求的第2005/32/EC号指令（下文简称用能产品生态设计指令或EUP指令），并要求成员国于2007年8月11日前使遵守该指令所需的国内法律、法规和行政规定生效。欧盟这一绿色指令的通过引起了全世界的关注，有学者认为它将引起设计领域的一场革命，国内企业特别是家电类出口企业的“神经”也因此而高度紧张。,第三节产品生态设计,产品设计是一个将人的某种目的或需要转换为一个具体的物理形式或工具的过程。传统产品设计理论与方法，是以人为中心，从满足人的需求和解决问题为出发点进行的，无视后续的产品生产及使用过程中的资源和能源的消耗以及向环境的排放。在传统的产品设计中，主要考虑的因子有:全

46、国市场消费需求、产品质量、成本、制造技术的可行性等技术和经济因子，而没有将生态环境因子作为产品开发设计的一个重要指标。,1.产品设计,传统的产品设计主要考虑市场需求、美观、成本利润、产品质量等因素，对环境因素关注较少，如一些传统工业生产只注重如何将产品快速廉价地生产出来并送到消费者手中，对于产品原料是否有毒、对消费者健康是否有害、产品是否节能、产品废弃后是否易于回收利用等根本未加考虑，这种设计也使我们对产品质量充满怀疑，消费后忐忑不安，对那些可能严重影响环境的产品在消费后更会有一种内疚与自责感。因此，传统设计正在引起一系列的问题，有学者甚至认为传统设计的缺陷正一点点侵蚀工业革命创造的文明。,产

47、品生态设计（eco-design）旨在改善产品在整个生命周期内的环境性能，降低其环境影响，实现从源头上预防污染的目的。产品生态设计系指将环境因素纳入设计之中，在产品生命周期的每一环节都考虑其可能带来的环境影响，通过设计改进，使产品的环境影响降为最低，最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统。产品生态设计即利用生态学的思想，在产品开发阶段综合考虑与产品相关的生态环境问题，设计出对环境友好的，又能满足人的需求的一种新的产品设计方法。（另外一种提法）,2.产品生态设计,产品生态设计基本理论基础是产业生态学中的工业代谢理论与生命周期评价。产品生命周期是指产品从原料到最终处置、连续的、环环相扣的各

48、个环节，包括原料的获取、制造、包装运输和配送、安装与维护、使用、用后废弃、处理与处置等阶段，对上述各个阶段的环境影响进行评估便是生命周期分析法，它是一种重要的环境分析方法。在具体实施上，就是将工业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入（能源与原材料）与产出（产品与废物）进行综合平衡。而在这一平衡过程中需要进行从“摇篮到坟墓”的整个寿命期的分析，即从最初的原材料的采掘到最终产品用后的处理。,产品生态设计运用生命周期分析法对产品生命周期各个阶段产生及可能产生的环境影响进行分析，在设计阶段寻求解决方案，进而改进产品的设计或重新设计产品，减少并预防环境影响的出现。因此，生态设计是一种重要的预防措

49、施，是我们在末端治理的环境对策失败后推行的预防策略的重要组成部分。,3.产品生态设计的特点,(1)从“以人为中心”的产品设计转向既考虑人的需求，又考虑生态系统安全的生态设计。(2)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如，成本、质量、技术可行性、经济有效性等进行综合考虑。(3)将产品的生态环境特性看做是提高产品市场竞争力的一个重要因素；在产品开发中考虑生态环境问题，并不是要完全忽略其他因子。因为产品的生态特性是包含在产品中的潜在特性，如果仅仅考虑生态因子，产品就很难进入市场，产品的潜在生态特性也就无法实现。,二、产品生态设计战略,产品的生态设计战略是生态设计的精髓，它从不同

50、的侧面提示在生态设计过程中所要考虑的问题，并提出解决问题的思路。生态设计的长期战略：从环境的角度考虑，生态设计的最终目标是要寻找到更加合理的、更具建设性的方案来长期地、持续地减少环境影响。这就需要开发新的设计理念来构筑生态设计的长期战略。非物质化产品共享功能的组合产品（组件）功能的优化,生态设计的中、短期战略：中、短期战略主要提供在生态设计中近期可以采用的改进方案。选择低影响的原材料减少原材料的使用优化生产技术优化销售系统减少使用期的影响优化产品寿命优化寿命终止系统,1.生态产品概念开发战略,产品生态设计战略首先应考虑的就是生态产品概念开发战略。,以非物质产品(如信息)或服务替代有形的产品,减

51、少生产商对有形产品的生产和使用，同时也减少消费者对有形产品的依赖。,提倡产品共享,提高产品的使用效率，降低原材料和能源的消耗，降低产品的运输成本。,以非物质产品(如信息)或服务替代有形的产品,提倡产品共享,提高产品的使用效率，降低原材料和能源的消耗，降低产品的运输成本。,2.易于清洁、维护和维修,产品生态设计应注意产品易于清洁、维护和维修以延长产品的使用寿命。生态设计要点：一是清楚标明产品如何打开以进行维护和维修；二是清楚标明产品的某一部件应以某种特殊的方式进行清洁或维护；三是应清楚标明产品中需要定期检查的部件；四是需要定期更换的部件应易于更换。,3.产品的模块化设计,产品的模块化设计可最大限度地提高产品的可更新性，以满足不断变化的用户需求。具体的策略：为产品预留升级空间，更新已过时或破损的部件；将易损件整合为可一次性替换的模块等。,4.尽量利用再循环原料及材料,生态产品设计的一个特点是尽可能利用再循环原料及材料，减少原材料在采掘和生产过程中的能耗，最大程度地减少资源消耗，降低成本，提高企业经济效益，保护生态环境。企业可以制定“回收”计划，对原材料或部件进行再循环。,5.致力于产品体积的最小化和质量的最轻化,产品生态设计应致力于产品体积的最小化和质量的最轻化，以减少原材料及能源的消耗。由于产品质量的减轻，使用的原材料减少，相应产生的废物也减少，同时产品运输过程的环境影响也减小。