環(huán)境材料第二章PPT演示文稿

1、1,第二章 材料產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境,人類與其生存環(huán)境之間存在著密切的關(guān)系，它們即相互依存，相互作用。 相互依存 人類 環(huán)境 相互作用 下面先簡要介紹一下有關(guān)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)知識,2,一、生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ),1.生態(tài)系統(tǒng) 在一定空間范圍內(nèi)，生物群落與其生存環(huán)境之間通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動所構(gòu)成的綜合體叫生態(tài)系統(tǒng)。 物質(zhì)循環(huán) 生物群落 生存環(huán)境 生態(tài)系統(tǒng) 能量流動 生態(tài)系統(tǒng)中有三大最基本、與環(huán)境關(guān)系密切的循環(huán) 1)水循環(huán) 2)碳循環(huán) 3)氮循環(huán),3,2.生態(tài)平衡 主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)平衡/、功能平衡、輸入和輸出物質(zhì)在數(shù)量上的平衡三個方面。 生態(tài)平衡如果失調(diào)，會導(dǎo)致生態(tài)危機(jī)，直接威脅到人類的生存和發(fā)展。 生態(tài)平衡可以恢

2、復(fù)。環(huán)境保護(hù)的基本任務(wù)是維持生態(tài)平衡、恢復(fù)生態(tài)平衡,4,二、環(huán)境質(zhì)量評價,主要有三種評價方式： 環(huán)境質(zhì)量回顧評價 環(huán)境質(zhì)量相撞評價 環(huán)境質(zhì)量影響評價 1:質(zhì)量現(xiàn)狀評價程序,確定評價對象明確目的 確定精度,污染源調(diào)查,環(huán)境調(diào)查監(jiān)制,環(huán)境效應(yīng)分析,環(huán)境質(zhì)量綜合評價,環(huán)境污染規(guī)律建立 數(shù)學(xué)模型,環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀 評價,5,2：質(zhì)量現(xiàn)狀評價的方法 調(diào)查法：進(jìn)行實地考察，評價出環(huán)境污染程度。 監(jiān)測法：對環(huán)境布點采樣，進(jìn)行分析測試，取得數(shù)據(jù)。 綜合分析法：收集環(huán)境污染現(xiàn)狀有關(guān)數(shù)據(jù) 根據(jù)評價目的，選取合適的評價標(biāo)準(zhǔn) 對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算并做出評價 主要評價方面有： 1）大氣環(huán)境質(zhì)量評價 2）水環(huán)境質(zhì)量評價 3）土

3、壤環(huán)境環(huán)境評價 4）整體環(huán)境質(zhì)量綜合評價,6,三、材料對生態(tài)環(huán)境的影響,眾所周知，材料的生產(chǎn)在原料開采、提取、制備、使用及廢棄過程中，不僅要將廢棄物排放到環(huán)境中，造成污染，而且消耗大量的資源。 能源消耗 材料的生產(chǎn)與使用 環(huán)境污染 1：材料在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用 材料既是一個獨立的領(lǐng)域，又與幾乎所有其他新興產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。從世界科技發(fā)展史看，總打的技術(shù)革新往往起始于材料的革新?？梢哉f，沒有先進(jìn)的材料，就沒有先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化的工業(yè)。例如，鎳基高溫合金，使用溫度由原來的700提高到900，從而產(chǎn)生超音速飛機(jī)。高溫陶瓷的發(fā)明，使表面溫度到1000的航天飛機(jī)的發(fā)展,7,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類生

4、活水平的提高，對材料需求日益增長，而且對材料的發(fā)展提出了更高的要求。到20世紀(jì)90年代末，全世界12項新興產(chǎn)業(yè)的年銷售額已達(dá)1萬億美元，其中新材料約占20%。 在我國，材料產(chǎn)業(yè)歷來都列入國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。從表2-2（P33）中可以看出，我國幾種主要材料，如鋼鐵、水泥、煤炭、平板玻璃等產(chǎn)量已列世界第一位。目前，我國每年進(jìn)入經(jīng)濟(jì)循環(huán)的原材料達(dá)60億噸，而且由于我國國民經(jīng)年紀(jì)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，在今后較長時間內(nèi)，對原材料的需求將持續(xù)保持增長趨勢,8,2：材料生產(chǎn)和使用帶來的環(huán)境和資源問題,1）材料生產(chǎn)和使用對環(huán)境的影響 不用說，地球人都知道，兩個字“污染”。 舉個具體例子：20世紀(jì)10大環(huán)境公害事

5、年 地點 事件 致死/致病 原因 比利時 煙霧 60/2萬人 煉鋼、SO2氣體 美國 煙霧 17/6千 煉鋼、SO2氣體 英國倫敦 煙霧 4千/8千 工業(yè)排放SO2氣體 美國洛杉磯 光化學(xué)霧 400/ 汽車尾氣、碳氧化合物 1956 日本 水俁病 60/ 含Hg廢水 1961 日本 哮喘病 6736/ 工業(yè)排放SO2 1968 日本 米糠病 1972 日本 骨痛病 207/258 含鎘廢水 1984 印度 農(nóng)藥泄漏 600/20 萬有機(jī)物 1986 前蘇聯(lián) 核泄漏 核污染,9,例2：2000年全世界人口62億，氣溫上升1，海平面上升20cm，預(yù)計2050年，人口100億，氣溫升高3，海平面上升

6、60cm，礦物、石油、天然氣枯竭，2100年人口爆炸，地球上的人口將超出整個地球所承載的能力。到時候，人類沒有采取任何措施或者是遷移別的星球，人類將面臨滅亡。 例如書中舉得玻璃生產(chǎn)對環(huán)境的污染。 大氣污染 各種顏色的重金屬氧化物、硫化物或硫酸鹽、鉻酸鹽、特種玻璃使用的硫化砷、硒化砷、氧化鉈、氧化鈹在高溫熔化時，少量氣體進(jìn)入大氣而污染。熔化過程中產(chǎn)生的有毒氣體CO2、NO2、CO、HF等、原料粉塵及玻璃加工粉塵污染，是造成硅沉著?。ü璺危┑闹饕?。到2000年1月統(tǒng)計，硅沉著病人累計達(dá)55萬人，占全世界1/2，其中已死亡13萬人。 水污染 含磨料、拋光劑、洗滌劑的廢水進(jìn)入，污染水。 噪音污染

7、除各種動力設(shè)備及機(jī)械噪音外，還有摔碎玻璃生產(chǎn)的特色噪聲。 例4. 生產(chǎn)1t鋼要消耗鐵礦石、煤炭、石灰等原料78t 80%變成各種廢物和有害物質(zhì)，排入環(huán)境,10,例5. 電子垃圾：電子材料包含有害物質(zhì)，鉛、磷、氟、砷、鎘等，而且是大多經(jīng)高溫熔融、燒結(jié)進(jìn)入材料中，極難分離，回收異常困難。在日本，二手電器你要花錢想辦法處理掉，或者交給回收部門，隨便亂扔是要罰款的，不像在中國，還得花錢買二手電器，在國外，別人白送，還得給你錢。 例6. 臭氧層的破壞：氟氯烴類氣體、氮氧化物一經(jīng)釋放到大氣中，就慢慢上升到臭氧層區(qū)，使臭氧變?yōu)檠?。但?dāng)前，從滅火器、冰箱、冷凍機(jī)到計算機(jī)、汽車等都離不開氟氯烴，想全面禁止十分困

8、難。大氣中的臭氧每減少1%，照射到地面上的紫外線就會增加20%，人類皮膚癌的發(fā)病率會增加70%，白內(nèi)障會增加60%。另外，它可能使地球上2/3的農(nóng)作物減產(chǎn)，導(dǎo)致糧食危機(jī)，還可以導(dǎo)致海洋生物滅絕。 材料用過之后，固體廢棄物處理已成為世界性難題。塑料包裝的“白色污染”已經(jīng)差不多解決了，現(xiàn)在最突出的就是混凝土問題，每年中國城市解體混凝土600萬立方米，無法再生利用，占用大量土地，污染土壤和地下水。 另外，生產(chǎn)材料要消耗大量的能源。 以上資料充分說明，一方面，材料工作者和材料產(chǎn)業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)和人民生活水平提高做出了巨大的貢獻(xiàn)，是有功之臣；另一方面，材料產(chǎn)業(yè)又是資源、能源的主要消耗者和環(huán)境污

9、染的主要責(zé)任者,11,2)資源問題 資源問題是當(dāng)今人類發(fā)展所面臨的一個主要問題。非再生性資源，包括煤、石油、天然氣等能源資源及各種礦物質(zhì)資源，一旦被消耗，就不可恢復(fù)了。資源是社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類生存、生活的重要物質(zhì)源泉。 礦產(chǎn)資源 根據(jù)20世紀(jì)90年代對主要礦產(chǎn)的探測，在43種重要礦產(chǎn)資源中有16種如錳、銅、鉛、鋅、錫、汞、金等，50年內(nèi)將枯竭，21世紀(jì)中葉，石油、天然氣資源也將枯竭。 土地資源 從1975年至20世紀(jì)末，全球有近3億公頃耕地被侵蝕，另有3億公頃可能 被城鎮(zhèn)和公路占用。全世界每年流失的土壤達(dá)240億噸。現(xiàn)在世界上有8.5億人口生活在不毛之地或貧瘠的土地上。由此可見，土

10、地資源問題的嚴(yán)重性,12,森林資源 隨著人類社會的發(fā)展，森林的面積一直在減少。 1萬年前 76億公頃1862年 55億公頃1985年 41.47億公頃 而且正以每年1170萬平方公里的速度消失。 水資源 目前，全世界每年約有4200億立方米的污水排入江河湖海，污染了5500億立方米的淡水。估計今后30年內(nèi)，全世界污水量將增加14倍。水資源短缺已經(jīng)成為許多國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙,13,3：材料中化學(xué)元素對環(huán)境和人體的影響,據(jù)估計，就有機(jī)合成的化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)量已從1950年700萬噸增加到1970年 6300萬噸，到1985年已達(dá)25000萬噸，這意味著越來越多的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，當(dāng)積累濃度較高時，就會導(dǎo)

11、致環(huán)境質(zhì)量下降，甚至對生物或人造成危害。 現(xiàn)代食品中的添加劑只有少數(shù)來自天然物質(zhì)，大部分是人工合成的化學(xué)物質(zhì)。常見的防腐劑亞硝酸鹽，它雖然能抑制一些細(xì)菌生長，但人們發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽能和胺類化合物作用生成亞硝胺化合物致癌物。 高分子化學(xué)發(fā)展的時代，為人們提供了很多優(yōu)良的化工制品，但同樣帶來了很多環(huán)境問題。例如：氯乙烯塑料，單體氯乙烯能誘發(fā)人體血管疾病；合成橡膠的添加劑如1-萘胺，有致膀胱癌的作用；一些三乙醇胺的化妝品，則含有二乙醇亞硝胺，是一種致癌物,14,有機(jī)溶劑的危害，如涂料、干洗劑、膠粘劑等都含有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑易揮發(fā)，經(jīng)呼吸器官攝入，馬上進(jìn)入血液，到全身各部位，中毒往往表現(xiàn)為急性，進(jìn)入中樞神

12、經(jīng)，導(dǎo)致全身麻醉。 化學(xué)物質(zhì)污染物最為潛隱性的危害是其致突變作用，并且這種作用都與癌癥有關(guān)系,15,三、材料中主要元素的環(huán)境和資源特征,1.化學(xué)元素的環(huán)境分布特征 由于自然界的物質(zhì)循環(huán)，使構(gòu)成物質(zhì)的化學(xué)元素在循環(huán)中不斷的遷移變化，轉(zhuǎn)化形成多種多樣，這與化學(xué)元素的遷移能力有關(guān)。化學(xué)元素分為三種基本類型：第一類元素遷移的非常強(qiáng)烈；第二類元素具有微弱的遷移能力；第三類元素基本上不遷移（惰性氣體）。44頁圖2-7反映了化學(xué)元素在自然界的遷移。 對于活躍的第一類元素又可以分為二大類：空氣遷移和水遷移 第一類元素：強(qiáng)烈 空氣遷移H C N O I 水遷移堿金屬、堿土金屬、鹵族元素和Fe、 Mg 、Co、C

13、u、Zn、S等 第二類元素：微弱 第三類元素：不遷移惰性氣體,16,正是由于化學(xué)元素的遷移變化，使其在環(huán)境中分布體現(xiàn)出了大特征： ：普遍性 自然界中化學(xué)元素存在于地殼層中由礦物、巖石、土壤等構(gòu)成的各種地質(zhì)體中，從而體現(xiàn)出化學(xué)元素的普遍性。 地殼：主要元素 O、Si、Al、Mg、Ca、Na、K、Fe等10多種 次要元素 Pb、Zn、Sn、Mo、Cr、Ni、W等大多數(shù)，80 種。 顯然，各元素含量分布相差很大 ：富集性 化學(xué)元素的分布含量相差很大，而且很不均衡，就是它的富集性,17,例如：有貧礦和富礦之分，山西煤礦比較富集，但是元素富集成礦的時間很漫長，通常以億年為單位。就是說開采容易，形成難。

14、：共生性 元素具有負(fù)極性，但是這種富集是一種多元的共生富集，即共生性或復(fù)合性。就是說一個鐵礦，他不只有鐵，同時伴有Co、Ni、Cu等元素，在世界上上不存在單一的化學(xué)元素礦。 常用金屬元素在環(huán)境中的遷移特性 ：鐵 在所有金屬中，鐵含量占第三位 鐵的天然循環(huán)：巖石風(fēng)化 河流 海洋 再沉積成巖石 其中，每年的人工開采量大于天然循環(huán)量,18,鉛 鉛是重金屬含量最多的元素，多數(shù)以硫化物或氧化物存在，并常以鋅、銅等元素存在。 巖石風(fēng)化（5.66t/年） 河流（11萬噸） 海洋 人工開采量每年400萬噸 ：銅 銅也是以氧化物或硫化物存在，常見的有輝銅礦【Gu2S】、黃銅礦、青銅礦、黑銅礦、藍(lán)銅礦等。 ：鈷

15、鈷是一種較稀的金屬元素，鈷的礦物主要有硫化物、砷化物、氧化物、硫酸鹽、磷酸鹽等。 ：鎳 以硫化鎳礦、氧化鎳礦存在,19,錳 ：鋁 ：鉻 ：鈹 不形成礦物，大部分以分散狀態(tài)存在 ：鎘 上面介紹的是各種金屬元素在環(huán)境中的宏觀遷移 金屬資源的儲量及其壽命 1）：儲量及壽命 金屬儲量的定義： 是指由于地質(zhì)作用的結(jié)果，在地殼中某些地段內(nèi)，形成金屬礦物的富集，其質(zhì)和量能夠滿足工業(yè)要求，并在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下能夠開采的自然堆積體的總量,20,靜態(tài)壽命： 指金屬的開采年限，即某金屬資源的當(dāng)年總儲量與其當(dāng)年總產(chǎn)量（開采量）之比 在金屬形成過程中： 分散 富集成礦 開采： 富集 分散狀態(tài) 根據(jù)物質(zhì)不滅的原理，自然界中

16、金屬元素的總量應(yīng)該是不變的，但是說就再把分散的元素重新富集起來，這就是二次循環(huán)利用。但是再富集的周期會很長。一般人也等不了那么久。 2）：影響壽命的因素 3個：總儲量 消耗量或生產(chǎn)量 再生量 前兩個因素構(gòu)成了金屬元素的靜態(tài)壽命。而金屬的再生同樣會對其壽命產(chǎn)生影響，為了說明這個因素關(guān)系，引入了靜態(tài)壽命或循環(huán)壽命的概念,21,即某一資源的當(dāng)年儲量總量與其當(dāng)年總產(chǎn)量和再生量的差的比= 當(dāng)年儲量/當(dāng)年總產(chǎn)量-再生量 再生量 循環(huán)壽命 從長遠(yuǎn)觀點看，若實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展，人類對一次金屬資源的開 開采要減慢，而對資源循環(huán)（二次資源）開發(fā)和利用將逐步強(qiáng)化，但金 屬的回收率不能達(dá)到100%，而有些如W、Mo

17、等目前無法回收,22,五.材料流與資源效率和環(huán)境影響,1.材料流 材料流也稱物質(zhì)流 材料流動示意圖 有限資源 原料 制造 加工 使用 廢棄 自然生物圈 有限的環(huán)境,23,例：8t礦石 1t鋼（軋、擠、沖、鍛） 700Kg金屬材料（機(jī)械加工） 500Kg金屬制品（超過壽命） 廢棄，排放到環(huán)境中 材料流也可以說是材料背負(fù)的生態(tài)負(fù)荷或稱生態(tài)包袱，要考慮直接消耗和間接消耗。 2.材料流分析 materials flow analysis MFA 指的是對材料物理流動的分析，他通過對自熱原始物質(zhì)的開采、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移、消耗和廢棄等過程的分析，揭示物料（包括能源、水資源等）在特定范圍內(nèi)的流動特征和轉(zhuǎn)化效率，提

18、出環(huán)境壓力的直接來源，進(jìn)而通過技術(shù)措施，提出相應(yīng)的減少環(huán)境壓力生物解決方案，提高資源效率，作為評價該地區(qū)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)及產(chǎn)品等發(fā)展的可持續(xù)性的指標(biāo)，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的近中期目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。 分析 揭示特征 找到來源 技術(shù)改進(jìn) 解決方案 提高效率 評價指標(biāo) 科學(xué)依據(jù),24,3.資源效率，環(huán)境影響分析的X倍因子理論 利用材料流分析，研究資源效率、環(huán)境影響理論，代表性3各理論 4倍因子理論（Factor4+） 10倍因子理論（ Factor10+ ） 8倍因子理論（ Factor8+ ） （1）：4倍因子理論 德國最先提出 原因：1990年以來，20%人口的發(fā)達(dá)國家消耗80%以上的能源和資 源，其他80%的人口消耗20%的資源。為了能保持現(xiàn)在的生 活質(zhì)量，又要消除貧富差距，所以根據(jù)計算得出將現(xiàn)有的資 源和能源效率提高4倍就能達(dá)到上述指標(biāo),25,出現(xiàn)：1995年4倍因子，半分消耗，倍數(shù)產(chǎn)品出版 宗旨：社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)活動中，通過采取各種技術(shù)措施將能源消耗 資源消耗降低一半同時將生產(chǎn)效率提高一倍，即在同樣能源 消耗的水平上，得到了4倍的產(chǎn)出。 意義：得到了世界上許多政治家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、社會學(xué)家、生態(tài)學(xué) 家、環(huán)境學(xué)家一呼百應(yīng)，得到各界人士的共識。對有效利用 資源、改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展具有 指導(dǎo)意義，從源頭上實現(xiàn)了減少排放，保護(hù)了環(huán)境。 （2）：10倍因子和8