環(huán)境材料學教學課件匯總完整版電子教案全書整套課件幻燈片(最新)

1、 1. 緒論1.1 環(huán)境材料概念及其學科發(fā)展1.2 環(huán)境材料學主要內(nèi)容1.3 環(huán)境材料學的學習方法1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物環(huán)境材料 1.5 環(huán)境材料學的發(fā)展趨勢 1.6 環(huán)境材料對可持續(xù)發(fā)展的影響和作用本章內(nèi)容 人口膨脹、資源短缺、環(huán)境惡化是當今社會可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題。材料是人類賴以生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料研發(fā)和應(yīng)用是人類文明進步的重要標志之一。隨著科學技術(shù)發(fā)展，高性能、高質(zhì)量和低成本的新材料不斷出現(xiàn)。但是，由于對材料質(zhì)量和性能的過度片面追求，伴隨著材料的加工、制備、生產(chǎn)制造、使用和廢棄過程，資源、能源產(chǎn)生大量消耗，大量的廢氣、廢水和廢渣的排放加重，這是造成能源短缺、資源過度消耗和

2、枯竭及環(huán)境污染的重要原因之一。聯(lián)合國2003年中國人類發(fā)展報告指出，環(huán)境問題使中國損失GDP的3.5%到8%。 可見，環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞已嚴重制約我國經(jīng)濟的發(fā)展。這其中與材料有關(guān)環(huán)境污染占到了一半以上。因此，材料產(chǎn)業(yè)只有走與資源、能源和環(huán)境相協(xié)調(diào)的道路才是可持續(xù)發(fā)展的。在這樣的背景下，如何將資源、能源和環(huán)境問題統(tǒng)一，尋求材料的可持續(xù)發(fā)展途徑，正是環(huán)境材料學產(chǎn)生的重要原因。 環(huán)境材料學是材料科學與環(huán)境科學交叉的一門新興學科。該學科主要致力于研究保持資源平衡、能量平衡和環(huán)境平衡，實現(xiàn)社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，將環(huán)境性能研究融入新材料開發(fā)，完善材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價的理論體系，開發(fā)各種環(huán)境相容性新材料

3、及綠色產(chǎn)品，研究降低材料環(huán)境負荷的新工藝、新技術(shù)和新方法等。1.1 環(huán)境材料概念及其學科發(fā)展目前，環(huán)境材料和產(chǎn)品還沒有一個確切定義。20世紀90年代初日本學者山本良一等提出新研究領(lǐng)域“環(huán)境材料”（Environmental Conscious Materials簡稱 Eco-materials）。1.1.1 環(huán)境材料的概念1.1環(huán)境材料概念及其學科發(fā)展41.1.1 環(huán)境材料學的形成1.1 環(huán)境材料概念及其學科發(fā)展環(huán)境材料學不僅有其獨特的研究對象，還具有明確的研究方法。它的理論基礎(chǔ)由三部分組成：一部分來自材料科學，一部分來自環(huán)境科學，還有一部分是其獨有的。目前來看，環(huán)境材料學框架主要包括基礎(chǔ)研究

4、、應(yīng)用研究和評價研究三個部分。其中關(guān)于環(huán)境材料的評價方法研究至關(guān)重要，在環(huán)境材料研究領(lǐng)域里，目前趨向于將壽命全程評價方法作為一種度量材料環(huán)境負荷大小的方法。壽命全程評價方法即Life Cycle Assessment，簡稱LCA圖。所謂材料的壽命全過程是指材料從來自自然資源，經(jīng)過加工成為材料，供人類使用后又回到自然這樣一個封閉的流動過程。環(huán)境材料概念一經(jīng)提出，人們自然考慮到LCA用于環(huán)境材料的評估和表征。從1994年在日本召開的國際環(huán)境平衡會議以來，派生出的材料生態(tài)環(huán)境評估MICA-Material LCA已被國際材料學會認可。5持續(xù)發(fā)展包括經(jīng)濟、社會的人類發(fā)展，還包括生態(tài)環(huán)境的自然發(fā)展。這兩

5、個方面互相依存，相輔相成，任何一方的非持續(xù)發(fā)展都將導致另一方的非持續(xù)發(fā)展。材料是構(gòu)成社會的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，而環(huán)境材料對社會發(fā)展的重要性更是不言而喻。因此，環(huán)境材料必須具有可持續(xù)發(fā)展性，才能保證人類的可持續(xù)發(fā)展。實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與開展環(huán)境材料的研究、應(yīng)用是統(tǒng)一的，它們有著共同的目標：改善人類的生存狀況，使之利于全人類現(xiàn)在和未來的發(fā)展。1.1.1 環(huán)境材料學形成是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求1.1環(huán)境材料概念及其學科發(fā)展6環(huán)境材料學研究內(nèi)容及方法概括為：(1)環(huán)境材料學的基礎(chǔ)理論，即材料的開發(fā)、應(yīng)用、再生過程與生態(tài)環(huán)境間相互作用和相互制約的關(guān)系的理論研究。(2)環(huán)境材料學應(yīng)用研究，即具有最低環(huán)境負擔的材料

6、工程技術(shù)。它包括Ecomaterials和ECP的設(shè)計、生產(chǎn)、加工和制造技術(shù)等。(3)環(huán)境材料學的評價系統(tǒng)，即生態(tài)環(huán)境與材料相互作用的程度和生態(tài)環(huán)境對材料的開發(fā)、應(yīng)用、再生過程及其結(jié)果的負擔程度的評價方式和評價標準。其核心是壽命周期評估(Life Cycle Assessment，縮寫為LCA)。1.2 環(huán)境材料學主要內(nèi)容7課程的特點在內(nèi)容安排上突出材料科學的基礎(chǔ)理論，更加強調(diào)材料與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，同時盡量結(jié)合我國目前材料生產(chǎn)、環(huán)境問題與環(huán)境治理及材料科學的研究狀況，幫助學生掌握材料與環(huán)境關(guān)系、材料的環(huán)境性能評價和環(huán)境性能數(shù)據(jù)庫、材料的生態(tài)設(shè)計、降低材料環(huán)境負擔性的工藝和技術(shù)、開發(fā)與環(huán)境相容的新

7、材料和綠色產(chǎn)品、發(fā)展環(huán)境降解新材料以及治理環(huán)境的高效工程材料等知識。學習方法1）改變觀念，認識應(yīng)用。結(jié)合環(huán)境工程的應(yīng)用，包括廢水、廢固、廢氣和綜合治理中的應(yīng)用途徑和商業(yè)發(fā)展前景，提高學生對治理環(huán)境中材料的功能性、環(huán)境友好型和經(jīng)濟性等特點的認識，2）擴展相關(guān)學科知識。擴展知識，補充學習材料學等相關(guān)知識，擴展知識面。3）正確學習和教學方法。結(jié)合實踐設(shè)立專題討論和引導學生梳理教學重點，結(jié)合實踐應(yīng)用實例，也是激發(fā)學生自覺學習的重要手段。1.3環(huán)境材料學的學習方法8礦物材料是以天然礦物(主要是非金屬礦物，也包括金屬礦物)和巖石為主要原料，以礦產(chǎn)資源的有效利用為目的，直接或經(jīng)過加工合成后獲得的制品。它是指

8、由礦物及其改性產(chǎn)物組成的與生態(tài)環(huán)境具有良好協(xié)調(diào)性或直接具有防治污染和修復環(huán)境功能的一類礦物材料5。1.4.1 礦物環(huán)境材料1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物礦環(huán)境材料9多為硅酸鹽礦物，如硅藻土、沸石、海泡石、凹凸棒石、膨潤土、蛭石、膨脹珍珠巖等，主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，具有良好的化學穩(wěn)定性；具有孔或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，其晶體層間或納米級孔空間可以提供特殊的微化學吸附或微化學反應(yīng)場所；具有較大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能，如天然沸石的比表面積500-1000 m2/g，海泡石比表面積50-150 m2/g，凹凸棒石比表面積30-40 m2/g，硅藻土的比表面積20-100 m2/g；蒙

9、脫石的比表面積100 m2/g以上；具有離子交換性特性，如膨潤土、皂土、高嶺土等的晶體層間有可交換的Ca、Mg、Na、K等金屬陽離子，可在晶層間進行特殊的離子交換反應(yīng)，可用于重金屬廢水和土壤污染治理；具有較好的吸水性和保濕性。大多可吸收和保存自身重量的30-50倍的水分，這在土壤改良和室內(nèi)除濕等方面具有很好用途。1.4.2 礦物材料特性1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物礦環(huán)境材料101.4.3 非金屬礦物材料種類及制備1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物礦環(huán)境材料（1）膨潤土。合成有機膨潤上的基本原理是，以有機季銨鹽陽離子與蒙脫石中的可交換陽離子(主要是鈉離子)發(fā)生離子交換反應(yīng)。（2）沸石。常見的天然沸石改性包

10、括結(jié)構(gòu)改性、內(nèi)孔結(jié)構(gòu)改性和沸石晶體表面改性三大類，改性方法有高溫焙燒、無機酸改性、無機鹽改性、改變硅鋁比和有機改性等。（3）海泡石。海泡石的有機改性目前主要有硅烷偶聯(lián)劑表面改性和有機金屬配合物改性，改性的原理主要是利用海泡石表面的酸活性中心和活性Si-OH基團，處理劑有有機硅烷或有機硅偶聯(lián)劑、有機酞酸酯偶聯(lián)劑、有機酸和有機醛、吡啶及其衍生物、陽離子表面活性劑等。（4）硅藻土。常規(guī)改性；無機改性；有機改性；柱撐改性。（5）凹凸棒土。熱處理、酸處理、堿處理和有機改性。111.4.4 非金屬礦物環(huán)境材料的應(yīng)用1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物礦環(huán)境材料 非金屬礦物在環(huán)境治理和生態(tài)修復等方面的應(yīng)用，近年的材料

11、研發(fā)和應(yīng)用進展很快。鄭水林總結(jié)指出，非金屬礦物材料在水污染治理、空氣污染治理、垃圾填埋場防滲、沙漠治理與沙化土地生態(tài)修復和放射性廢物的處置等方面都取得一定進展。121.4.5 金屬礦物材料的應(yīng)用1.4 環(huán)境材料應(yīng)用與礦物礦環(huán)境材料非金屬礦物材料在環(huán)境污染中的治理已得到不同程度的利用，同時，一些金屬礦物如鐵礦物、錳礦物等由于具有吸附某些重金屬和陰離子的能力，利用它們進行污染治理的研究也日益增多。常用的金屬礦物有赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦、氧化鋁和軟錳礦等，還有一些工業(yè)廢棄物如紅泥、鋼渣、粉煤灰等也可以用做吸附劑或建筑材料，以達到廢物資源化的目的。鐵錳鋁氧化物及氫氧化物具有潛在的凈化重金屬污染物的功能

12、，能成為土壤環(huán)境中吸附固定態(tài)重金屬污染物的有效物質(zhì)。另外，在常規(guī)污水處理過程中，鐵鹽和鋁鹽由于其比表面積和表面電荷密度均較高而具有絮凝作用得到普遍采用。同時，國內(nèi)外不少學者也對軟錳礦漿煙氣脫硫并資源化技術(shù)進行研究，并取得了一定進展。131.5 環(huán)境材料學的發(fā)展趨勢日本科學技術(shù)廳就組織了“與環(huán)境和諧的材料技術(shù)的開發(fā)”國家研究計劃。聯(lián)合國環(huán)境計劃(UNEP)SPD(Sustainable Product Development，即可持續(xù)產(chǎn)品開發(fā))工作組已進行有關(guān)全世界ECP計劃情報收集及交流等方面工作；IEC(國際電器技術(shù)委員會)正著手進行電器產(chǎn)品環(huán)境要素標準化工作；國際標準化機構(gòu)ISO/TC20

13、7也已開始進行環(huán)境標記國際標準化的工作。這就意味不但科學工作者要注意環(huán)境材料研究，商業(yè)活動也將面臨“綠色標志”的挑戰(zhàn)。企業(yè)必須大力開發(fā)ECP，否則，一旦國際實行“綠色標志”，將大大抑制我國產(chǎn)品出口。141.6 環(huán)境材料對可持續(xù)發(fā)展的影響和作用 環(huán)境材料也必須具有可持續(xù)發(fā)展性，才能保證社會的可持續(xù)發(fā)展。15The End.2 環(huán)境材料與資源、能源和環(huán)境的相互影響2.1料在國民經(jīng)濟中的地位與發(fā)展2.2資源使用與環(huán)境影響2.3能源使用與環(huán)境影響2.4 材料的環(huán)境負荷本章內(nèi)容2.1 材料在國民經(jīng)濟中的地位與發(fā)展(1)發(fā)展環(huán)境材料、促進循環(huán)經(jīng)濟是緩解我國資源短缺矛盾，保障國家經(jīng)濟安全的必要選擇。(2)發(fā)

14、展環(huán)境材料、促進循環(huán)經(jīng)濟是貫徹落實科學發(fā)展觀，全面建設(shè)小康社會的客觀要求。192.2 資源使用與環(huán)境影響2.2.1 我國資源種類與分布 按照國際公認的標準，人均水資源低于3000立方米為輕度缺水；人均水資源低于2000立方米為中度缺水；人均水資源低于1000立方米為重度缺水；人均水資源低于500立方米為極度缺水。中國目前有16個省(區(qū)、市)人均水資源量(不包括過境水)低于嚴重缺水線，6個省、區(qū)(寧夏、河北、山東、河南、山西、江蘇)人均水資源量低于500立方米，為極度缺水地區(qū)。（1）水資源分布問題水土流失土地荒漠化土地的次生鹽堿化酸化污染原因自然：氣候、地形、植被等人為：濫砍濫伐自然：氣候變暖、

15、干旱、風沙侵蝕等人為：濫墾草原或過度放牧自然：氣候干旱人為：漫灌地下水位上升、沿海抽取地下水、海水倒灌酸雨、大量使用化肥大氣、水、工業(yè)、生活污水污染，農(nóng)業(yè)使用化肥、除草劑危害生產(chǎn)力下降、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)沙漠擴大、耕地減少、風沙危害耕地退化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)土壤酸度增大、板結(jié)間接污染水源、食品，危害人類健康對策因地制宜、發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)植樹種草、退耕還林（牧）完善排灌系統(tǒng)、利用水利和生物配套技術(shù)施有機肥、加熟石灰預(yù)防為主、治理污染源表2-1 中國土地資源利用過程中存在的問題 （2）土地資源 中國礦產(chǎn)資源分布情況如下：石油、天然氣主要分布在東北、華北和西北。煤主要分布在華北和西北。鐵主要分布在東北、華北和西南。銅主要

16、分布在西南、西北、華東。鉛鋅礦遍布全國。鎢、錫、鉬、銻、稀土礦主要分布在華南、華北。金銀礦分布在全國，臺灣也有重要產(chǎn)地。磷礦以華南為主。（3）礦產(chǎn)資源2.2.2 環(huán)境材料的使用對水資源的影響(1) 土壤保水劑(2)作物葉面抗蒸騰劑23（1）治理土壤重金屬污染（2）改良鹽堿地2.2.3 環(huán)境材料對土壤資源的影響24 開展礦物環(huán)境材料研究可以充分發(fā)揮礦物材料本身的特性，建立環(huán)境礦物材料分支學科是時代的要求，是礦物材料的重要發(fā)展方向。 近年來，礦物材料在環(huán)保方面的應(yīng)用相當廣泛，除了在傳統(tǒng)的污水處理、大氣吸附、過濾脫色等方面的應(yīng)用水平不斷提高外，在生態(tài)建材如具有保溫、隔熱、吸音、調(diào)光等功能的建材、殺菌

17、、消毒劑、礦山尾礦綜合利用等方面，都有新的應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品。 許多非金屬礦產(chǎn)已被成功地用作環(huán)境工程礦物材料，沸石、膨潤土、凹凸棒石和海泡石、硅藻土等都是典型的例子。如用沸石燒制的人工輕質(zhì)骨料，再如以膨潤土等為主要原料可生產(chǎn)人工合成沸石，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)洗滌劑中的三聚磷酸鈉，可大大減少洗滌廢水中殘余磷對環(huán)境的污染10。2.2.4環(huán)境材料對礦產(chǎn)資源的影響25能源是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是材料生產(chǎn)的要素。我國能源結(jié)構(gòu)主要具有以下特點：（1）今后20年，中國能源結(jié)構(gòu)仍以煤為主，份額將逐步減少。2000中國煤炭可采儲量1145億噸，占全國能源總量76%。問題：燃煤造成環(huán)境污染問題。1997年

18、全國TSP(總懸浮顆粒物)達1873萬噸，其中70%來自燃煤；中國煙塵污染嚴重城市，TSP值比WHO(世界衛(wèi)生組織)推薦標準高3-7倍。（2）油氣自給率低，需求日益增大，將更多地依賴進口。1993年石油總資源量94.OGT，天然氣38Tm3(萬億m3)。2004年中國石油進口1億噸，對外依存度40%，預(yù)計2020年4億多噸，中國石油產(chǎn)量1.6-1.7億噸，將有2.4億噸石油缺口，對外依存度將達60%。（3）水資源在中國能源結(jié)構(gòu)中的比重將會下降，發(fā)展空間有限。（4）清潔可再生資源比重將上升，核電將成為替代煤電的主要能源之一，發(fā)展?jié)摿艽蟆Ｌ柲?、風能、海洋能和地熱能等新能源是可再生能源。2.3

19、能源使用與環(huán)境影響2.3.1 我國能源種類與分布26能源利用和環(huán)境保護是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略 ，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展。能源作為人類賴以生存的基礎(chǔ)，在其開采、輸送、加工、轉(zhuǎn)換、利用和消費過程中，都直接或間接地改變著地球上的物質(zhì)平衡和能量平衡，必然對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生各種影響，成為環(huán)境污染的主要根源。（1）大氣污染（2）水污染（3）新能源利用對氣候的影響2.3.2 我國能源使用與環(huán)境27 環(huán)境、材料、能源間的關(guān)系是一方面材料給人類帶來了物質(zhì)財富并推動著人類社會的物質(zhì)文明的進步，而另一方面在開發(fā)與生產(chǎn)新材料過程中又消耗大量能源并給環(huán)境帶來污染的負面危害作用。因此在材料推動現(xiàn)代化發(fā)展的同時保護環(huán)境開發(fā)

20、綠色環(huán)保材料成為當前的主題這就是近幾十年來發(fā)展起來的環(huán)境材料，即是指在加工制造使用和再生過程中具有最低環(huán)境負荷最大使用功能的人類所需材料環(huán)境材料。2.3.3 材料與能源、環(huán)境的相互關(guān)系282.4 材料的環(huán)境負荷2.4.1 材料生產(chǎn)中的資源消耗圖2.4 工業(yè)產(chǎn)品鏈式生產(chǎn)流程圖292.4.2 材料生產(chǎn)中的污染物排放行業(yè)工業(yè)廢水排放量（萬噸）工業(yè)廢氣排放量（億立方米）一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量（萬噸）煤炭開采和洗選業(yè)148138190839045.4黑色金屬礦采選業(yè)18753300260707.3有色金屬礦采選業(yè)4549492038510.7非金屬礦采選業(yè)68489582564.9木材加工業(yè)544656

21、85239.1造紙及紙質(zhì)品業(yè)23668466572248.3化學纖維制造業(yè)377632050399.4橡膠和塑料制品業(yè)126064311225黑色金屬冶煉工業(yè)9115917382642733.5有色金屬冶煉工業(yè)321063980713180.2金屬制品業(yè)335566445725.9非金屬礦物制品業(yè)284211246877550.8合計696974370256208130.5表2-3 1994年我國主要原材料工業(yè)環(huán)境污染物排放統(tǒng)計30 材料生產(chǎn)中氣體污染物的排放材料生產(chǎn)和使用過程中要消耗大量的能源，產(chǎn)生的主要大氣污染物有SO2及NOx。SO2主要來自礦物燃料的燃燒和材料的生產(chǎn)過程以及許多金屬礦物

22、，特別有色金屬礦，如CuS、PbS、NiS、ZnS等含硫化合物。（2）材料生產(chǎn)中水體污染物的排放2.4.2 材料生產(chǎn)中的污染物排放31 材料生產(chǎn)中水體污染物排放有害物質(zhì)主要來源苯化工、橡膠、顏料硝基苯染料、炸藥生產(chǎn)酚煤氣制造、焦化、煉油、化工、塑料、染料、木材防腐吡啶焦化、煤氣制造、制藥、化工氰化物煤氣制造、焦化、煉油、化工、有機玻璃制造、金屬處理、電鍍氟化物磷肥、煉鋁、氟礦、煙氣凈化、玻璃生產(chǎn)、氟塑料生產(chǎn)硫化物煉油、造紙、染料、印染、制革、粘膠纖維生產(chǎn)亞硫酸鹽紙漿生產(chǎn)、粘膠纖維生產(chǎn)氨煤氣制造、焦化、化工、氮肥廠聚氯聯(lián)苯電器工業(yè)、合成橡膠、塑料胺基化合物化工廠、染料廠、炸藥廠、石油化工廠油煉油

23、廠(石油)、機械廠(機油)、選礦廠(煤油)、食品廠(油脂)酸化工、礦山、電鍍、金屬酸洗堿造紙、化纖、制堿、印染、制革、電鍍、化工汞化工、電解食鹽、含汞農(nóng)藥、制汞化合物、用汞計量儀表、冶煉鉛顏料、涂料、鉛蓄電池、有色金屬礦山與冶煉、印刷廠鉻電鍍、制革、顏料、催化劑、冶煉鎘鋅廠、煉鋅、電鍍表2-4 一些水體污染物的主要來源32材料生產(chǎn)中固體污染物的排放固體污染物是指在生產(chǎn)活動及其他活動過程中產(chǎn)生的各種固態(tài)半固態(tài)和高濃度液態(tài)廢棄物統(tǒng)稱。材料生產(chǎn)過程中固體污染物主要來源于：工業(yè)廢棄物、礦業(yè)廢棄物、城市固體廢棄物及放射性廢棄物。其對環(huán)境同樣具有巨大的危害，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）固體污染物的主要危

24、害形式有侵占土地、污染土壤、污染水體、污染大氣、影響環(huán)境衛(wèi)生等。我國固體廢棄物的排放量已超過6億ta。（2）在材料生產(chǎn)中排放的固體廢棄物對大氣造成的污染。（3）固體廢棄物造成最為嚴重的是危險廢物的污染。2.4.2 材料生產(chǎn)中的污染物排放33 思考題 2-1 用于水資源保護的環(huán)境材料有哪幾種？并簡述其保護機理。2-2 作物葉面抗蒸騰劑大致可以分為幾類？每一種的作用是什么？2-3 環(huán)境礦物材料的定義和在環(huán)保領(lǐng)域的具體應(yīng)用有哪些？2-4 簡述能源生產(chǎn)與利用對環(huán)境的影響。2-5 試用物質(zhì)不滅和能量守恒的理論來說明材料與資源、環(huán)境的關(guān)系。34The End.3 環(huán)境材料的生命周期評價3.1 環(huán)境材料環(huán)境

25、負荷與環(huán)境指標3.2 環(huán)境材料的生命周期評價與標準（LCA）3.3 環(huán)境材料的生命周期評價（LCA）的框架與過程3.4 環(huán)境材料的生命周期評價的應(yīng)用本章內(nèi)容3.1 環(huán)境材料環(huán)境負荷與環(huán)境指標3.1.1 材料的環(huán)境負荷評價任何材料在生產(chǎn)中都需要消耗另大量的能量和資源，能量通常來源于化石能源。資源消耗為主原料和輔料，例如碳鋼生產(chǎn)過程中需要消耗鐵礦石并消耗脫硫劑、脫氧劑、鐵合金等。材料的環(huán)境負荷的另一個因子是材料壽命周期中向環(huán)境的排放物，它包括污染物和排放物兩大部分。通常將排放物按其存在的物理特征分為大氣物質(zhì)、水體物質(zhì)、固體物質(zhì)及能量4種類型。383.1.2 環(huán)境材料的環(huán)境指標 在進行材料的環(huán)境影響

26、評價過程之前，確定用何種指標來衡量材料的環(huán)境負擔性顯得尤為必要。衡量材料環(huán)境影響的定量指標，已提出的表達方法有：能耗環(huán)境影響因子環(huán)境負荷單位單位服務(wù)的材料消耗生態(tài)指數(shù)生態(tài)因子 這些環(huán)境指標的建立對材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價起很大的促進作用。3.2 環(huán)境材料的生命周期評價與標準（LCA）評價一種材料是否為環(huán)境材料, 首先必須確定評價標準。從環(huán)境材料的定義看, 制定評價標準實際上是對材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性、功能性3個方面進行標準指標定量。由于不同種類的材料使用功能和環(huán)境影響大小不同, 因此不可能對所有材料制定統(tǒng)一的評價標準。而對同類材料而言, 盡管其在使用中表現(xiàn)出多種功能, 但是往往其中一種或幾種是主

27、要的和共有的, 可稱之為基本功能。因此可將材料按基本功能分類, 分別制定相應(yīng)的環(huán)境材料評價標準。對每一類別的材料分別進行環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性、功能性的指標化; 根據(jù)指標化結(jié)果, 綜合考慮邊界條件及未來的可能發(fā)展來規(guī)定相應(yīng)類別環(huán)境材料3 方面的評價標準指標。環(huán)境影響評估至今沒有統(tǒng)一的方法, 且多限于定性分析, 就可行的定量方法而言, 可將環(huán)境影響劃分為以下幾個指標： ADP不可再生之原料消耗； EDP不可再生之能源消耗； GWP溫室效應(yīng)； ODP臭氧層的破壞； ECA生物體之損害； AP環(huán)境酸化； HT人類健康損害； POCP光化學氧化物生成； NP氮化作用。3.2.1 環(huán)境材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性指標

28、根據(jù)環(huán)境影響指標分類, 采用相對定量的方法,對每種指標選定一種參照物, 將編目分析得到的污染物的環(huán)境影響作用以參照物的量表示。因此各環(huán)境指標可以參照物總量表示。并可以將各環(huán)境指標占整個研究范圍內(nèi)( 地區(qū)、國家、世界) 相應(yīng)環(huán)境指標比例無量綱化表示, 可稱之為標準指標。為得到單一的環(huán)境協(xié)調(diào)性定量指標, 可用AHP 法確定各環(huán)境指標的權(quán)重系數(shù), 將材料之環(huán)境協(xié)調(diào)性指標e。 描述為:3.2.1 環(huán)境材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性指標423.2.2 經(jīng)濟性指標常規(guī)耗費可能耗費環(huán)境耗費資本投入空氣污染控制罰金財產(chǎn)損失溫室效應(yīng)人類健康影響設(shè)備水污染控制個人傷害制度審議臭氧破壞社會福利影響勞動力放射性/危險物管理經(jīng)濟損失

29、維修費用化學煙霧生物體損傷能源公眾印象損害未來市場變化酸化維持費用原料資源耗費水污染保險/稅收廢棄物管理制度協(xié)調(diào)文獻表3-1 壽命周期資金耗費的構(gòu)成由于材料的環(huán)境負擔已由環(huán)境協(xié)調(diào)性表示，因此材料的經(jīng)濟性不再考慮環(huán)境污染耗費。433.2.3 功能性指標材料按功能分類主要是指其基本功能，如水泥，其基本功能為強度，而它在使用過程中往往還表現(xiàn)出其他功能，如抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性等。因此材料的功能質(zhì)保f應(yīng)參考環(huán)境材料標準指標，在其基本功能的基礎(chǔ)上以各種功能的集合表示。 f= f1，f2，fn3.3 環(huán)境材料的生命周期評價（LCA）的框架與過程CA 由個相互關(guān)聯(lián)的部分組成，即目標定義和范圍界定、清單分析、

30、影響評價、結(jié)果解釋。3.3.1 目的和調(diào)查范圍設(shè)定 定義目標與范圍是生命周期評價的第一步，它是清單分析、影響評價和結(jié)果解釋所依賴的出發(fā)點與立足點，決定了后續(xù)階段的進行和LCA 的評價結(jié)果，直接影響到整個評價工作程序和最終的研究結(jié)論。既要明確提出LCA分析的目的、背景、理由，還要指出分析中涉及的假設(shè)條件、約束條件。設(shè)定功能單位也是不可缺少的，它是對產(chǎn)品系統(tǒng)輸出功能的量度。其基本作用是為有關(guān)輸入和輸出提供參照基準，以保證LCA結(jié)果的可比性。3.3.2 清單分析清單分析是計算符合LCA目的全體邊界的資源消耗量和排出物階段，是目前LCA 中發(fā)展最為完善的一部分，也是相當花費時間和勞力的階段。主要是計算

31、產(chǎn)品整個生命周期（原材料的提取、加工、制造和銷售、使用和廢棄處理）的能源投入和資源消耗以及排放的各種環(huán)境負荷物質(zhì)（包括廢氣、廢水、固體廢棄物）數(shù)據(jù)。首先收集分析研究對象產(chǎn)品的制造、使用、廢棄的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一般叫做實景（Foreground）數(shù)據(jù)；接著搜集產(chǎn)品使用的原料數(shù)據(jù)，包括從資源開采制作成原料使用的電力、燃料等數(shù)據(jù)，一般叫做背景（Back-ground）數(shù)據(jù)。由于這部分數(shù)據(jù)搜集困難，大多數(shù)研究者使用LCA軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。DM Menkeadd5等對LCA數(shù)據(jù)軟件的發(fā)展做了總結(jié)，并對LCA工具做了詳細的對比介紹。3.3.3 環(huán)境影響評價 影響評價建立在生命周期清單分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)生命

32、周期清單分析數(shù)據(jù)與環(huán)境的相關(guān)性，評價各種環(huán)境問題造成的潛在環(huán)境影響的嚴重程度。把清單分析的數(shù)據(jù)按照溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等環(huán)境影響項目進行分類，評價每個類別的影響程度。目前，這個階段在國際上仍處于研究階段，有瑞士方法、北歐方法等。國際上對溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)、臭氧層破壞、生態(tài)毒性、光化學煙霧形成、人體健康損害等環(huán)境影響類別及其類型參數(shù)，以及產(chǎn)生這些影響的相關(guān)污染物和作用范圍基本上達成了一致。部分污染物的環(huán)境影響特征化 因子是基于自然科學研究得到的結(jié)果，目前已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。483.3.4 結(jié)果解釋（1）生命周期解釋概述（2）重大環(huán)境問題的辨識（3）重大環(huán)境問題的辨識（4）結(jié)論與建議49

33、生命周期評價（LCA）作為一種產(chǎn)品評價與產(chǎn)品設(shè)計的原則和方法，可應(yīng)用于環(huán)境管理，涉及企業(yè)、政府與消費者三個層次。（1）應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)部門（2）應(yīng)用于政府環(huán)境管理部門和國際組織（3）應(yīng)用于消費者組織3.4 環(huán)境材料的生命周期評價的應(yīng)用505152思考題1.環(huán)境負荷的定義。2.表達材料的環(huán)境影響有許多方法，試對這些方法進行討論，并提出一種可以表征材料環(huán)境性能的無量綱表示。3.試給出LCA的定義并結(jié)合實例給出一個完整的LCA分析。4.你認為LCA的框架還有哪些不足，怎樣改進？ 5.簡單介紹一下輸入輸出法模型。53The End.第4章 環(huán)境材料的生態(tài)設(shè)計4.1 環(huán)境材料與可持續(xù)發(fā)展4.2 環(huán)境材料的

34、生態(tài)設(shè)計理論4.3 環(huán)境材料的生態(tài)設(shè)計技術(shù)與方法本章內(nèi)容56 4.1 環(huán)境材料與可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展（Sustainable development）的概念最先于1972年在斯德哥爾摩舉行的聯(lián)合國人類環(huán)境研討會上被正式討論。1980年國際自然保護同盟在世界自然資源保護大綱中提出：“必須研究自然的、社會的、生態(tài)的、經(jīng)濟的以及利用自然資源過程中的基本關(guān)系，以確保全球的可持續(xù)發(fā)展”。1981年美國布朗（Lester R. Brown）出版建設(shè)一個可持續(xù)發(fā)展的社會，提出以控制人口增長、保護資源基礎(chǔ)和開發(fā)再生能源來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。1987年,以挪威首相布倫特蘭夫人為首的“世界環(huán)境與發(fā)展委員會”在我們共同

35、的未來將可持續(xù)發(fā)展定義為：“既能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展”這個定義強調(diào)了可持續(xù)發(fā)展的持續(xù)性，公平性和共同性原則，并被后人廣泛采納引用。4.1.1可持續(xù)發(fā)展觀點的提出及其內(nèi)涵4.1環(huán)境材料與可持續(xù)發(fā)展(1) 可持續(xù)發(fā)展的提出58(2) 可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵突出發(fā)展的主題，發(fā)展與經(jīng)濟增長有根本區(qū)別，發(fā)展是集社會、科技、文化、環(huán)境等多項因素于一體的完整現(xiàn)象，是人類共同的和普遍的權(quán)利，發(fā)達國家和發(fā)展中國家都享有平等的不容剝奪的發(fā)展權(quán)利；發(fā)展的可持續(xù)性，人類的經(jīng)濟和社會的發(fā)展不能超越資源和環(huán)境的承載能力；人與人關(guān)系的公平性，當代人在發(fā)展與消費時應(yīng)努力做到使后代人有同樣的發(fā)

36、展機會，同一代人中一部分人的發(fā)展不應(yīng)當損害另一部分人的利益；（4）人與自然的協(xié)調(diào)共生，人類必須建立新的道德觀念和價值標準，學會尊重自然、師法自然、保護自然，與之和諧相處。4.1.1可持續(xù)發(fā)展觀點的提出及其內(nèi)涵59環(huán)境材料將生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展聯(lián)結(jié)為一個互為因果的有機整體，要求經(jīng)濟發(fā)展考慮自然生態(tài)環(huán)境的長期承載能力。即把若干工業(yè)生產(chǎn)活動按照自然生態(tài)系統(tǒng)的模式，組織成一個“資源產(chǎn)品再生資源再生產(chǎn)品”的物質(zhì)循環(huán)流動生產(chǎn)過程，這是一種循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展模式。材料產(chǎn)業(yè)是資源、能源的主要消耗者和環(huán)境污染的主要責任者之一。隨著地球上人類生態(tài)環(huán)境的惡化，保護地球，提倡綠色技術(shù)及綠色產(chǎn)品的呼聲日益高漲。對材料科學工作

37、者來說，有效地利用有限的資源，減少材料對環(huán)境的負擔性，在材料的生產(chǎn)、使用和廢棄中保持資源平衡、能量平衡和環(huán)境平衡，是一項義不容辭的責任。另一方面，21世紀是可持續(xù)發(fā)展的世紀。社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展要求以自然資源為基礎(chǔ)，與環(huán)境承載能力相協(xié)調(diào)。研究環(huán)境與材料的關(guān)系，實現(xiàn)材料的可持續(xù)發(fā)展，是歷史發(fā)展的必然，也是材料科學的一種進步。4.1.2材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展604.2環(huán)境材料的生態(tài)設(shè)計理論本節(jié)內(nèi)容61生態(tài)設(shè)計（Eco-design, ED）是指產(chǎn)品在整個生命周期設(shè)計中充分考慮對資源和環(huán)境的影響，設(shè)法使性能，包括安全性、實用性、美觀性和壽命等趨于最大；使成本和對生態(tài)環(huán)境的影響趨于最小，故又稱為生命周

38、期工程設(shè)計（Life Cycle Engineering Design, LCED）、綠色設(shè)計（Green Design, GD）,或為環(huán)境而設(shè)計（Design for Environment, DFE）。4.2.1 生態(tài)設(shè)計的基本概念和內(nèi)涵4.2環(huán)境材料的生態(tài)設(shè)計理論（1）生態(tài)設(shè)計的定義62著名的生態(tài)設(shè)計學家德國德爾夫特理工大學Hand Brezet 教授把生態(tài)設(shè)計區(qū)分為4個動態(tài)階段：產(chǎn)品改進、產(chǎn)品再設(shè)計、功能創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新。第一階段為產(chǎn)品改進。產(chǎn)品改進就是應(yīng)用污染預(yù)防與清潔生產(chǎn)觀念來調(diào)整和改進現(xiàn)有產(chǎn)品，而總的產(chǎn)品技術(shù)基本維持現(xiàn)狀，例如組織輪胎回收系統(tǒng)，改變某產(chǎn)品零件的原材料等。第二階段為產(chǎn)

39、品再設(shè)計，即產(chǎn)品概念將保持不變，但該產(chǎn)品的組成部分被進一步開發(fā)或用其他東西代替。從污染預(yù)防和清潔生產(chǎn)角度對現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零部件重新設(shè)計。第三階段為功能創(chuàng)新，改變滿足產(chǎn)品功能的方式，例如用E-mail代替紙張傳遞信息等。第四階段為產(chǎn)品系統(tǒng)創(chuàng)新，出現(xiàn)了新的產(chǎn)品和服務(wù)，需要改變有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施和組織，系統(tǒng)創(chuàng)新涉及整個產(chǎn)品與服務(wù)的創(chuàng)新，要求相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施與社會觀念發(fā)生變革，例如用生態(tài)建材取代傳統(tǒng)建材等。（2）生態(tài)設(shè)計的內(nèi)涵4.2.1 生態(tài)設(shè)計的基本概念和內(nèi)涵63擴大了產(chǎn)品的生命周期生態(tài)設(shè)計是并行閉環(huán)設(shè)計生態(tài)設(shè)計有利于保護環(huán)境，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡生態(tài)設(shè)計可以防止地球上礦物資源的枯竭生態(tài)設(shè)計的結(jié)果是減少了廢棄

40、物數(shù)量及其處理的棘手問題(3) 生態(tài)設(shè)計的特點4.2.1 生態(tài)設(shè)計的基本概念和內(nèi)涵64（4）生態(tài)設(shè)計和傳統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系4.2.1 生態(tài)設(shè)計的基本概念和內(nèi)涵比較因素傳統(tǒng)設(shè)計生態(tài)設(shè)計設(shè)計依據(jù)依據(jù)用戶對產(chǎn)品提出的功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設(shè)計依據(jù)環(huán)境效益和生態(tài)環(huán)境指標與產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量及成本要求來設(shè)計設(shè)計人員設(shè)計人員很少或沒有考慮到有效的資源再生利用及對生態(tài)環(huán)境的影響要求設(shè)計人員在產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計階段，必須考慮降低能耗、資源重復利用和保護生態(tài)環(huán)境設(shè)計技術(shù)或工藝在制造和使用過程中很少考慮產(chǎn)品回收，用完后就被拋棄在產(chǎn)品制造和使用過程中可拆卸、易回收，不產(chǎn)生毒害和其他副作用并保證產(chǎn)生最少的廢棄物設(shè)計目的

41、為需求而設(shè)計為需求和環(huán)境而設(shè)計，滿足可持續(xù)發(fā)展要求產(chǎn)品傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品綠色產(chǎn)品或綠色標志產(chǎn)品表4-1生態(tài)設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的關(guān)系比較654.2.2生態(tài)設(shè)計的原則和思路（1）生態(tài)設(shè)計的原則基本原則：生態(tài)設(shè)計必須在使用資源豐富的材料的同時要有效地利用可再生資源；必須認識到存在隱含于資源中的物質(zhì)流的問題，盡量設(shè)法使用物質(zhì)集約度（material intensity， MI）更低的物品；必須選擇材料環(huán)境影響值（ecoindicator）更低的物品。這里的環(huán)境影響值是表示綜合環(huán)境影響的指標，一般而言再生材料的環(huán)境影響值要比新鮮材料的小。與材料有關(guān)的原則與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的原則與制造工藝有關(guān)的原則（2）生態(tài)設(shè)

42、計的思路低物質(zhì)化功能經(jīng)濟物質(zhì)替代664.2.3生態(tài)設(shè)計的主要內(nèi)容（1）原材料的生態(tài)設(shè)計 1）減少原材料的使用量。通過生態(tài)設(shè)計，在為人類提供同樣的經(jīng)濟功能的同時相對或絕對地減少原材料的使用量。2）采用再循環(huán)材料。 盡量避免使用不可再生，或者需要很長時間才能再生的原料，如礦物燃料，金屬銅等。盡量使用可以再循環(huán)利用的原材料，可以減少原料在采掘和生產(chǎn)過程中的能耗。例如：日本的Beauty工業(yè)利用廢舊的玻璃作為原料，生產(chǎn)的免燒瓷磚可以節(jié)省大量的資源和能源，而且這種瓷磚可以再利用。3）采用低能值原料。 在原料的采掘和生產(chǎn)過程中，需要的工藝過程愈復雜，所消耗的能源就越多。這種在采掘和生產(chǎn)過程中消耗大量能源的

43、原料稱為高耗能原料。但必須注意：必須采用系統(tǒng)和全生命周期的觀點，即全局看待其原料采掘、生產(chǎn)和使用過程。比如：碳纖維屬于高耗能材料，但是其后續(xù)的使用過程中因為其具有良好的強度、硬度、抗老化等優(yōu)良特性而節(jié)省能源。674.2.3生態(tài)設(shè)計的主要內(nèi)容（2）產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計1）整合產(chǎn)品功能2）優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)3）產(chǎn)品部件的功能優(yōu)化長壽命化，尤其是易損部件的長壽命化可提高產(chǎn)品的整體壽命。連接簡化，采用容易拆卸的連接方法。重復利用化。經(jīng)過翻修可達到原設(shè)計要求而再次使用。4）模塊化設(shè)計5）易于維護和維修6）易于再循環(huán)684.2.3生態(tài)設(shè)計的主要內(nèi)容 （3）生產(chǎn)過程的生態(tài)設(shè)計1）盡可能減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)2）選擇對環(huán)境影響小的

44、生產(chǎn)技術(shù)3）使用清潔能源和材料4）建立ISO14001環(huán)境管理體系（4）產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)設(shè)計（5）材料再生設(shè)計694.3 環(huán)境材料的生態(tài)設(shè)計技術(shù)與方法本節(jié)內(nèi)容系統(tǒng)論的設(shè)計思想主要表現(xiàn)在解決設(shè)計問題的指導思想和原則上，就是要從整體上、全局上、相互聯(lián)系上來研究設(shè)計對象及相關(guān)問題，從而達到設(shè)計總體目標的最優(yōu)和實現(xiàn)這個目標過程和方式的最優(yōu)。生態(tài)設(shè)計就是要在技術(shù)與藝術(shù)、功能與形式、環(huán)境與經(jīng)濟、環(huán)境與社會等聯(lián)系之中尋求一種適宜的平衡和優(yōu)化，片面地研究某一側(cè)面并加以過分地強調(diào)都必然會對產(chǎn)品最終的綠色成果產(chǎn)生影響。因此，系統(tǒng)設(shè)計要求在產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、管理，以及產(chǎn)品的經(jīng)濟性、維護性、回收處理、安全性等方面，

45、均從系統(tǒng)的高度加以具體分析，確定其各自的地位，在有序和協(xié)調(diào)的狀態(tài)下，使得產(chǎn)品達到整體“生態(tài)化”。從根本上來說，系統(tǒng)設(shè)計主要是一種觀念，一種看問題的立場和觀點，它強調(diào)我們應(yīng)該如何認識和創(chuàng)造事物，而不是著重與說明事物本身是什么。從這個意義上說，系統(tǒng)設(shè)計思想是生態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)和立足點。4.3.1 系統(tǒng)設(shè)計4.3.2 模塊化設(shè)計由于在產(chǎn)品設(shè)計過程中，可利用的生產(chǎn)設(shè)備、方法、技術(shù)、材料加工方法等日漸繁多，工業(yè)社會組織與產(chǎn)品形態(tài)日趨復雜，而產(chǎn)品的市場需求趨勢也隨著人們生活水平的提高在不斷變化。因此，生態(tài)設(shè)計隨之變得不像傳統(tǒng)設(shè)計那樣單純。生態(tài)設(shè)計要求設(shè)計人員在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的過程中需要具有系統(tǒng)的觀點，充分掌握設(shè)

46、計的全盤性以及其相互聯(lián)系和制約的細節(jié)。其特點是采用物料和功能循環(huán)的思想，擴大了產(chǎn)品的生命周期，有利于維護生態(tài)系統(tǒng)平衡，提高資源效率，減少廢物數(shù)量及處理成本。其設(shè)計思想是整體性、綜合性和最優(yōu)化，核心是把生態(tài)設(shè)計對象以及有關(guān)的設(shè)計問題視為系統(tǒng)，然后用系統(tǒng)論、系統(tǒng)分析的概念和方法加以處理和解決。所謂系統(tǒng)的方法，即從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，始終著重于從整體與部分之間、整體對象與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用、相互制約的關(guān)系中綜合地、精確地考察對象，以達到最佳處理問題的一種方法。72（1）模塊化設(shè)計的歷史（2）模塊化設(shè)計的基本概念（3）模塊化設(shè)計（4）模塊化設(shè)計與市場（5）模塊化設(shè)計對生態(tài)設(shè)計的意義 4.3.

47、2 模塊化設(shè)計734.3.3 長壽命化設(shè)計（1）耐高溫材料（2）高強度材料74（1）回收再生方法：再使用，也被稱為原點利用或單純再利用。材料再生循環(huán)?；瘜W再生循環(huán)。熱能再生循環(huán)。（2）可回收產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性具有良好的拆卸性能，以保證回收的可能性和便利性。盡可能地選取可整新的零件。可重用零部件的布局應(yīng)考慮其凈化工藝對環(huán)境不產(chǎn)生污染?？芍赜昧悴考臓顟B(tài)要容易明確地識別。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有利于維修調(diào)整。限制材料種類。采用系列化、模塊化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。考慮零件的異化再使用方法。盡可能利用回收零部件或材料?？紤]與材料的相容性。4.3.4 再生設(shè)計754.3.5 仿生設(shè)計 仿生設(shè)計是模仿生物器官的組織結(jié)構(gòu)和運行模式

48、，進行材料的設(shè)計。它通過模擬生物器官的組織結(jié)構(gòu)、自愈合、自增長與自進化等功能，以迅速響應(yīng)市場需求并保護自然環(huán)境。從模仿生物體的生命過程，開展材料設(shè)計與制備的“仿生處理”，具有巨大的經(jīng)濟價值和環(huán)保意義。仿生設(shè)計可以粗略地概括為以下三個方面：材料的結(jié)構(gòu)仿生；材料的功能仿生；材料的形成過程仿生。總而言之，材料的生態(tài)設(shè)計是實現(xiàn)材料可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。生態(tài)設(shè)計就是要明顯地減少材料制造前的隱性材料物質(zhì)流和能源流，也就是在材料循環(huán)的前端減少，而不是促進生產(chǎn)，導致廢棄物的循環(huán)。生態(tài)設(shè)計的基本思想就是將粗放型的生產(chǎn)與消費系統(tǒng)變成集約型，使得產(chǎn)品從孕育到使用，再從使用到循環(huán)的每個周期都更加的合理、環(huán)保。生態(tài)設(shè)計

49、的思想、原則和方法不僅僅適用于新材料和新產(chǎn)品的開發(fā)，也適用于傳統(tǒng)產(chǎn)品和技術(shù)的改進與發(fā)展。221.可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵是什么？2.什么是生態(tài)設(shè)計？生態(tài)設(shè)計的目標是什么？3.生態(tài)設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別有哪些？4.生態(tài)設(shè)計有哪些原則和特點？5.從生態(tài)設(shè)計的4階段模型來看，目前正處于材料或產(chǎn)品的再設(shè)計和功能革新階段（即step2和step3），你認為如何才能加速當前階段的進程而進入第4階段？77思考題The End.5 環(huán)境材料的環(huán)境友好加工與清潔生產(chǎn)5.1 環(huán)境材料的環(huán)境友好加工技術(shù)5.2 環(huán)境材料的清潔生產(chǎn)工藝本章內(nèi)容5.1 環(huán)境材料的環(huán)境友好加工技術(shù)本節(jié)內(nèi)容人類社會正努力從以“大量生產(chǎn)、大量消費和大量

50、廢棄”為基本特征的傳統(tǒng)經(jīng)濟社會向“最優(yōu)生產(chǎn)、最優(yōu)消費和最少廢棄”的現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的“生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟社會”的方向轉(zhuǎn)變。對于材料產(chǎn)業(yè)，為了遏制污染，減輕材料的環(huán)境負擔，應(yīng)著重發(fā)展材料的環(huán)境友好加工和制備技術(shù)。具體表現(xiàn)在為了避免或減少環(huán)境污染而采取的污染控制技術(shù)；以及為排放到環(huán)境以前的再循環(huán)利用技術(shù)等1。在實際生產(chǎn)過程中，往往同時采用多種環(huán)境友好加工技術(shù)來實現(xiàn)材料的環(huán)境友好生產(chǎn)過程。目前，主要的環(huán)境友好加工技術(shù)有避害技術(shù)、污染控制技術(shù)、再循環(huán)利用技術(shù)、補救修復技術(shù)和生態(tài)工業(yè)技術(shù)等。5.1 環(huán)境材料的環(huán)境友好加工技術(shù)5.1.1 避害技術(shù)5.1 環(huán)境材料的環(huán)境友好加工技術(shù)目前材料的生產(chǎn)、加工行業(yè)都已研究出

51、不少較為成熟的有害物替代和避害技術(shù)，包括無害原材料替代有害原材料，以及用環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝替代污染較嚴重的生產(chǎn)工藝等。圖 5.1 是用環(huán)境友好生產(chǎn)工藝代替污染嚴重生產(chǎn)工藝的避害技術(shù)處理示意圖。在材料的表面處理中，電鍍行業(yè)通過采用低毒、低害化工原料配置的功能處理溶液替代毒性大、危害重的原料配置的處理溶液3。從而使電鍍過程不產(chǎn)生或者少產(chǎn)生有害廢物，是開發(fā)清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)的主要方向。如已廣泛采用的無氰電鍍技術(shù)，用對環(huán)境和人體無害的物質(zhì)代替在鍍槽表面易散發(fā)出劇毒的氰化物作為配位劑，從而消除了氰化物的危害。涂料具有對材料表面保護和裝飾的重要應(yīng)用。開林造漆廠的原先船底防污漆中添加DDT用來防污，但該產(chǎn)品屬

52、于溶解型防污漆，涂膜中的防污劑會隨著時間的推移慢慢向海水中滲出，造成海水的DDT污染。隨后，開林造漆廠經(jīng)過試驗，先后采用天然防污劑、合成防污劑以及不含防污劑（即改變涂層表面的物理化學特性）等方法制備船底漆，并進行防污效果對比，最后確定以改變涂料表面的物理化學特性方法，取消船底防污漆中DDT的使用，并實現(xiàn)原料的無害化2。類似以無毒或低毒材料代替有毒、劇毒材料在工業(yè)中運用的例子很多，如用玻璃纖維、泡沫聚乙烯代替石棉作為隔熱材料；化學工業(yè)中，用二氯苯代替苯作為合成偶氮染料的原料，等等。5.1.1 避害技術(shù)（1）用無害材料替代有害材料原料確定之后，所采用的生產(chǎn)工藝技術(shù)路線就成為決定有害物產(chǎn)生的重要因素

53、。在材料的生產(chǎn)加工中，應(yīng)盡量選擇那些不產(chǎn)生有害物質(zhì)或在生產(chǎn)過程中能將有害物質(zhì)消滅或回收利用的工藝路線。通過改變生產(chǎn)方式，主要是技術(shù)更新和工藝置換，采用環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝，保護環(huán)境，實現(xiàn)避害。技術(shù)更新是應(yīng)用不同的原理設(shè)計新的生產(chǎn)工藝，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污染嚴重的工藝。一般來說，工藝的改動對技術(shù)的依賴程度較大，一個新的生產(chǎn)工藝，往往需要很長的時間，亦需要投入大量人力物力，才能開發(fā)完成。除了改變整個生產(chǎn)工藝的方式外，對一個生產(chǎn)工藝中的一個工序或生產(chǎn)設(shè)備進行技術(shù)改造，或工藝置換也可改善環(huán)境，減少污染物的產(chǎn)生。實踐中多采用改動設(shè)備、改動作業(yè)方法或改變生產(chǎn)工序等，以達到不產(chǎn)生，或者少產(chǎn)生有害物。5.1.1 避害技

54、術(shù)（2）用環(huán)境友好的生產(chǎn)工業(yè)代替污染較重的生產(chǎn)工藝5.1.2 污染控制技術(shù)關(guān)于污染物排放控制方法，一般包括減少有害物排放的分離處理、無害化轉(zhuǎn)化處理以及有害物收集存儲等，其技術(shù)原理示意圖如圖 5.2所示。其核心是將有害物在進入環(huán)境之前盡可能轉(zhuǎn)化為無害物，盡量減少對環(huán)境的損害。5.1.2 污染控制技術(shù)圖 5-2 污染物排放控制原理示意圖環(huán)保中通常提到的“三廢”包括氣、液、固三種形態(tài)廢棄物，是可以相互轉(zhuǎn)化的。如廢氣中的NOx、SOx升到空中，經(jīng)過轉(zhuǎn)化并溶于雨水降落形成液態(tài)的酸雨；廢水中的溶解態(tài)物質(zhì)，經(jīng)沉淀處理后分離出污泥又成為固態(tài)廢渣；廢渣中的可溶性成分被雨水淋濾進入局部蓄水區(qū)致使該區(qū)域水質(zhì)變?yōu)閺U水

55、，三種狀況如此循環(huán)轉(zhuǎn)換?？刂浦卫頃r要綜合考慮，確保有害物在進入環(huán)境之前徹底轉(zhuǎn)化為無害物。無害化轉(zhuǎn)化處理指對一些污染物進行物理或化學轉(zhuǎn)化處理，使有害物變成無害物再向環(huán)境排放，消除有害物對環(huán)境的影響。物理轉(zhuǎn)化主要包括分離、沉淀、過濾、吸附、吸收等處理技術(shù)，化學轉(zhuǎn)化則主要包括氧化、還原、催化及生物處理。(1) 無害化轉(zhuǎn)化處理5.1.2 污染控制技術(shù)有害物收集存儲處理主要針對那些現(xiàn)階段難以完成無害化轉(zhuǎn)化處理的有害物，目前在工業(yè)“三廢”處理中應(yīng)用較普遍。如工業(yè)廢氣排放前，應(yīng)先進行除塵，將固體顆粒物收集脫除，再根據(jù)廢氣成分集環(huán)保要求進行其他處理。防止有害物質(zhì)未經(jīng)處理就進入環(huán)境，關(guān)鍵債務(wù)工藝生產(chǎn)流程的密封程

56、度，包括設(shè)備本身的密閉情況及保證投料、出料、物料輸送的過程中有害物不能溢出。如橡膠加工中的塑煉和混凝是在開煉機和密煉機中進行的，如不密閉則散發(fā)出大量有毒氣體和煙塵。一些生產(chǎn)設(shè)備，如破碎機、電鍍機、清洗槽等，均可采用密閉的方法。（2）有害物收集存儲處理5.1.2 污染控制技術(shù)5.1.3 再循環(huán)利用技術(shù)（1）減量化技術(shù)系統(tǒng)及其運行管端減量化技術(shù)是指：利用高科技，省料、節(jié)能、減少資源消耗，或者單位消耗的資源能生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品。例如：使產(chǎn)品包裝更加簡單化；推廣和使用各種先進的節(jié)電技術(shù)、設(shè)備和運用科學的管理方法訂立和你的政策來解決生產(chǎn)和生活用電；工業(yè)上科學合理地配置材料，盡量節(jié)約原材料用量。管道中生產(chǎn)和

57、消費過程減量技術(shù)是指：生產(chǎn)過程中物盡其用，充分發(fā)揮生產(chǎn)要素的功能，提高資源利用率，相同資源因利用高技術(shù)，能生產(chǎn)更多長柄并提供更多服務(wù)。消費過程中盡可能減少資源消費量，盡量在發(fā)揮同樣功能的前提下，使所需資源更少。具體來說是指使用簡約化技術(shù)減少加工程序，講話生產(chǎn)過程。末端治理的減量化技術(shù)是指：通過運用凈化、焚燒等技術(shù)，減少廢棄物排放量，減輕環(huán)境的壓力（大氣、水體、土壤），優(yōu)化環(huán)境效益。實際上，在節(jié)能、省料技術(shù)實現(xiàn)過程中，內(nèi)含性地包括了替代技術(shù)的運用。替代技術(shù)指通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而不改變其功能的技術(shù)。替代的目的在于減少資源消耗或減少對不可再生資源的消耗，最大化地減少對環(huán)境的污染和破壞。（2）再利用技

58、術(shù)系統(tǒng)及其運行 再利用技術(shù)主要運用在生產(chǎn)和消費過程匯總，指對同一物品及資源進行反復利用，通過對產(chǎn)品進行循環(huán)反復利用和梯次遞減利用來減少資源消耗的技術(shù)。5.1.3 再循環(huán)利用技術(shù)（3）資源化技術(shù)系統(tǒng)及運行 資源化技術(shù)是指對生產(chǎn)和消費過程中產(chǎn)生的廢棄物通過利用高科技手段進行改造，將廢棄物通過利用高科技手段進行改造，將廢棄物通過若干次資源化處理，重新物化為企業(yè)再生產(chǎn)的資源，實現(xiàn)廢棄資源中可利用部分的充分利用，以減少廢棄物對環(huán)境的壓力，同時節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)資源的一整套技術(shù)體系。5.1.3 再循環(huán)利用技術(shù)廣義上，環(huán)境的補救修復包括對由于過去污染物排放的積累造成的環(huán)境污染的補救和修復，以及由于正在進行的生產(chǎn)

59、過程對環(huán)境造成的污染的補救修復處理。后一種情況相當于把污染控制過程移至生產(chǎn)過程外面進行，這樣可對幾個生產(chǎn)工藝用一種污染處理工藝進行同時處理，相當于一個獨立的環(huán)境污染處理系統(tǒng)。5.1.4 補救修復技術(shù)資源能源產(chǎn)品無害廢物環(huán)境生產(chǎn)生產(chǎn)生產(chǎn)補救修復 生態(tài)工業(yè)技術(shù)以工業(yè)生態(tài)學和系統(tǒng)科學為理論基礎(chǔ)，它把兩個或多個生產(chǎn)過程或生產(chǎn)單元鏈接起來，形成結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)、資源和能源效率高、環(huán)境污染排放少、經(jīng)濟產(chǎn)出高效的工業(yè)共生體和復合型生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)的方法和手段。 生態(tài)工業(yè)技術(shù)是“生態(tài)工業(yè)”這一新型工業(yè)組織形態(tài)形成和發(fā)展的基本支撐條件，是實現(xiàn)工業(yè)發(fā)展可持續(xù)性的重要手段。以丹麥的卡隆堡生態(tài)工業(yè)園為例，園區(qū)內(nèi)的主體企業(yè)是

60、電廠、煉油廠、制藥廠和石膏板生產(chǎn)廠，以這四個企業(yè)為核心，通過貿(mào)易方式利用對方生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物或副產(chǎn)品，作為自己生產(chǎn)中的原料，不僅減少了廢棄物產(chǎn)生量和處理的費用，還產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益，形成經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的良性循環(huán)。5.1.5 生態(tài)工業(yè)技術(shù)5.1.5 生態(tài)工業(yè)技術(shù)本節(jié)內(nèi)容5.2 環(huán)境材料的清潔生產(chǎn)工藝5.2 環(huán)境材料的清潔生產(chǎn)工藝5.2.1 清潔生產(chǎn)的基本概念1989年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的“清潔生產(chǎn)”（Cleaner Production，簡稱CP）的概念是：“清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性思想，該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程、產(chǎn)品設(shè)計和服務(wù)中，以增加生態(tài)效率和減少人類及環(huán)境