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文檔簡介
1、生態(tài)環(huán)境材料教學(xué)安排 考核方式:考試(70%)+平時成績(30%)返回教 材生態(tài)環(huán)境材料 聶祚仁、王志宏 機械工業(yè)出版社 2004 參考文獻1、生態(tài)環(huán)境材料 王天民 天津大學(xué)出版社 20002、生態(tài)材料導(dǎo)論 洪紫萍、王貴公 化學(xué)工業(yè)出版社 20013、環(huán)境材料學(xué) 翁端 清華大學(xué)出版社 20014、環(huán)境材料基礎(chǔ) 左鐵鏞、聶祚仁 科學(xué)出版社 20035、環(huán)境材料導(dǎo)論 張劍波北京大學(xué)出版社 2008返回生態(tài)環(huán)境材料緒論第一節(jié)、生態(tài)環(huán)境材料第二節(jié)、內(nèi)涵和定義第三節(jié)、研究與應(yīng)用發(fā)展第四節(jié)、發(fā)展趨勢第一章 概 論第一節(jié) 材料可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)物生態(tài)環(huán)境材料一、背景 材料的發(fā)展帶來的環(huán)境問題 材料的可持續(xù)發(fā)展
2、-生態(tài)環(huán)境材料 材料的發(fā)展帶來的環(huán)境問題 舊石器時代中石器時代新石器時代人們的生產(chǎn)力水平非常低下,談不上材料的生產(chǎn)的制備,材料的發(fā)展不會帶來環(huán)境影響。原始經(jīng)濟時期 資源經(jīng)濟時期() 人類進入工業(yè)文明時代,人口快速增長生產(chǎn)力水平的大大提高,人類經(jīng)濟活動擴大到地球的每一個角落,材料發(fā)展空間高漲,使人與自然的關(guān)系發(fā)生了歷史性轉(zhuǎn)變。蒸汽機早期火車汽車20世紀世界著名的十大公害事件PM2.5細顆粒物又稱細粒、細顆粒。PM2.5細顆粒物指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物,能較長時間懸浮于空氣中。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分,但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。
3、與較粗的大氣顆粒物相比,PM2.5粒徑小,面積大,活性強,易附帶有毒、有害物質(zhì)(例如,重金屬、微生物等),且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠,因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。2013年2月,全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會將PM2.5的中文名稱命名為細顆粒物。細顆粒物的化學(xué)成分主要包括有機碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽(Na+)等。來源:固定源包括各種燃料燃燒;如發(fā)電、冶金、石油、化學(xué)、紡織印染等各種工業(yè)過程、供熱、烹調(diào)過程中燃煤與燃氣或燃油排放的煙塵。流動源主要是各類交通工具在運行過程中使用燃料時向大氣中排放的尾氣。空氣質(zhì)量等級24小時PM2.5平均值標(biāo)準值 (g/
4、m3)優(yōu)0-50良50-100輕度污染100-150中度污染150-200重度污染200-300嚴重污染300以上全世界能源、各種原材料消耗快速;許多稀有金屬回收再利用率很低,造成全球范圍內(nèi)能源、資源枯竭。由各種材料制成的產(chǎn)品廢棄后的回收利用低,尤其是電子產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來越短,造成廢舊電子產(chǎn)品廢棄量逐年增加,而且此類產(chǎn)品的回收利用難度較大。這些廢棄物產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)造成環(huán)境污染。 拆解20萬臺舊家電,可以回收各類金屬4100噸,塑料1300噸,玻璃640噸;1噸電路板,可分離出130公斤銅、20公斤錫、0.45公斤黃金,最后留下的殘渣還能作為建筑材料、家具、絕緣材料的原料。每處置1噸電子
5、垃圾,可獲利潤3000元至10000元;一年若處理100噸,年利潤可達30萬元至60萬元。資源與能源材料的壽命周期與資源、環(huán)境的關(guān)系 對資源的消耗可以概括為以下幾方面。 能源的消耗 礦物資源的消耗 生物資源的消耗 水資源的消耗 對生態(tài)環(huán)境的損害可以概括為如下幾個方面。 向大氣環(huán)境排放的有害物質(zhì),如大氣污染物的誹出;具有溫室效應(yīng)氣體的徘出,破壞大氣臭氧層物質(zhì)的排出;酸性氣體物質(zhì)的排出等。 向水域徘放的有害物質(zhì),如危害人體和生物體健康物質(zhì)的排出;影響生態(tài)環(huán)境物質(zhì)的徘出等。 向土壤排放的有害物質(zhì),如污染土壤物質(zhì)的排出;惡化土質(zhì)物質(zhì)的誹出;危害生物鏈物質(zhì)的排出等。 其他損害環(huán)境物質(zhì)的排放,如固體廢棄物
6、的排放,惡臭物質(zhì)的排放:噪聲、振動、電磁波的產(chǎn)生等。表 1.1 世界主要金屬礦物資源儲量與預(yù)測使用的年限 表 1.2 世界礦物能源儲量、產(chǎn)量及其開采年限預(yù)測 年 限石 油天然氣煤 炭鈾確認儲量1368億t1380000億m310392億t低品位鈾約139萬t高品位鈾約61萬t1992年產(chǎn)量6800萬t21600億m345.5億t2.7萬t(不包括發(fā)展中國家)按1992年需求預(yù)計可開采年限466421974按2000年需求預(yù)計可開采年限2556按2010年需求預(yù)計可開采年限15 材料在生產(chǎn)-使用-廢棄的過程就是將大量的資源提取出來,又將大量的廢棄物排放到自然環(huán)境中的循環(huán)過程,人類在創(chuàng)造社會文明的
7、同時,也在不斷的破壞人類的生存空間。材料的可持續(xù)發(fā)展 -生態(tài)環(huán)境材料 生態(tài)環(huán)境材料的概念最早是由日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所教授山本良一在1992年10月提出的,生態(tài)環(huán)境材料的英文名稱Ecomaterials。由Environmental Conscious Materials或 Ecological Materials 縮寫而成,可理解為環(huán)境意識材料或生態(tài)材料,也即環(huán)境友好型材料或環(huán)境協(xié)調(diào)性材料。生態(tài)環(huán)境材料材料可持續(xù)發(fā)展的根本優(yōu)異的使用性能 優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性環(huán)境凈化治理污染功能性舒適性生態(tài)環(huán)境材料(ecological environment material):實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功
8、能材料以優(yōu)異環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料,它要求材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下,開發(fā)新型材料,或改進、改造傳統(tǒng)材料。生態(tài)環(huán)境材料并不是一類新材料,它是在人類認識到生態(tài)環(huán)境保護的重要戰(zhàn)略意義和世界各國紛紛走可持續(xù)發(fā)展道路的背景下提出來的,是人類主動考慮材料對生態(tài)環(huán)境的影響而開發(fā)的材料,是對傳統(tǒng)“材料科學(xué)與工程”概念內(nèi)涵的拓寬,也是材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。 “材料科學(xué)與工程是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和它們性能與用途之間的有關(guān)知識的開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)” -美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員會(1979年)第二節(jié) 生態(tài)環(huán)境材料的內(nèi)涵與定義一、環(huán)境材料的定義環(huán)境材料: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
9、用功能的人類所需的材料。生態(tài)環(huán)境材料:實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料。環(huán)境協(xié)調(diào)性:指資源和能源消耗少,環(huán)境污染小和循環(huán)再利用高。 環(huán)境材料的性能:二、環(huán)境材料的內(nèi)涵 在盡可能滿足用戶對材料性能要求的同時,必須考慮盡可能節(jié)約資源和能源,盡可能減少對環(huán)境的污染,要改變片面追求性能的觀點; 在研究、設(shè)計、制備材料以及使用、廢棄材料產(chǎn)品時,把材料及其產(chǎn)品整個壽命周期中對環(huán)境的協(xié)調(diào)性作為重要評價指標(biāo),改變只管設(shè)計生產(chǎn),而不顧使用和廢棄后資源再生利用及環(huán)境污染的觀點; 這個定義的拓寬涉及多學(xué)科的交叉,不僅講科學(xué)技術(shù)效益、經(jīng)濟效益,還要講社會效益,把材料科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的具體發(fā)
10、展目標(biāo)和全球、各國可持續(xù)發(fā)展的大目標(biāo)結(jié)合起來。見書P3 三、環(huán)境材料的特征1、從材料本身性質(zhì)來看生態(tài)環(huán)境材料的主要特征是 :1) 無毒無害、減少污染,包括避免溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等。2) 全壽命過程對資源和能源消耗少。3) 可再生循環(huán)利用、容易回收。4) 材料的高使用效率等。見書P22、從循環(huán)的角度來理解環(huán)境材料的特征是: 從原料開采、制造、使用至廢棄的整個壽命周期中,對資源和能源消耗最少、生態(tài)環(huán)境影響最小、再生循環(huán)利用率最高,或可分解使用的具有優(yōu)異使用性能的新型材料。 3、在環(huán)境材料這一總的概念指導(dǎo)下,不同的研究者有不同的理解,有些人認為,環(huán)境材料應(yīng)具備的特征是:1)先進性:即它可以拓展人類
11、的生活領(lǐng)域 (Expanding Human Frontiers),也能為人類開拓更廣闊的活動范圍;2)環(huán)境協(xié)調(diào)性(Environment Conscious):即能減少對環(huán)境的污染危害,從社會持久發(fā)展及進步的觀點出發(fā),使人類的活動范疇和外部環(huán)境盡可能協(xié)調(diào),在制造過程中,材料與能源的消耗、廢棄物的產(chǎn)生和回收處理應(yīng)降低到最小,產(chǎn)生的廢棄物也能被處理、回收、再生利用,且這一過程也無污染產(chǎn)生;3)舒適性 (Amenity):即能創(chuàng)造一個與大自然和諧的健康生活環(huán)境, 使人類生活環(huán)境更加美好、舒適。 也有些人認為環(huán)境材料的特征是:功能性、經(jīng)濟性和環(huán)境協(xié)調(diào)性等。這有利于對環(huán)境材料的評判,也符合現(xiàn)實情況。即
12、在材料的壽命周期中,在其功能性、經(jīng)濟性基本相同的條件下對環(huán)境負擔(dān)影響較小的材料。5、按照有關(guān)的研究報道和生態(tài)環(huán)境材料的要求,可將有關(guān)的材料特征分為十類:見書P4 1)節(jié)約能源: 2) 節(jié)約資源: 3) 可重復(fù)使用: 4) 可循環(huán)再生: 5) 結(jié)構(gòu)可靠性: 6) 化學(xué)穩(wěn)定性: 7) 生物安全性: 8) 有毒、有害替代: 9) 舒適性: 1O) 環(huán)境清潔、治理功能:四、環(huán)境材料的合成與加工工藝特征見書P41) 能源節(jié)約工藝:能夠通過提高能源效率或降低能量消耗但又不損害生產(chǎn)率來節(jié)省能量的加工方法。也包括熱能循環(huán)。2) 資源節(jié)約工藝:能夠通過提高材料的效率或降低材料的消耗但不損害生產(chǎn)率來節(jié)省資源的加工
13、方法。3) 降低污染的加工技術(shù):能夠降低污染物(如廢氣、廢液、有毒副產(chǎn)品和廢渣等)排放但又不損害生產(chǎn)率的加工技術(shù)。4) 凈化環(huán)境的加工技術(shù):能夠凈化有害物質(zhì)(如廢氣、廢液和有毒副產(chǎn)品)以及凈化已經(jīng)污染的空氣、河流、湖泊和土壤等的加工技術(shù)。五、環(huán)境材料的分類 根據(jù)環(huán)境材料的功能可分為:低(資源、能源)消耗材料、凈化材料、吸波材料、(光、生物)可降解材料、生物及醫(yī)療功能材料、傳感材料、抗輻射材料、相容性材料、吸附催化材料等。根據(jù)材料的用途可分為:工業(yè)生態(tài)材料、農(nóng)業(yè)生態(tài)材料、林業(yè)生態(tài)材料、漁業(yè)生態(tài)材料能源生態(tài)材料、抗輻射材料、相容性材料、生物材料及醫(yī)用材料等 生態(tài)環(huán)境材料的分類第三節(jié) 環(huán)境材料研究中
14、的幾個基本關(guān)系圖12 環(huán)境材料與其他材料的關(guān)系利用環(huán)境意識,一方面可以改造現(xiàn)有材料,使其與環(huán)境有良好的協(xié)調(diào)性;另一方面在制造、設(shè)計新材料時,就注意與其環(huán)境相容性。 環(huán)境材料并不是一種完全獨立的材料種類,環(huán)境材料不全都是高新技術(shù)材料,有許多傳統(tǒng)材料本身就具有環(huán)境材料的特征或可以發(fā)展成環(huán)境材料,甚至有些垃圾廢棄物經(jīng)加工都可以制成環(huán)境材料。一、環(huán)境材料與傳統(tǒng)材料和新材料的關(guān)系 返回二、環(huán)境材料與發(fā)展的關(guān)系 保護環(huán)境、愛護環(huán)境、珍惜資源的意識應(yīng)貫穿于人類活動的全過程中,因此,環(huán)境材料的研究與發(fā)展不是階段性的。它應(yīng)當(dāng)貫穿于人類文明社會的全過程中。環(huán)境材料不像其他材料,例如鐵、銅、陶瓷一樣,其發(fā)展是一代一
15、代的。環(huán)境材料不是一代新材料。從人類自身的進步和發(fā)展來看,環(huán)境意識應(yīng)貫穿于人類社會的全過程之中 , 也應(yīng)當(dāng)貫穿于人類開發(fā)、使用、制造、再生材料的整個過程中。環(huán)境材料本身應(yīng)該而且是可持續(xù)發(fā)展的。三、環(huán)境協(xié)調(diào)材料與環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品的關(guān)系 環(huán)境協(xié)調(diào)材料與環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品在概念上是有明顯區(qū)別的。環(huán)境協(xié)調(diào)材料或環(huán)境材料:注重從環(huán)境協(xié)調(diào)性研究材料的環(huán)境負荷特性,力求最低的環(huán)境負荷。 環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品(Environmental Conscious Products,ECP)目前主要注重的設(shè)計要素為凈化環(huán)境、防止污染、替代有毒物、再生利用、降低廢物量、再資源化、耐久性、可分解性、產(chǎn)品易拆卸、省能、省資源。事實上,環(huán)境協(xié)
16、調(diào)材料不一定能夠制成環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品。反過來,環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品不一定是由環(huán)境材料構(gòu)成。 德國和日本是環(huán)境協(xié)調(diào)產(chǎn)品的大力推行者。在西方商品市場上,有環(huán)境標(biāo)志的商品價格比同類商品的價格高20%30%,且其銷路極佳。第四節(jié) 生態(tài)環(huán)境材料的發(fā)展趨勢 一、環(huán)境材料的研究歷史 環(huán)境材料的研究目的:是尋找在加工、制造、使用和再生過程中具有最低環(huán)境負荷的人類所需材料, 以滿足人類生存和發(fā)展的需要。 東西方人對材料追求的不同態(tài)度:西方人追求的是材料的先進性和舒適性;而東方文化崇尚自然的心境, 則追求材料的自身協(xié)調(diào)和天人協(xié)調(diào)。東方文化追求天人和諧的思想, 對當(dāng)今材料領(lǐng)域有著深刻的影響。西方人對環(huán)境科學(xué)認識上的進步:隨著全
17、球環(huán)境意識的不斷提高, 西方的一些學(xué)者提出了建立“綠色材料和工藝”,并開發(fā)出有益于健康的良性環(huán)境材料和工藝, 最大限度地對自然資源進行循環(huán)利用并開發(fā)其副產(chǎn)品, 使之具有與大自然相互平衡的能力。1992年, 日本東京大學(xué)山本良一教授首先提出環(huán)境材料 (Ecomaterials) 的概念, 并于 1993年4 月成立了“ 日本環(huán)境材料研究會”。 我國政府的科技決策部門也充分認識到開展環(huán)境材料研究的必要性與緊迫性, 如19962000年度國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)中關(guān)于新材料研究項目指南中專門列入新型能源及環(huán)境材料這一專題; 目前在以下領(lǐng)域我國材料科學(xué)工作者取得了相當(dāng)?shù)某晒? 材料的環(huán)境負荷評
18、價方法及其實踐;生物降解塑料;固沙植被塑料;新型能源材料;汽車廢氣的排放控制與處理技術(shù);工業(yè)廢水處理技術(shù);工業(yè)廢棄物的再生利用;氟里昂替代材料;生態(tài)建材;新型分子篩材料等。 生態(tài)環(huán)境材料的幾個方面:純天然材料的開發(fā)和利用環(huán)境兼容性涂層材料汽車尾氣凈化用催化劑材料生物降解材料生態(tài)建筑材料綠色包裝材料仿生材料降低環(huán)境負擔(dān)性的材料加工工藝和技術(shù)二、生態(tài)環(huán)境材料的發(fā)展趨勢 1、關(guān)于生態(tài)環(huán)境材料及其學(xué)科的基本問題研究 2、材料的環(huán)境負荷評價方法和標(biāo)準的建立 3、生態(tài)環(huán)境材料和產(chǎn)品的研究及開發(fā) 4、制定與實施生態(tài)環(huán)境材料的教育計劃 5、推進生態(tài)環(huán)境材料研究與開發(fā)的國際合作與交流 見書P8 圖1-3 各種材料對社會發(fā)展的相對重要性三、環(huán)境材料與社會發(fā)展進步關(guān)系四、研究環(huán)境材料應(yīng)當(dāng)注
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