環(huán)境材料學(xué)-第三章

第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)3.1常見的環(huán)境指標(biāo)及其表達(dá)方法第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)衡量材料環(huán)境影響的定量指標(biāo)能耗環(huán)境影響因子環(huán)境負(fù)荷單位單位服務(wù)的材料消耗生態(tài)指數(shù)生態(tài)因子第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)能耗

20世紀(jì)90年代初，歐洲的一些旅行社為了推出綠色旅游和滿足環(huán)保人士的度假需求，曾用能耗來(lái)表達(dá)旅游過(guò)程的環(huán)境影響。例如：對(duì)某條旅游線路，坐飛機(jī)的能耗是多少？坐火車的能耗是多少？自駕車能耗是多少？第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)在材料的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，也有用能耗指標(biāo)來(lái)表示其對(duì)環(huán)境影響，如下表。材料鋼鋁水泥能耗31.836.7142.4一些材料生產(chǎn)過(guò)程的能耗比較MJ/t第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)2.環(huán)境影響因子

EnvironmentalAffectFactor，EAF

EAF=【資源，能源，污染物，生物影響，區(qū)域性】把材料的生產(chǎn)和使用過(guò)程中原材料和能源的投入及廢物的產(chǎn)出都考慮進(jìn)去,這樣比能耗指標(biāo)更全面綜合一些第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)3.環(huán)境負(fù)荷單位

EnvironmentalLoadUnit，ELU主要由瑞典環(huán)境研究所完成的，現(xiàn)在在歐美較流行。由于單位材料的質(zhì)量環(huán)境負(fù)荷單位是一種無(wú)量綱單位，在實(shí)際應(yīng)用中如何換算某種材料的環(huán)境負(fù)荷單位并與其他材料的環(huán)境影響進(jìn)行比較，目前沒有完全為公眾了解和接受。第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)4.單位服務(wù)的材料消耗Materialsintensityperunitofervice,MIPS指在某一單位過(guò)程中的材料消耗量，可是生產(chǎn)過(guò)程或消費(fèi)過(guò)程5.生態(tài)指數(shù)Eco-point

對(duì)某一過(guò)程或產(chǎn)品，根據(jù)其污染的產(chǎn)生量及其他環(huán)境作用的大小，綜合計(jì)算出該產(chǎn)品或過(guò)程的生態(tài)指數(shù)，判斷其環(huán)境影響程度。6.生態(tài)因子Eco-indicator，ECOI

一部分是材料的環(huán)境影響（EnvironmentalImpact,EI）包括資源、能源的消費(fèi)，以及排放的廢水、廢氣、廢渣等污染物，以及其他環(huán)境影響。另一部分考慮材料的使用或服務(wù)性能（ServicePerformance，SP）包括材料的強(qiáng)度、韌性、熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo)率等指標(biāo)。ECOI=EI/SP

第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)3.2材料環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)

早期曾采用單因子方法來(lái)評(píng)價(jià)材料的環(huán)境影響。

20世紀(jì)90年代初，專家提出綜合的評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)方法（LifeCycleAssessment,LCA）

已經(jīng)成為世界通行的方法，是ISO14000標(biāo)準(zhǔn)系列之一。3.2.1LCA起源

LCA起源于20世紀(jì)60年代化學(xué)工程中應(yīng)用的“物質(zhì)-能量流平衡方法”。20世紀(jì)80年把“物質(zhì)-能量流平衡”代引入到工業(yè)產(chǎn)品整個(gè)壽命周期分析中，以考察工藝過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)，即從原材料提取、制造、運(yùn)輸與分發(fā)、使用、循環(huán)回收，直至廢棄的整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境的綜合影響，這種方法后來(lái)被稱為“從墳?zāi)沟綋u籃”（FromCradletoGrave）的生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)。

LCA作為正式的環(huán)境評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)由國(guó)際環(huán)境毒理和化學(xué)學(xué)會(huì)（SocietyofEnvironmentalToxicologyandChemistry,SETAC）1990年提出，并給出了LCA定義和規(guī)范3.2.2LAC的定義LCA作為正式的環(huán)境評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)是由SETAC和ISO推出的所謂生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)（LCA）是一種評(píng)價(jià)某某一過(guò)程、產(chǎn)品或事件從原材料投入、加工制備、使用到廢氣的整個(gè)生態(tài)循環(huán)過(guò)程中環(huán)境負(fù)荷的定量方法。顯然，對(duì)材料的生產(chǎn)和使用過(guò)程，采用LCA來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境的影響是全面和綜合的。3.3LAC的技術(shù)框架及評(píng)價(jià)過(guò)程3.3.1LAC目標(biāo)和范圍定義需要定義的LCA評(píng)價(jià)目標(biāo)主要包括界定評(píng)價(jià)對(duì)象、實(shí)施LCA評(píng)價(jià)的原因，以及評(píng)價(jià)結(jié)果的輸出方式。功能單位是評(píng)價(jià)環(huán)境影響大小的度量單位。系統(tǒng)邊界確定了哪些過(guò)程應(yīng)該包括到LAC評(píng)價(jià)范圍中。 數(shù)據(jù)是指在LCA評(píng)價(jià)過(guò)程中用到的所有定性和定量的數(shù)值或信息，這些數(shù)據(jù)可能來(lái)自測(cè)量到的環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以是中間的處理結(jié)果。為保證LCA評(píng)價(jià)方法符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果客觀或者可靠，在LCA評(píng)價(jià)過(guò)程結(jié)束后可以邀請(qǐng)第三方對(duì)結(jié)果進(jìn)行審核。3.3.2編目分析根據(jù)評(píng)價(jià)的目標(biāo)和范圍定義，針對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象收集定量或定性的輸入和輸出數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理和計(jì)算的過(guò)程稱為編目分析。即對(duì)產(chǎn)品整個(gè)壽命周期中消耗的原材料、能源以及固體廢棄物、大氣污染物、水體污染物等，根據(jù)物質(zhì)平衡和能量平衡進(jìn)行正確的調(diào)查并獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程。另外，LCA用戶也可以直接從編目分析中得到結(jié)論。

木材料煤石油和天然氣礦物資源金屬礦產(chǎn)其他能源生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)和范圍定義溫室氣體效應(yīng)酸雨有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)臭氧層破壞大氣污染物水污染物廢渣排放固體有害污染物光、聲、電磁波污染物編目分析中通常含以下幾個(gè)過(guò)程或步驟（1）系統(tǒng)和系統(tǒng)邊界定義（2）系統(tǒng)內(nèi)部流程（3）編目數(shù)據(jù)的收集與處理3.3.3環(huán)境影響評(píng)價(jià)目前，環(huán)境影響評(píng)價(jià)的方法有許多，但基本上都包含4個(gè)步驟：分類、表征、歸化和評(píng)價(jià)。

分類分類是編目與環(huán)境損壞種類相聯(lián)系并分組排列的過(guò)程，它是一個(gè)定性的、基于自然科學(xué)知識(shí)的過(guò)程。

表征不同編目種類造成同一種環(huán)境損害的程度不同。

歸一化

該方法主要是環(huán)境因素的簡(jiǎn)化，用單因子表示最后的評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)為了從總體上概括某一系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，將各種因素及數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、表征、歸一化處理后，最后進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。3.3.4評(píng)價(jià)結(jié)果解釋經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，作為一種有效的環(huán)境管理工具，LCA方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各領(lǐng)域和活動(dòng)中，評(píng)價(jià)這些活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響，尋求改善環(huán)境的途徑，在設(shè)計(jì)中為了減少環(huán)境污染提供最佳判斷。3.4常用的LCA評(píng)價(jià)模型在LCA評(píng)價(jià)過(guò)程中，常需要使用到一定的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)CA評(píng)價(jià)模型。目前為止，關(guān)于LCA評(píng)價(jià)模型可分為精確方法和近似方法。前者有輸入輸出方法，后者有線性規(guī)劃法、層次分析法等。

3.4.1輸入輸出法這是一種最簡(jiǎn)單，也是最常用的LCA評(píng)價(jià)模型。輸入?yún)?shù)輸出方法能源有效產(chǎn)品廢棄物廢水資源溫室效應(yīng)污染程度材料生產(chǎn)或使用過(guò)程3.4.2線性規(guī)劃法線性規(guī)劃法是一種常用的系統(tǒng)分析方法，其原理是在一定約束條件下尋求目標(biāo)函數(shù)的極值問(wèn)題。例如，以下數(shù)學(xué)模型：

[Ai,j][Bi,j]=[Fi,j](i,j=1,2,…,n)式中：A-----環(huán)境影響的分類因子；

B-----各環(huán)境影響因子在系統(tǒng)各個(gè)階段的環(huán)境影響數(shù)據(jù)

F-----該環(huán)境影響因子的環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果

I,j-----系統(tǒng)各階段序號(hào)3.4.3層次分析法層次分析法（analytichierarchyprocess,AHP）它是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。第三章材料的環(huán)境影響評(píng)價(jià)3.5LCA應(yīng)用舉例1.建筑瓷磚的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

我國(guó)是世界上最大的建材生產(chǎn)國(guó)。從資源的消耗到環(huán)境損害，建材行業(yè)一直是污染較嚴(yán)重的行業(yè)。為考察建材生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，用LCA方法評(píng)價(jià)了某建筑瓷磚生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。在LCA實(shí)施過(guò)程中，首先是目標(biāo)定義。對(duì)該瓷磚生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)的目標(biāo)定義為只考察其生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響；范圍界定在直接原料消耗和直接廢物排放，不考慮原料的生產(chǎn)加工過(guò)程以及廢水、廢渣的再處理過(guò)程。3.5LCA應(yīng)用舉例加水配料球磨攪拌廢水成形干燥燒成包裝加熱廢渣廢氣某瓷磚生產(chǎn)工藝示意圖

對(duì)該瓷磚產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響LCA評(píng)價(jià)的編目分析，主要按資源和能源消耗、各種廢棄物排放及其引起的直接環(huán)境影響進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、編目。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程中采用了輸入輸出法模型，其中輸入?yún)?shù)有能源和原料，輸出參數(shù)包括產(chǎn)品、廢水、廢渣，以及由二氧化碳引起的全球溫室效應(yīng)。輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)能源資源瓷磚廢渣廢水全球溫室效應(yīng)有鋼渣生產(chǎn)瓷磚的工藝過(guò)程某瓷磚生產(chǎn)線的輸入輸出法評(píng)價(jià)模型

通過(guò)輸入輸出法計(jì)算，得到該瓷磚生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響結(jié)果圖，其中（a）為能源和資源消耗情況，（b）為對(duì)環(huán)境影響。能源和資源消耗量生產(chǎn)量和排放量某瓷磚生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響LCA評(píng)價(jià)結(jié)果2.聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

為研究有機(jī)涂料的生產(chǎn)和使用對(duì)環(huán)境影響，這里選取一個(gè)防水涂料生產(chǎn)的實(shí)例，用LCA方法進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。其目標(biāo)定義為該防水涂料的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，不考慮涂料的施工及使用對(duì)環(huán)境及人體健康的影響；范圍定義在直接原料和直接廢物排放以及其他因素對(duì)環(huán)境的直接影響，不考慮原料的生產(chǎn)加工過(guò)程及廢水、廢渣的再處理過(guò)程。

根據(jù)防水涂料生產(chǎn)工藝示意圖，對(duì)該涂料的環(huán)境影響因素進(jìn)行編目分析。主要按能源和能源消耗，各種廢棄物排放及其引起的直接環(huán)境影響進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、編目。配料攪拌脫水調(diào)配反應(yīng)包裝廢氣廢渣某防水涂料的生產(chǎn)工藝示意圖

用輸入輸出法評(píng)價(jià)該環(huán)境的影響，其中輸入?yún)?shù)有能源和原料，輸出參數(shù)有涂料產(chǎn)品、廢渣、有機(jī)揮發(fā)物、區(qū)域毒性水平以及由二氧化碳排放引起的全球溫室效應(yīng)。輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)能源資源涂料產(chǎn)品廢渣全球溫室效應(yīng)有機(jī)揮發(fā)物區(qū)域毒性水平聚氨酯防水涂料生產(chǎn)過(guò)程某防水涂料生產(chǎn)過(guò)程的輸入輸出法評(píng)價(jià)模型

根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)計(jì)算得到該防水涂料對(duì)環(huán)境和人體健康的影響結(jié)果某防水涂料生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響LCA評(píng)價(jià)結(jié)果3.用層次分析法評(píng)價(jià)一般材料的環(huán)境影響

這里介紹用層次分析法評(píng)價(jià)鐵、鋁和高密度聚乙烯等三種常用材料在使用過(guò)程中的環(huán)境影響。前已介紹過(guò)層次分析法的基本原理。定義一個(gè)環(huán)境指數(shù)為L(zhǎng)CA的評(píng)價(jià)目標(biāo)。評(píng)價(jià)范圍界定為材料的使用過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。環(huán)境指數(shù)=環(huán)境影響材料性能

將目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及方案層構(gòu)造完畢后，按照LCA原理，可以進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)的編目分析S*=E*=式中：S*——材料性能指標(biāo)E*——環(huán)境影響指標(biāo)HEDP——高密度聚乙烯3.6LCA的局限性盡管LCA已在全球各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著對(duì)LCA應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的豐富，人們逐漸發(fā)現(xiàn)LCA也存在一些不足，在應(yīng)用范圍、評(píng)價(jià)范圍，甚至評(píng)價(jià)方法本身等方面還有一些局限性。1.應(yīng)用范圍的局限性歸一化

該方法主要是環(huán)境因素的簡(jiǎn)化，用單因子表示最后的評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)為了從總體上概括某一系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，將各種因素及數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、表征、歸一化處理后，最后進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。2.評(píng)價(jià)范圍的局限性LCA的評(píng)價(jià)過(guò)程中有一個(gè)范圍定義，在實(shí)踐中這個(gè)范圍定義往往使LCA的評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)生一些誤差。LCA的評(píng)價(jià)范圍一般包括事件、地域及風(fēng)險(xiǎn)范圍等3.評(píng)價(jià)方法的局限性LCA的評(píng)價(jià)方法既包括了客觀因素，也包括了一些主觀成分。例如系統(tǒng)邊界的確定、數(shù)據(jù)來(lái)源的選擇、環(huán)境損害種類的選擇、計(jì)算方法的選擇，以及評(píng)價(jià)過(guò)程的選擇等。無(wú)論評(píng)價(jià)的目標(biāo)和范圍定義如何，所有的LCA過(guò)程都包含了假設(shè)、價(jià)值判斷和這種這樣的主觀因素。所以，對(duì)運(yùn)用LCA評(píng)價(jià)得出的結(jié)論，需要給出完整的解釋說(shuō)明，以區(qū)別由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果和機(jī)遇假設(shè)和判斷得出的結(jié)論。3.7材料的環(huán)境性能數(shù)據(jù)庫(kù)從LCA評(píng)價(jià)過(guò)程可知，用LC