環(huán)境材料第二章

第二章材料產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境

第一節(jié)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)

《人類(lèi)環(huán)境宣言》----人類(lèi)既是他的環(huán)境的創(chuàng)造物,又是他的環(huán)境的創(chuàng)造者”。一、生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)平衡

(見(jiàn)書(shū)P13)1、生態(tài)系統(tǒng)

（1）生態(tài)學(xué)與生物圈：

生態(tài)學(xué)：是研究生物與其環(huán)境之間、生物與生物之間相互關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。這里所指的生物包括動(dòng)物、植物和微生物。

生物圈：地球上所有的生物及其生活領(lǐng)域的總和。（2）生態(tài)系統(tǒng)：在一定的空間范圍內(nèi),生物群落與其生存環(huán)境之間通過(guò)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)所構(gòu)成的綜合體就叫做生態(tài)系統(tǒng),它是構(gòu)成生物圈的基本結(jié)構(gòu)單位。生態(tài)系統(tǒng)=生物群落+環(huán)境條件。

任何生物群體與其生存環(huán)境所構(gòu)成的占有一定空間的自然實(shí)體叫生態(tài)系統(tǒng)。自然界生態(tài)系統(tǒng)多種多樣,一個(gè)池塘、一片森林、一塊草地、一個(gè)水庫(kù)、一個(gè)城市,都是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。無(wú)數(shù)個(gè)不同的生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)地組合起來(lái),便構(gòu)成了生物圈?？梢?jiàn),生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)。（3）生態(tài)系統(tǒng)的組成：一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)由生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物環(huán)境四個(gè)部分組成。生產(chǎn)者是指生態(tài)系統(tǒng)中能以簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物制造有機(jī)物的自養(yǎng)生物。消費(fèi)者是指直接或間接利用生產(chǎn)者制造的有機(jī)物的各類(lèi)異養(yǎng)性動(dòng)物。分解者是指生態(tài)系統(tǒng)中起分解作用的異養(yǎng)生物。非生物環(huán)境是指生態(tài)系統(tǒng)中無(wú)機(jī)環(huán)境的構(gòu)成因子,它由有機(jī)物、無(wú)機(jī)物以及自然因素共同組成。

生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者與非物質(zhì)環(huán)境在生態(tài)系統(tǒng)中缺一不可,各自在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用,它們相互關(guān)聯(lián),相互適應(yīng),使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)趨向于達(dá)成協(xié)調(diào)一致或呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。2、生態(tài)系統(tǒng)的功能

生態(tài)系統(tǒng)的四大基本功能：生物生產(chǎn)、能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞。在生態(tài)系統(tǒng)中,物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)這兩大基本功能是密切相關(guān)的。能量蘊(yùn)于物質(zhì)之中,在物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存與釋放的過(guò)程中,總是伴隨著能量的變化。在生態(tài)系統(tǒng)中,物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)同時(shí)進(jìn)行,二者相互依存,不可分割。但二者也存在根本的差別:

能量在生態(tài)系統(tǒng)中的流動(dòng)是一種單向流失的過(guò)程,要保持體系的運(yùn)轉(zhuǎn)就必須由太陽(yáng)不斷地供給能量；而物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中流動(dòng)是一種周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng),物質(zhì)能被反復(fù)地吸收利用。見(jiàn)書(shū)P133、生態(tài)平衡

（1）生態(tài)平衡及其特征生態(tài)平衡(自然平衡)：整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)始終處于不停地運(yùn)動(dòng)和變化之中,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演變過(guò)程,生態(tài)系統(tǒng)趨于完善成熟,系統(tǒng)內(nèi)各因素間能夠相互適應(yīng)、相互協(xié)調(diào),生物的種類(lèi)和數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能以及物質(zhì)和能量的輸入、輸出等可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),并在外來(lái)干擾下通過(guò)自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)。

生態(tài)平衡的特征：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。只有三者同時(shí)具備,生態(tài)系統(tǒng)才能是一個(gè)相互適應(yīng)和相互協(xié)調(diào)的平衡系統(tǒng)。因此生態(tài)平衡是有條件的,同時(shí)它也是動(dòng)態(tài)的相對(duì)的平衡。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)不斷地有物質(zhì)的輸入與輸出,各因素都處于不停的運(yùn)動(dòng)之中。但物質(zhì)與能量的輸入、輸出只是大致相等,完全相等的平衡是沒(méi)有的。（2）影響生態(tài)平衡的因素：影響生態(tài)平衡的因素有自然因素和人為因素。自然因素：是指自然界所發(fā)生的異常變化。例如火山爆發(fā)、地震、臺(tái)風(fēng)、山崩、海嘯和水旱災(zāi)害等等。自然因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞是嚴(yán)重的,甚至是毀滅性的,并具有突發(fā)性的特點(diǎn)。但這類(lèi)因素常常是局部的、暫時(shí)的,出現(xiàn)的頻率并不高。

人為的因素：是指人類(lèi)對(duì)自然資源不合理的開(kāi)發(fā)和利用,以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染。人類(lèi)對(duì)資源不合理的開(kāi)發(fā)和利用,以及“三廢”排放對(duì)環(huán)境所造成的污染則是大面積的、持久的,因而人為因素使生態(tài)平衡破壞的問(wèn)題更為嚴(yán)重。

（3）生態(tài)平衡的恢復(fù)：采取各種措施（包括技術(shù)的、政策的）使已遭到破壞的生態(tài)平衡恢復(fù)原來(lái)的平衡狀態(tài)或重建新的平衡的過(guò)程。環(huán)境保護(hù)的基本任務(wù)是維持生態(tài)平衡使之不受破壞,使生態(tài)系統(tǒng)正常、健康、持續(xù)地發(fā)展。二、環(huán)境與環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)1、環(huán)境的含義

《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》中所稱的環(huán)境,是指“影響人類(lèi)生存和發(fā)展的各種天然和經(jīng)過(guò)人工改造的自然因素的總體,包括大氣、水、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、人文遺跡、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、城市和鄉(xiāng)村等”。

人們通常所說(shuō)的環(huán)境是以人為中心的環(huán)境,即人類(lèi)的生存環(huán)境,它是指圍繞著人群的空間及其可以直接或間接影響人類(lèi)生活、生產(chǎn)和發(fā)展的各種物質(zhì)與社會(huì)因素、自然因素及其能量的總體。它包括自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境兩個(gè)方面。

自然環(huán)境是由空氣、水、土壤、陽(yáng)光和各種生物所構(gòu)成,在環(huán)境科學(xué)中常常把這些自然要素描繪為大氣圈、水圈、土圈和生物圈,這是人類(lèi)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。

社會(huì)環(huán)境是指人們生活的社會(huì)經(jīng)濟(jì)制度和上層建筑的環(huán)境條件,是人類(lèi)在物質(zhì)資料生產(chǎn)過(guò)程中共同進(jìn)行生產(chǎn)而形成的生產(chǎn)關(guān)系的總體。它是人類(lèi)物質(zhì)文明和精神文明的重要標(biāo)志,并隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展不斷豐富和演變。2、環(huán)境的基本類(lèi)型

(1)按環(huán)境的形式分類(lèi)：★可把環(huán)境分為自然環(huán)境和人工環(huán)境。(2)按環(huán)境的功能分類(lèi)：可把環(huán)境分為生活環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。(3)按環(huán)境范圍的大小分類(lèi)：可把環(huán)境分為居室環(huán)境、庭院環(huán)境、街區(qū)環(huán)境、城市環(huán)境、區(qū)域環(huán)境、全球環(huán)境等。(4)按環(huán)境的要素分類(lèi)：可把環(huán)境分為大氣環(huán)境、水環(huán)境(包括海洋環(huán)境、湖泊環(huán)境)、土壤環(huán)境、生物環(huán)境(如森林環(huán)境、草原環(huán)境)、地質(zhì)環(huán)境等。3、環(huán)境的基本特征

整體性與區(qū)域性：環(huán)境的整體性：是指環(huán)境是一個(gè)系統(tǒng)，自然環(huán)境的各要素間存在著緊密的相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。

環(huán)境的區(qū)域性是：指環(huán)境（整體）特性的區(qū)域差異,具體說(shuō)就是不同（面積不同或地理位置不同）區(qū)域的環(huán)境有不同的整體特性。(2)變動(dòng)性與穩(wěn)定性：

環(huán)境的變動(dòng)性：是指在自然的和人類(lèi)社會(huì)行為的共同作用下,環(huán)境的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外在狀態(tài)始終處于不斷的變化之中。環(huán)境的穩(wěn)定性：是指環(huán)境系統(tǒng)具有一定的自我調(diào)節(jié)能力。人類(lèi)生產(chǎn)、生活行為對(duì)環(huán)境的影響不超過(guò)環(huán)境的凈化能力時(shí),環(huán)境可以借助自身的調(diào)節(jié)能力使這些變化逐漸消失,其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)得以恢復(fù)。(3)資源性與價(jià)值性：環(huán)境的資源性：是指人類(lèi)社會(huì)生存發(fā)展都是環(huán)境不斷提供物質(zhì)和能量的結(jié)果。環(huán)境的價(jià)值性：是指人類(lèi)生活在環(huán)境中,沒(méi)有環(huán)境就談不上人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。環(huán)境具有不可估量的價(jià)值。環(huán)境的價(jià)值源于環(huán)境的資源性。4、環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)

環(huán)境科學(xué):是一門(mén)研究人類(lèi)社會(huì)發(fā)展活動(dòng)與環(huán)境（結(jié)構(gòu)和狀態(tài))演化規(guī)律之間相互作用關(guān)系,尋求人類(lèi)社會(huì)與環(huán)境協(xié)同演化、持續(xù)發(fā)展途徑與方法的科學(xué)。環(huán)境科學(xué)的基本任務(wù):揭示人類(lèi)與環(huán)境這對(duì)矛盾的實(shí)質(zhì),研究人類(lèi)與環(huán)境之間存在的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系,掌握發(fā)展規(guī)律,調(diào)節(jié)與控制人類(lèi)與環(huán)境之間的物質(zhì)交換與能量傳遞過(guò)程,找出解決矛盾的途徑與方法,以便調(diào)整人類(lèi)的社會(huì)行為,保護(hù)、發(fā)展和建設(shè)環(huán)境,從而使環(huán)境永遠(yuǎn)為人類(lèi)社會(huì)持續(xù)、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地發(fā)展提供良好的支持和保證,促使環(huán)境朝著有利于人類(lèi)的方向演化。

環(huán)境科學(xué)的性質(zhì):介于自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)與社會(huì)科學(xué)之間的邊緣科學(xué),是一門(mén)新興的、綜合性很強(qiáng)、由多學(xué)科到跨學(xué)科的龐大科學(xué)體系,它的研究?jī)?nèi)容在不斷地充實(shí)和發(fā)展。

環(huán)境科學(xué)的分支學(xué)科:

屬于自然科學(xué)方面的有環(huán)境工程學(xué)、環(huán)境材料學(xué)、環(huán)境地學(xué)、環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境物理學(xué)、環(huán)境數(shù)學(xué)、環(huán)境水利學(xué)、環(huán)境系統(tǒng)工程、環(huán)境醫(yī)學(xué)等；

屬于社會(huì)科學(xué)方面的有環(huán)境社會(huì)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境法學(xué)及環(huán)境管理學(xué)等。

正在形成的新的分支學(xué)科如環(huán)境倫理學(xué)、森林環(huán)境學(xué)、資源學(xué)等。第二節(jié)環(huán)境材料學(xué)

一、環(huán)境材料學(xué)的概念環(huán)境材料學(xué)（環(huán)境協(xié)調(diào)材料學(xué)）：是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和它們的性能與用途以及它們與環(huán)境的協(xié)調(diào)性之間的有關(guān)知識(shí)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)。

不同特征的材料多面體a傳統(tǒng)材料四面體；b環(huán)境材料六面體

環(huán)境材料的研究目的：尋找在加工、制造、使用和再生過(guò)程中具有相對(duì)最低的環(huán)境負(fù)荷的材料,以滿足人類(lèi)文明社會(huì)的持續(xù)發(fā)展需要。

學(xué)科的最重要特征：在于從環(huán)境保護(hù)的角度重新考慮和評(píng)價(jià)過(guò)去的材料科學(xué)與工程學(xué),并指導(dǎo)新材料的研究和開(kāi)發(fā)及傳統(tǒng)材料的改造和相關(guān)加工和制備技術(shù)的發(fā)展。

環(huán)境負(fù)荷：指某一具體材料在其生產(chǎn)、使用、消費(fèi)或再生過(guò)程中耗用的自然資源數(shù)量和能源數(shù)量,以及其向環(huán)境體系中排放的各種(氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài))廢棄物之總量。

環(huán)境負(fù)荷={資源,能源,排放物}={環(huán)境因子1,環(huán)境因子2,環(huán)境因子3}

環(huán)境因子1(EF1)代表n過(guò)程中輸入的各種形式的資源量之和。即原料量和輔料量之和。環(huán)境因子2(EF2)代表n過(guò)程中輸入的各種形式的能源量之和,可以標(biāo)準(zhǔn)煤為其度量單位。環(huán)境因子3(EF3)代表n過(guò)程中輸出的各種形式的排放物之總和。材料在第n過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷示意二、環(huán)境材料學(xué)的主要內(nèi)容環(huán)境材料學(xué)的內(nèi)容主要包括三個(gè)層次：基礎(chǔ)理論研究應(yīng)用研究評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究

(1)環(huán)境材料學(xué)的基礎(chǔ)理論研究:◆材料需求與自然環(huán)境的變化及其規(guī)律；◆材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法；◆與環(huán)境協(xié)調(diào)的材料開(kāi)發(fā)理論；◆低環(huán)境負(fù)荷的合金理論、無(wú)機(jī)材料理論和高分子材料理論；◆材料再生循環(huán)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)；◆材料的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)環(huán)境材料學(xué)的應(yīng)用研究:◆低環(huán)境負(fù)荷材料的開(kāi)發(fā)技術(shù)；◆循環(huán)再生材料的開(kāi)發(fā)技術(shù)；◆功能性環(huán)境材料的開(kāi)發(fā)技術(shù)；◆廢棄材料的綜合再生技術(shù)；◆現(xiàn)有材料中的有害元素和枯竭性元素的替代技術(shù)；◆材料中的雜質(zhì)無(wú)害化技術(shù)；◆低環(huán)境負(fù)荷的工程制備技術(shù)和加工技術(shù)。(3)環(huán)境材料學(xué)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究:◆材料的環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)系統(tǒng)；◆材料對(duì)自然環(huán)境的作用程度評(píng)價(jià)；◆現(xiàn)用材料的合理性評(píng)價(jià)；◆環(huán)境材料的論證體系及其標(biāo)準(zhǔn)；◆材料再生的合理性評(píng)價(jià)。第三節(jié)

材料對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一、材料生產(chǎn)和使用帶來(lái)的環(huán)境和資源問(wèn)題

1.材料生產(chǎn)和使用對(duì)環(huán)境的影響從能源、資源消耗和造成環(huán)境污染的根源分析,材料及其產(chǎn)品的生產(chǎn)是造成環(huán)境污染、能源短缺、資源過(guò)度消耗乃至枯竭的主要原因之一。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)資源的消耗速度在成倍增長(zhǎng)。導(dǎo)致地球上有限的一次金屬資源量銳減。例如Cu、Mn金屬已開(kāi)采了全球總儲(chǔ)存量的50%；Zn、Au、Ag等金屬已開(kāi)采了其總量的70%～80%；Co、Fe、Ni、W等金屬已開(kāi)采了總儲(chǔ)存量的30%～40%。

人類(lèi)文明社會(huì)目前所依賴的許多金屬資源預(yù)計(jì)還能開(kāi)采20～50年

目前可供開(kāi)采的金屬資源的品位越來(lái)越低,

如銅礦石的可開(kāi)采品位已從1900年的3%下降到現(xiàn)在的0.5%左右。礦石的品位越低意味著同樣生產(chǎn)1t金屬材料所要求投入的礦石量和能源量更多,與此同時(shí),產(chǎn)出的廢棄物亦越多。生產(chǎn)1t金屬，礦石品位與礦渣的關(guān)系礦石品位/%礦渣/t

金屬材料的回收利用率較低也是引起金屬資源枯竭一個(gè)重要的原因。僅以生產(chǎn)量和消費(fèi)量很大的汽車(chē)、家用電器等幾類(lèi)產(chǎn)品為例,除了消費(fèi)大量的鋼鐵、銅、鋁等金屬外,還使用了鎳、鉻鎢、鉬等20多種稀有金屬。大量的產(chǎn)品廢棄之后,許多稀有金屬很少或幾乎沒(méi)有得到回收。由此造成的稀有金屬資源的浪費(fèi)十分驚人。幾類(lèi)機(jī)電產(chǎn)品中所含的稀有金屬產(chǎn)品名稱稀有元素

元素種類(lèi)汽車(chē)Ni,Cr,W,Mo,Mn,V,Sr,Sb,Pt,Pb,Ti,Be,In,Te,Ba,Tl16彩色電視機(jī)Ni,Cr,Mn,Nb,Sr,Sb,Ta,Ge,Ga,B,In,Ba,Bi,Re14家用電器Ni,Cr,Sr,Sb,Ta,Pb,Ti,Be,Ga,B,In,Ba,Bi,Re

14光學(xué)儀器Nb,Sr,Ta,Ge,Be,Ga,B,Rb,Zr,Te,Cs

11材料種類(lèi)能耗/萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤占工業(yè)總能耗比重(%)礦產(chǎn)采選業(yè)1419.141.54化學(xué)纖維制造業(yè)1705.021.85橡膠制造業(yè)645.870.70塑料制造業(yè)658.830.71非金屬礦物制造業(yè)9980.8710.81黑色金屬冶煉17136.3318.56有色金屬冶煉3892.764.22金屬制品業(yè)1129.401.22材料產(chǎn)業(yè)合計(jì)39.60工業(yè)總能耗92346.68

1002001年我國(guó)主要原材料工業(yè)的能源消耗統(tǒng)計(jì)2001年我國(guó)主要原材料工業(yè)污染物排放統(tǒng)計(jì)材料產(chǎn)業(yè)工業(yè)廢水/萬(wàn)t工業(yè)廢氣/億m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))固體廢物產(chǎn)生量/萬(wàn)t礦業(yè)125804408935903化學(xué)纖維工業(yè)596952811355橡膠制品業(yè)707043172塑料制品業(yè)258824633非金屬礦物制造業(yè)其中：水泥制造業(yè)4619434062196028055279751071黑色金屬冶煉1917452501511858有色金屬冶煉3745199584477金屬制品業(yè)1174248776合計(jì)51034410507455805占工業(yè)排放總量百分?jǐn)?shù)(％)25.1965.3262.812.面臨的環(huán)境和資源問(wèn)題(1)環(huán)境問(wèn)題：人類(lèi)的材料生產(chǎn)和使用是從自然環(huán)境中獲得物質(zhì)資源,然后又將使用過(guò)的材料及廢棄物質(zhì)還給自然環(huán)境,從而參與了自然界的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán),不斷影響著自然環(huán)境。由人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)引起的環(huán)境問(wèn)題具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面:

一是由于不合理的開(kāi)發(fā)和利用資源所引起的環(huán)境衰退、資源耗竭,破壞了生態(tài)平衡；二是由于工業(yè)發(fā)展,排出的廢水、廢氣、廢渣和噪聲給環(huán)境帶來(lái)的污染問(wèn)題。這類(lèi)環(huán)境問(wèn)題所造成的危害多是潛在的、積累的、慢慢產(chǎn)生影響,所以在短時(shí)期內(nèi)不大容易引起人們的足夠重視。預(yù)測(cè)到2090年全球平均氣溫將上升3℃，海平面將因此上升60cm，屆時(shí)各國(guó)大面積的沿海發(fā)達(dá)地區(qū)大部分將被淹沒(méi)。再加上人口無(wú)節(jié)制地增長(zhǎng)，可能近在本世紀(jì)中葉，地球生態(tài)環(huán)境就不得不迎接一場(chǎng)宣大危機(jī)，面臨全球變暖、大氣臭氧層破壞、酸雨、森林破壞、荒漠化等全球性環(huán)境問(wèn)題的挑戰(zhàn)。

酸雨：由工業(yè)生產(chǎn)、燃煤及汽車(chē)尾氣排放出來(lái)的NOx、SOx等進(jìn)入大氣后產(chǎn)生，其主要危害是破壞森林生態(tài)系統(tǒng),改變土壤的性質(zhì)與結(jié)構(gòu),破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，腐蝕建筑物和損害人體的呼吸道系統(tǒng)和皮膚。酸雨的危害遍及歐洲和北美,分布地區(qū)較廣。酸雨有時(shí)飄越國(guó)境影響別國(guó),造成跨國(guó)污染。所以酸雨問(wèn)題不僅被視為區(qū)域性環(huán)境污染問(wèn)題,甚至被列入全球性環(huán)境問(wèn)題。

臭氧層損耗：大氣中的臭氧每減少1%,照射到地球表面的紫外線就會(huì)增加2%,人類(lèi)皮膚癌的發(fā)病率就會(huì)增加7%,白內(nèi)障患者就會(huì)增加6%。紫外線輻射增強(qiáng)對(duì)動(dòng)植物的生存也是災(zāi)難性的。它可能使地球上三分之二的農(nóng)作物減產(chǎn),從而導(dǎo)致糧食危機(jī)。另外還可導(dǎo)致某些海洋生物的滅絕。

溫室效應(yīng)：人類(lèi)大量使用石油、煤和天然氣等化石燃料,釋放到大氣中的二氧化碳等溫室氣體的含量愈來(lái)愈多,導(dǎo)致全球氣候逐漸變暖。它將會(huì)導(dǎo)致海水變暖和膨脹,加速極地冰川和凍土的融化,造成海平面上升等，使沿海生態(tài)系統(tǒng)被破壞,對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也有影響。目前世界上大約有1/3的人口生活在海岸線6OKm的范圍內(nèi),如果全球變暖,海平面升高,一些城市和鄉(xiāng)村可能被淹沒(méi)。此外,氣候變暖會(huì)打破原有的生態(tài)平衡，引起物種滅絕。

水體污染：是指對(duì)自然環(huán)境有惡劣影響的水質(zhì)惡化。材料生產(chǎn)過(guò)程中的工業(yè)廢水含有多種污染物，水體污染不僅妨礙工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，影響水生生態(tài)系統(tǒng)，還直接和間接地危害人體健康。水中污染物質(zhì)的主要來(lái)源污染物質(zhì)主要來(lái)源鎘及其化合物金屬礦山、冶煉廠、電鍍廠、鎘電池廠、化工廠鉛及其化合物金屬礦山、冶金廠、汽油、電池廠、油漆廠、鉛再生廠鉻及其化合物金屬礦山、冶煉廠、電鍍廠、合金制造廠、催化劑制造廠汞及其化合物煉汞廠、化工廠氰化物焦化、電鍍廠、金屬清洗廠、化工廠砷及其化合物銅礦廠、冶煉廠、油漆廠20世紀(jì)10大環(huán)境公害事件20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)生的重大公害事件一些材料生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響材料大氣水土壤/土地紙、紙漿排放含SO2、NOx、CH4、CO2、CO、硫化氫、氯化物、二英等廢氣(1)水資源消耗(2)排放懸浮性固體物、有機(jī)物、有機(jī)氯、二堊英

水泥、玻璃、陶瓷排放含砷、釩、鉛、鉻、硅、氟化物粉塵及SO2、NOx、CO2、CO、等廢氣排放含油、重金屬離子廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)排放固體廢棄物金屬及礦物開(kāi)采排放各種粉塵及有害氣體排放含金屬離子及有毒化學(xué)品廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)土地退化鋼鐵(1)排放含砷、鎘、鉛、鉻、銅、汞、鎳、硒、鋅等顆粒物和粉塵，以及含有機(jī)物、酸霧H2S、HC等廢氣(2)紫外線輻射(1)水資源消耗(2)排放含無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、油、金屬離子、懸浮性固體物廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)排放固體廢棄物有色金屬排放含鋁、砷、鎘、鉛、鉻、鎂、錳、銅、汞、鎳、硒、鋅、碳黑、氣溶膠、SiO2等顆粒物和粉塵，以及含SO2、NOx、H2S、CO氯化物、氟化物、有機(jī)物等廢氣排放含金屬離子及有害化學(xué)品廢水(1)排放固體廢棄物(2)土地退化(2)資源問(wèn)題：自然資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是人類(lèi)生存和生活的重要物質(zhì)源泉,是維護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡的核心。目前人類(lèi)所面臨的資源問(wèn)題主要表現(xiàn)在：礦物資源迅速耗竭,水土流失和荒漠化加劇,淡水資源不足,森林資源砍伐嚴(yán)重,愈來(lái)愈多的物種瀕臨滅絕。目前我國(guó)資源的主要矛盾表現(xiàn)在資源供給不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度對(duì)資源的需求已達(dá)到前所未有的程度。但是,現(xiàn)有資源的利用效率不高,資源浪費(fèi)嚴(yán)重。礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)總回收率只有30%～50%,比發(fā)達(dá)國(guó)家平均低20%左右。每萬(wàn)元國(guó)民收入的能耗為20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤,為發(fā)達(dá)國(guó)家的10倍。在我國(guó)資源的開(kāi)發(fā)和利用中存在嚴(yán)重的“高投入、低效率、高污染”的問(wèn)題。我國(guó)平均能量效率為33％，而先進(jìn)工業(yè)國(guó)家則超過(guò)50％。我國(guó)礦物資源平均利用率為40％～50％，鋼材利用率為60％，木材利用率為40％～50％。加上資源的再生利用率低，社會(huì)最終產(chǎn)品只是原料投入的30％，大部分原材料變成了廢棄物。幾種材料的能耗比較人口面臨的資源環(huán)境問(wèn)題圖2-5世界能耗增長(zhǎng)趨勢(shì)圖2-6全球一次能源需求量表2-7全球礦產(chǎn)資源枯竭時(shí)間的預(yù)測(cè)

年代21世紀(jì)50年代21世紀(jì)70年代21世紀(jì)80年代22世紀(jì)20年代礦產(chǎn)資源一般礦產(chǎn)資源金屬礦產(chǎn)資源石油、天然氣資源煤資源表2-8我國(guó)幾種原材料的單位GNP（國(guó)民生產(chǎn)總值）資源消耗率與世界平均水平的比較材料鋼材銅鋁鉛鋅我國(guó)消耗率3.63.72.42.72.2世界平均水平11111

化學(xué)物質(zhì)通過(guò)各種冶煉、加工制造、儲(chǔ)存運(yùn)輸及使用消費(fèi)等進(jìn)入環(huán)境，也以廢棄物的形式被人們直接排放到環(huán)境中。目前,環(huán)境中存在的化學(xué)物質(zhì)約有55000種以上,有相當(dāng)多的人造化學(xué)物質(zhì)難以分解,很難轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)在環(huán)境中逐漸積累,當(dāng)積累的含量較高時(shí),就會(huì)導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量下降,甚至對(duì)生物和人類(lèi)造成危害。目前,研究較多的是那些與人類(lèi)生活關(guān)系最密切的物質(zhì),如醫(yī)藥、食品添加劑、日用品等。

添加劑中只有少數(shù)來(lái)自天然物質(zhì),大部分是人工合成的化學(xué)物質(zhì),它們進(jìn)入人體后會(huì)發(fā)生潛移默化的作用。有些添加劑雖然本身無(wú)害,但在使用過(guò)程中發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)后,就有可能生成有毒、有害的物質(zhì)。常用防腐劑亞硝酸鹽和環(huán)境中的二級(jí)胺和三級(jí)胺作用生成亞硝胺化合物。而亞硝胺是一種重要的致癌性污染物。

二、材料中化學(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體的影響

大量化工產(chǎn)品的制造和使用,同樣帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題,并對(duì)人體造成危害。在發(fā)達(dá)國(guó)家,大量的化學(xué)合成品在使用之后都作為廢物而拋到環(huán)境中,常常成為令人頭痛的污染問(wèn)題。堆積則污染土壤,焚燒則污染空氣。日用化工制品是環(huán)境化學(xué)物質(zhì)重要的污染源。

此外,有機(jī)溶劑如涂料、粘結(jié)劑、干洗劑、印刷用的稀料、有機(jī)合成等都離不開(kāi)有機(jī)溶劑,常使勞動(dòng)環(huán)境、生活環(huán)境受到污染。

廣泛存在于環(huán)境的化學(xué)污染物有些具有較強(qiáng)的致癌作用。化學(xué)污染物對(duì)人體健康的影響問(wèn)題已成為環(huán)境醫(yī)學(xué)、環(huán)境生物學(xué)以及環(huán)境化學(xué)的重要研究課題。第四節(jié)

材料中主要元素的環(huán)境和資源特征一、化學(xué)元素的環(huán)境分布特征

自然界的物質(zhì)循環(huán),使構(gòu)成物質(zhì)的化學(xué)元素在環(huán)境中不斷地遷移轉(zhuǎn)化，由于化學(xué)元素的遷移轉(zhuǎn)化,使其在環(huán)境中的分布體現(xiàn)出普遍性、富集性和共生性三大特征。1、普遍性在自然界中,構(gòu)成物質(zhì)的90多種元素,不僅廣泛存在于宇宙中,而且均存在于地殼層中由礦物、巖石和土壤等構(gòu)成的各種地質(zhì)體中,體現(xiàn)出化學(xué)元素分布的普遍性。用“豐度”概念來(lái)定量表示各種化學(xué)元素在地殼中的平均含量,

它表示地殼中各化學(xué)元素的相對(duì)平均含量,也稱之為元素的“克拉克數(shù)”。如果以重量百分?jǐn)?shù)表示,則稱為重量克拉克數(shù)。如果以原子百分?jǐn)?shù)表示,則稱為原子克拉克數(shù)。豐度的概念：化學(xué)元素在地殼中的平均含量稱為豐度。克拉克值：為紀(jì)念美國(guó)科學(xué)家克拉克在計(jì)算地殼中元素平均含量所做的貢獻(xiàn)，將各元素在地殼中含量的百分比稱為“克拉克值”，如以質(zhì)量百分比表示，稱為“質(zhì)量克拉克值”，簡(jiǎn)稱“克拉克值”；如以原子百分?jǐn)?shù)表示，則稱為“原子克拉克值”。表

2-9地殼中化學(xué)元素的克拉克數(shù)

順序元素符號(hào)原子序數(shù)元素含量/%順序元素符號(hào)原子序數(shù)元素含量/%1O846.6021Cr240.012Si1427.7222Rb370.0093Al138.1323Ni280.00754Fe265.0024H300.00705Ca203.6325Ce580.00606Na112.8326Cu290.00557K192.5927Y390.00338Mg122.0928La570.00309Ti220.4429Nd600.002810H10.1430Co270.002511P150.10531Sc210.002212Mn250.09532Li30.002013F90.062533N70.002014Ba560.042534Nb410.002015Sr380.037535Ga310.001516S160.02636Pb820.001317C60.02037B50.001018Zr400.016538Pr590.0008219V230.013539Th900.0007220Cl17O.01340Se340.000602、富集性

化學(xué)元素在地殼中的含量分布不僅相差很大,且很不均衡。由于某些地質(zhì)條件的作用,如風(fēng)化、沉積、火山爆發(fā)、巖漿活動(dòng)等促使有用的化學(xué)元素發(fā)生富集現(xiàn)象,出現(xiàn)了地殼中化學(xué)元素分布的第二個(gè)特征——富集性。 由于地質(zhì)成礦作用極少發(fā)生,元素富集需要相當(dāng)漫長(zhǎng)的歲月,因而具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的礦床數(shù)目和數(shù)量是極其有限的。地殼中元素富集形成過(guò)程所需時(shí)間是以億年為單位的,而人類(lèi)大規(guī)模開(kāi)采礦石是以10年為單位,兩者相差108年。如果人類(lèi)將具有開(kāi)采價(jià)值的礦床采空,就會(huì)導(dǎo)致金屬資源枯竭。表2-10主要金屬元素的開(kāi)發(fā)技術(shù)指標(biāo)

順序金屬元素在地殼中所占比例/%礦石開(kāi)采品位/%富集系數(shù)1Al8.24052Fe5.6254.53Ti0.571.52.64Mn0.095252635VO.01350.5376Cr0.0104040007Ni0.00751.01338Zn0.00702.53579Cu0.00550.59010Co0.00250.28011Pb0.001253240012U0.000270.013713Sn0.000200.5250014Mo0.000150.166615W0.000150.3200016Hg0.0000080.11250017Ag0.0000080.00562518Pt0.00000050.000240019Au0.00000040.00012503、共生性（復(fù)合性）

地殼中的化學(xué)元素具有富集性,但這種富集是一種多組元的共生富集,即共生性或復(fù)合性。世界上尚不存在具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的單一化學(xué)元素形成的礦床,很多常見(jiàn)礦產(chǎn)都具有多種有用伴生元素。因此,開(kāi)采某一礦床時(shí)必然涉及多種元素的綜合利用。表

2-12銅礦物的種類(lèi)及其組成礦

物

名組

成理論銅品位/%種類(lèi)名稱英文名自然銅NativecopperCu100.00氧化銅赤銅礦CupriteCu2O88.8孔雀石MalachiteCuCO3·Cu(OH)257.3硅孔雀石CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2O56.0硫化銅黃銅礦ChalcopyriteCuFeS234.5斑銅礦BorniteCu5FeS463.3輝銅礦ChalcociteCu2S79.8銅藍(lán)CovelliteCuS66.4硫砒銅礦EnargiteCu3(As·Sb)S448.3

表

2-11某些礦產(chǎn)的有用伴生元素礦產(chǎn)名稱有用伴生元素鐵

礦Co、Ni、Cu、Mo、Pb、Zn、Sn、Ti、V、Ge、Ga、P錳

礦Fe、Co、Ni、稀有金屬鉻

鐵

礦Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh、Co、Ti、V、Ni銅

礦Fe、Pb、Zn、Co、Sb、Au、Ag、As、Cd、Se、Te、Ge、Ga、Re鉛

鋅

礦Cu、Au、Ag、Ge、Cd、Sb、Bi、Sn、In、Ga硫化鎳礦Cu、Fe、Cr、Co、Mn、Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh鎢

礦Sn、Mo、Bi、Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Sb、Be、Li、Nb、Ta、As錫

礦Cu、Pb、Zn、W、Bi、Mo、Ag、Sb、Nb、Ta、S、As、Fe鉬

礦W、Sn、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、Be、U、Re、S汞

礦Sb、Cu、U、Mo、As、Bi、Au、Ag、Tl銻

礦Hg、Au、W鉑

礦Cu、Ni、Co、Au金

礦Cu、Ag、Pb、Zn、Sb、Mo、Bi、Y鈹

礦Nb、Ta、Li、W、Sn、Pb、Zn鋰

礦Nb、Ta、Be、Rb、Cs鋁

土

礦Ga、V、Ti、Co鉀

鹽

礦B、Li、I、Br、Cs、Rb、Mg煤

礦U、Ge、Ga、In、S磷

礦U、Mn、Li、Be、Ce、La、Y、Ti、V、Fe、Pt、稀有元素二、金屬資源的儲(chǔ)量及其壽命1、金屬元素的生物、植物效應(yīng)金屬元素進(jìn)入生物體或人體后將產(chǎn)生一系列的生物效應(yīng)。按金屬元素對(duì)人體的作用不同,分為三個(gè)大類(lèi)：即必需元素、有害元素及有毒元素。但即使是某一必需元素,其在人體內(nèi)的濃度也有一個(gè)最大極限。一旦超過(guò)這個(gè)極限,必需元素也將轉(zhuǎn)化成有害元素。

表2-13各種純金屬元素的人體生物效應(yīng)及其特征

金屬元素性質(zhì)作用體內(nèi)含量/mg攝人量/mg.d-1過(guò)量反應(yīng)Fe必需元素促進(jìn)代謝、構(gòu)成蛋白4×10315鐵中毒、損害肝腎A1有害元素干擾代謝、骨髓病變10045干擾磷吸收、影響神經(jīng)Mo必需元素參與代謝、構(gòu)成酶類(lèi)90.2鉬中毒、骨質(zhì)異常Mn必需元素促進(jìn)代謝、構(gòu)成酶類(lèi)85.0錳中毒、損害神經(jīng)Cu必需元素促進(jìn)代謝、維持發(fā)育1003銅中毒、溶血癥Zn必需元素參與代謝、構(gòu)成酶類(lèi)2×1032.2鋅中毒、致癌Cr必需元素促進(jìn)代謝、協(xié)助胰島素60.1鉻中毒、致癌Cd有毒元素抑制酶、取代酶中Zn400.05損害肺、腎、骨骼軟化Pb有害元素干擾生化、生理反應(yīng)

0.04損害各系統(tǒng)和器官Ni必需元素增加胰島素、降低血糖10400損害呼吸道、鼻癌Co必需元素參與酸類(lèi)活動(dòng)1.10.3影響心臟功能V必需元素參與氧化-還原反應(yīng)0.3×10-42釩中毒、損害腎、肝Li必需元素藥理作用

2鋰中毒、損害神經(jīng)表2-14金屬元素對(duì)植物的效應(yīng)及其特征金屬元素性質(zhì)過(guò)量效應(yīng)欠量效應(yīng)Cd有害元素抑制根系發(fā)育、影響生長(zhǎng)

Pb有害元素影響代謝、形態(tài)異化

Cr必需元素毒害作用,抑制生長(zhǎng)影響正常發(fā)育Cu必需元素褪綠、阻礙Fe的吸收發(fā)育受阻、缺Cu癥Zn必需元素?fù)p害根系光合作用減弱、缺Zn癥Co非必需元素褪綠、阻礙Fe的吸收

Mo必需元素未發(fā)現(xiàn)影響固氮、缺Mo癥Fe必需元素很難發(fā)現(xiàn)失綠、枯萎、缺Fe癥Mn必需元素在酸性土中Mn中毒影響光合作用,缺Mn癥Al非必需元素抑制根系生長(zhǎng)

2、儲(chǔ)量及壽命

人類(lèi)社會(huì)所需要的各種金屬元素均以礦產(chǎn)的形式存在于地殼之中。這種金屬礦產(chǎn)資源稱之為一次資源。金屬儲(chǔ)量是指由于地質(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)量能夠滿足工業(yè)要求,并在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下能夠開(kāi)采的自然堆積體的總量。金屬資源的可開(kāi)采年限又稱為金屬資源的靜態(tài)壽命,即某金屬資源的當(dāng)年總儲(chǔ)量與其當(dāng)年總產(chǎn)量之比。表2-15各種金屬資源的儲(chǔ)量和可開(kāi)采年限元素1976年1984年1988年1990年1994年儲(chǔ)量/t可開(kāi)采年限儲(chǔ)量/t可開(kāi)采年限儲(chǔ)量/t可開(kāi)采年限儲(chǔ)量/t可開(kāi)采年限儲(chǔ)量/t可開(kāi)采年限Felx10121096.5x10101301.53x10111671.51x10111756.5x101071All.2x1093502.Ox10112502.18x10112242.18x10102002.3x1010216Mn

1x109125

8x10840Til.47x108511.7x10860

1.7x108

2x10856Cr7.75x1081121.1x109100

4.19x108

1.4x109128Ni

5.2x107705.4x107654.9x107524.7x10755Mo5.4x106365.4x10650

5.5x10657Co

2.7x10680

3.3x106

4x10688W

2.8x10662

2.35x106

2.3x10673Cu3.08x108245.0x108713.5x108413.2x108363.1x10833Pb

1.46x1010507.5x107227.Ox107216.3x10721Zn1.23x108182.43x108401.47x108211.44x108201.4x10819Ag2x105142.6x10520

2.8x105203、影響壽命的因素

影響金屬壽命的因素主要包括三個(gè)因素,即某一金屬元素在地球上的總儲(chǔ)藏量、金屬資源的消耗量或生產(chǎn)量以及該元素物質(zhì)的再生量。前兩個(gè)因素構(gòu)成了某一金屬資源的靜態(tài)壽命,

它取決于當(dāng)年的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平及其已探明的儲(chǔ)藏總量。

動(dòng)態(tài)壽命（循環(huán)壽命）為某一資源的當(dāng)年儲(chǔ)藏總量與其當(dāng)年總產(chǎn)量和再生總量之差的比。某一物質(zhì)的再生總量越大,其資源的循環(huán)壽命或可供開(kāi)采的年限越長(zhǎng)。在討論金屬資源的壽命時(shí),應(yīng)該樹(shù)立開(kāi)源節(jié)流的觀點(diǎn)。開(kāi)源就是開(kāi)發(fā)新的可代替的資源,節(jié)流即指資源的循環(huán)再生。前者是環(huán)境材料學(xué)的研究重點(diǎn)之一。表2-16某些金屬資源的動(dòng)態(tài)可開(kāi)采年限(以1994年為基準(zhǔn))再生率0%10%20%30%40%50%60%70%Al216240270308360432540720Fe717989101118142178237Cu33374147556683110Mn404450576780100133Cr128142160183213256320427Ti5662708093112140187Ni5561697892110138183Mo5763718195114143190Co8898110128147176220293W738191104122146183243Zn1921242732384863Ag2022252933405067Pb2123263035425370Sn424753607084105140Sb96107120137160192240320Pt族199221249284332398498663Ta62697889103124155207Zr61687687102122153203表

2-17各種新的可代替資源

材

料可能的代替資源鋁高嶺土、橡膠、塑料矸石斜長(zhǎng)石、煤炭鉻鎳、鉬、釩鈷鎳銅鋁、塑料鉬鎢、釩、錳、鉭、硼錫鋁、塑料鎢鉬、鈦、鋁、陶瓷鋅鋁、塑料、鎂鎳鋁、鉻、鉬、釩、鎢、錳、鈦、陶瓷、塑料鈮釩、鈦、鉬、鉭鋯鋁、鈮、釩、二氧化鐵第五節(jié)

材料流與資源效率和環(huán)境影響一、材料流

材料流（MaterialsFlow）又稱物質(zhì)流（MassFlow）,也稱材料鏈(substancechain)。材料流也可以說(shuō)是材料背負(fù)的生態(tài)負(fù)荷或稱生態(tài)包袱(EcologicalRucksack)。指從材料的采礦開(kāi)始，包括生產(chǎn)加工、儲(chǔ)運(yùn)、銷(xiāo)售、使用，直至廢棄的全過(guò)程。圖2-7典型材料流循環(huán)過(guò)程示意圖鋼鐵材料：8t礦石1t鋼700Kg型材500kg金屬制品

材料流分析(MaterialsFlowAnalysis,MFA)是指用數(shù)學(xué)物理方法，對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中按照一定的生產(chǎn)工藝所投入的原材料的流動(dòng)方向和數(shù)量的一種定量分析的理淪。它通過(guò)對(duì)自然原始物質(zhì)在開(kāi)采、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移、消耗和廢棄等過(guò)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(dòng)特征和轉(zhuǎn)化效率,找出環(huán)境壓力的直接來(lái)源,進(jìn)而通過(guò)技術(shù)措施,提出相應(yīng)的減少環(huán)境壓力的解決方案,提高資源效率,作為評(píng)價(jià)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)性指標(biāo),為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的近、中期目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。材料流理論是一種方法學(xué)，其理論基礎(chǔ)就是物質(zhì)不滅定律和能量守恒定律。主要用于研究、評(píng)價(jià)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所投入的原材料的資源效率，找出提高資源效率的途徑。

（一）、材料流（理論）分析（1）4倍因子理論

4倍因子理論是德國(guó)Wupperdal研究所的所長(zhǎng)Weizsaecker教授于90年代首先提出的。其宗旨是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)活動(dòng)中,通過(guò)采取各種技術(shù)措施,將能源消耗、資源消耗降低一半,同時(shí)將生產(chǎn)效率提高一倍,即在同樣能源消耗和資源消耗的水平上,得到4倍的產(chǎn)出。1995年,出版專著《4倍因子:半份消耗,倍數(shù)產(chǎn)出》。

4倍因子理論對(duì)有效利用資源、改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)性意義。即從資源效率角度減少原材料消耗、增加產(chǎn)品的有效產(chǎn)出,從源頭上實(shí)現(xiàn)減少排放,保護(hù)了環(huán)境,是治本之道。式中：R——資源效率；P——產(chǎn)品產(chǎn)出量；

I——原材料、能源投入量。

（2）10倍因子理論

10倍因子理論是由德國(guó)Wupperdal研究所副所長(zhǎng)Schmidt-Bleek教授于1994年率先提出。其核心思想是：為了保持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境水平,必須通過(guò)提高資源效率來(lái)平衡和補(bǔ)償對(duì)環(huán)境的破壞,必須繼續(xù)減小全球的物質(zhì)流量。據(jù)推測(cè)到2050年,地球上的人口將是現(xiàn)在的2倍,同時(shí),世界各國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)將增長(zhǎng)3～6倍,取平均值為5,則二者之積為10,按現(xiàn)在的水平發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響將增加10倍,因此必須將資源效率和能源效率提高10倍。這樣才能讓人類(lèi)的子孫后代在地球上繼續(xù)生存下去。式中：I——環(huán)境影響；

P——人口；GDP——國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。

Schmidt-Bleek教授還在法國(guó)創(chuàng)建了國(guó)際10倍因子(Factor10+)俱樂(lè)部,旨在推行10倍因子理論和實(shí)踐。該俱樂(lè)部向全世界發(fā)表了著名的致政府和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖的1997卡諾勒斯宣言,提出了在一代人之內(nèi),將資源和能源的生產(chǎn)效率提高10倍的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)應(yīng)采取的技術(shù)措施。宣言指出,進(jìn)入經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的所有物質(zhì)或遲或早都要被消耗或排放進(jìn)入環(huán)境,到頭來(lái)是環(huán)保費(fèi)用的持續(xù)增長(zhǎng)。因此,要降低環(huán)保費(fèi)用,首先需要降低和減少物質(zhì)從自然界(即環(huán)境)流入經(jīng)濟(jì)活動(dòng)圈的進(jìn)入量,從而減少污染物排放量。通過(guò)減少污染物的處理量,最后使環(huán)保投資費(fèi)用降低。（3）極值理論

極值理論指出：對(duì)一定的原材料投入，有效產(chǎn)品的產(chǎn)出率越高，廢棄物產(chǎn)生量就越小。從環(huán)境保護(hù)的角度看，就是要求最大的產(chǎn)出率和最小的廢物排放率?？捎玫仁奖硎荆菏街校篒——物質(zhì)總投入量；P1,P2——有用產(chǎn)品產(chǎn)出量；

W1,W2——廢物產(chǎn)出量；R——資源效率，即有用產(chǎn)品產(chǎn)出量除以物質(zhì)總投入量；O——廢物產(chǎn)出率,即廢物產(chǎn)出量除以物質(zhì)總投人量；

求極大值,即,則可獲得最大資源效率。同時(shí)，求極小值,即,則可獲得最小廢物產(chǎn)出率。

對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的任何一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或流通過(guò)程，若求得了最大資源效率，同時(shí)也就得到了最小的廢物產(chǎn)出率。即在這個(gè)條件下，該過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響最小。若要進(jìn)一步降低環(huán)境污染，則需要通過(guò)技術(shù)措施，提高有用產(chǎn)品的產(chǎn)出量，即提高資源效率，才有可能進(jìn)一步降低廢物排放量。材料流理論分析是生態(tài)環(huán)境材料研究的一個(gè)有效工具。

通過(guò)材料流分析，了解物質(zhì)和能源的走向，對(duì)最初和最終的物質(zhì)總量進(jìn)行極值分析，使該經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的資源效率、環(huán)境污染狀況一目下然。因此，極值理論將資源和環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)一步簡(jiǎn)單化、定量化。而在應(yīng)用極值理論時(shí)，對(duì)過(guò)程的材料流分析顯得必不可少。（二）、材料流理論的應(yīng)用實(shí)踐

全球環(huán)境的惡化主要是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)引起的，而資源效率是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)健。針對(duì)如何提高資源的利用效率、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，許多國(guó)家組織和企業(yè)都借助于材料流分析進(jìn)行下改善資源效率的實(shí)踐。設(shè)在美國(guó)首都華盛頓的世界資源所1997年曾與德國(guó)WUPPERTAL氣候、能源和環(huán)境研究所，日本國(guó)立環(huán)境研究所，荷蘭房屋、土地規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)部等單位合作，聯(lián)合發(fā)表了一份關(guān)于材料流的調(diào)查報(bào)告，列舉了德國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)的材料流年度調(diào)查結(jié)果。圖2-81991年德國(guó)全國(guó)材料流分析示意圖圖中數(shù)據(jù)的單位均為億t

圖2-91991年荷蘭全國(guó)材料流分析示意圖圖中數(shù)據(jù)是平均每人的年材料流量（單位為t/人），按1991年荷蘭人口1500萬(wàn)人估計(jì),當(dāng)年荷蘭的材料流總量約在12億t左右。

圖2-101990年日本全國(guó)材料流分析示意圖圖中數(shù)據(jù)的單位均為億t

圖2-11我國(guó)某鋼鐵企業(yè)材料流分析示意圖利用材料流理論分析方法，計(jì)算得出該材料生產(chǎn)的總資源效率為30.7%。三、材料生產(chǎn)的資源效率1、資源概述

現(xiàn)代社會(huì)里，關(guān)于資源可理解有自然資源、入力資源、社會(huì)資源、信息資源、旅游資源、物質(zhì)資源等。其中自然資源可分為礦產(chǎn)資源、水力資源、海洋資源等；物質(zhì)資源可分為自然物質(zhì)資源、人工物質(zhì)資源及廢棄物質(zhì)資源等。

在一般意義上，資源是指人類(lèi)可以直接從自然界獲得并用于生產(chǎn)和生活的物質(zhì)。資源是自然環(huán)境的重要組成部分，通常又稱為自然資源。自然資源可分為三大類(lèi)：第一類(lèi)為取之不盡的資源，如空氣、風(fēng)、太陽(yáng)能等；第二類(lèi)為可再生的資源，如生物體、水、森林、草地、海洋、土壤等；第三類(lèi)稱為非再生資源，如礦物、化石燃料等。表2-17礦產(chǎn)資源種類(lèi)能源煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖、鈾、釷等金屬礦產(chǎn)黑色金屬、有色金屬、貴金屬等非金屬礦產(chǎn)冶金輔料：石灰石、螢石、硅石等化工輔料：硫鐵礦、磷礦、硼礦、鹽、天然堿等其他：石棉、剛玉、水晶、瑪瑙等資源具有社會(huì)性、自然性和商品性三個(gè)特點(diǎn)。資源的社會(huì)性指資源隨著國(guó)家和時(shí)代的不同而不同，如16世紀(jì)人類(lèi)對(duì)中東地區(qū)石油資源的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不如20世紀(jì)那樣深刻。資源的自然性指資源隨著地域的不同，其豐饒程度也有所不同，例如全世界的貴金屬資源90%以上集中在南非。資源的商品性指資源可以進(jìn)入市場(chǎng)進(jìn)行流通，如目前我國(guó)鋼鐵工業(yè)所需大量鐵礦石從澳大利亞、巴西市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)?，F(xiàn)今，人類(lèi)所需能源的97%來(lái)自非再生的礦物能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的能源對(duì)單位GNP的產(chǎn)出率僅為世界平均水平的1/7，表明我國(guó)的能源效率很低。我國(guó)90%以上的能源和80%以上的工業(yè)原料都取自礦產(chǎn)資源，每年投入國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的礦物原料超過(guò)60億t。對(duì)非再生資源的需求趨向于負(fù)荷的極限，引起了嚴(yán)重的資源短缺問(wèn)題。因此，為了解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的資源瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，最積極的措施是提高資源效率。資源效率指在某一生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)出的有用產(chǎn)品占所投入原料總量的百分比。環(huán)境污染，很大程度上是由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所投入的原材料沒(méi)有變成有效產(chǎn)品，而作為副產(chǎn)物排放到環(huán)境中，形成環(huán)境過(guò)量承載的一種現(xiàn)象。顯然，材料生產(chǎn)過(guò)程的資源效率越低，最終造成的環(huán)境污染越重。我國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模已居世界前列，發(fā)展速度令人矚目，對(duì)資源的需求已達(dá)到前所未有的程度。一方面經(jīng)濟(jì)發(fā)展已受到某些資源短缺的約束；另一方面現(xiàn)有資源的利用效率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)總回收率只有30%～50%，比發(fā)達(dá)國(guó)家平均低20%左右。每萬(wàn)元國(guó)民收入的能耗為20.5t標(biāo)準(zhǔn)煤，為發(fā)達(dá)國(guó)家的10倍。在我國(guó)資源開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中存在“高投入、低效率、高污染”的問(wèn)題。

2、資源效率材料FeMnAlCrZnCuTiNi主料2.04.02.52.54020066.7100.0輔料21.625.731.377.3123.610.7785.7614.5資源效率4.24%3.37%2.96%1.25%0.61%0.47%0.18%0.14%表2-19生產(chǎn)1t純金屬材料所消耗的資源及資源效率表2-20我國(guó)材料生產(chǎn)的資源消耗與國(guó)際平均水平的比較材料能源鋼鐵木材水泥橡膠塑料化纖銅鋁鉛鋅國(guó)際水平11111111111中國(guó)水平7.03.65.012.06.01.59.03.72.42.72.23、資源保護(hù)和綜合利用

(1)資源保護(hù)廣義的資源保護(hù)指人類(lèi)在維護(hù)自然的生態(tài)系統(tǒng)及其綜合體過(guò)程中，對(duì)開(kāi)采和利用資源采取的平衡觀念和行動(dòng)；狹義的資源保護(hù)一般指對(duì)資源進(jìn)行有效的綜合利用，提高資源效率。資源保護(hù)的措施：主要有評(píng)價(jià)、管理、利用和監(jiān)督等幾個(gè)方面。資源評(píng)價(jià)包括對(duì)資源價(jià)值、開(kāi)采價(jià)值、開(kāi)采目的等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后根據(jù)資源效率來(lái)決定資源利用的意義；資源管理包括在資源使用過(guò)程中的資源回采率、貧化率、加工回收率等方面進(jìn)行綜合管理，以保證資源效率；資源利用包括資源的開(kāi)采技術(shù)、分選水平和資源的綜合利用水平等方面；資源監(jiān)督主要是保證資源利用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益要統(tǒng)一，而不是矛盾和對(duì)立的。從資源效率的角度，特別要注意提高資源加工水平，拓寬資源用途，加強(qiáng)資源的再回收利用程度等。

關(guān)于資源的有效利用，從技術(shù)方面來(lái)考慮：首先是節(jié)約自然資源，提高單位資源利用的效率。其次是發(fā)展替代資源，包括生產(chǎn)中的替代和消費(fèi)中的替代?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人類(lèi)在采用替代資源的同時(shí)，能保證產(chǎn)品的用途和質(zhì)量等不受影響。第三是延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期，使用壽命的延長(zhǎng)，意味著同種產(chǎn)品的原材料消耗降低，產(chǎn)生的廢物減少。

關(guān)于資源保護(hù)，從管理上說(shuō)：要