第一章环境.ppt

第一章第一章2011环境环境教材教材生态环境材料生态环境材料 聂祚仁、王志宏聂祚仁、王志宏 机械工业出版社机械工业出版社 2004 2004 参考文献参考文献1 1、环境材料基础、环境材料基础 左铁镛、聂祚仁左铁镛、聂祚仁 科学出版社科学出版社 200320032 2、环境材料、环境材料 孙胜龙孙胜龙 化学工业出版社化学工业出版社 200220023 3、环境材料学、环境材料学 翁端翁端 清华大学出版社清华大学出版社 200120014 4、生态环境材料、生态环境材料 王天民王天民 天津大学出版社天津大学出版社 2000 2000 5 5、环境材料导论、环境材料导论 刘江龙冶金工业出版社刘江龙冶金工业出版社 19991999返回第一章第一章 概概 论论 返回 人类社会的进步人类社会的进步，总是离不开材料的总是离不开材料的。材料是国民经济和社会材料是国民经济和社会发展的基础和先导发展的基础和先导，它与能源、信息并行它与能源、信息并行，视为现代高科技的三大视为现代高科技的三大支柱。支柱。材料与能源是推动社会文明进步的车轮材料与能源是推动社会文明进步的车轮，是社会发展的重要标是社会发展的重要标志。当代社会所使用的材料、能源太多志。当代社会所使用的材料、能源太多，其结果给环境带来的压力其结果给环境带来的压力越来越大越来越大，对环境造成的污染也越来越严重。对环境造成的污染也越来越严重。如何很好地使用材料、如何很好地使用材料、能源能源，又不会给环境带来灾难又不会给环境带来灾难，需研究环境、材料之间的关系需研究环境、材料之间的关系，充充分利用环境材料分利用环境材料，使人类社会实现永续发展的目的。使人类社会实现永续发展的目的。第一节第一节 材料可持续发展的产物材料可持续发展的产物生态环境材料生态环境材料一、背景一、背景可持续发展作为可持续发展作为2121世纪的发展战略世纪的发展战略。可持续发展可持续发展:既可满足当代人的需要既可满足当代人的需要，又不损害后代人需求的又不损害后代人需求的发展发展，就是说，就是说经济建设与人口、资源和环境要协调发展经济建设与人口、资源和环境要协调发展，既能达到既能达到发展经济的目的发展经济的目的，又能保护人类赖以生存的自然资源和环境又能保护人类赖以生存的自然资源和环境，使人，使人类能够连续不断地发展。类能够连续不断地发展。人口膨胀、资源短缺和环境恶化人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今世界可持续发展所面临是当今世界可持续发展所面临的三大主要问题。的三大主要问题。资源与能源是制造材料和推动材料发展的两大支柱资源与能源是制造材料和推动材料发展的两大支柱，由于不合由于不合理理的的开发和利用开发和利用，导致了资源短缺和环境恶化。导致了资源短缺和环境恶化。材料的寿命周期与资源、环境的关系材料的寿命周期与资源、环境的关系对资源的消耗：能源的消耗矿物资源的消耗生物资源的消耗水资源的消耗对生态环境的损害：向大气环境排放有害物质，如大气污染物的排出；具有温室效应气体的排出，破坏大气臭氧层物质的排出；酸性气体物质的排出等。向水域排放有害物质，如危害人体和生物体健康物质的排出，影响生态环境物质的排出等。向土壤排放有害物质，如污染土壤物质的排出；恶化土质物质的排出；危害生物链物质的排出等。其他损害环境物质的排放，如固体废弃物的排放；恶臭物质的排放：噪声、振动、电磁波的产生等。全世界能源、各种原材料快速消耗；许多稀有金属回收再利用率很低，引发全球范围内能源、资源枯竭。各种材料制成的产品废弃后的回收利用低，尤其是电子产品更新换代周期越来越短，造成废旧电子产品废弃量逐年增加，而且此类产品的回收利用难度较大。这些废弃物产生的有毒有害物质造成环境污染。表表 1.1 1.1 世界主要金属矿物资源储量与预测使用的年限世界主要金属矿物资源储量与预测使用的年限 矿物质矿物质资源资源/t预测使用年限预测使用年限矿物质矿物质资源资源/t预测使用年限预测使用年限Fe153.4109171Pb95.010626Mn907.210697Zn170.010626Ni52.610668Al21.0109238W2.810660Sn3.0610616Cu340.010640Au39.810325表表 1.2 1.2 世界矿物能源储量、产量及其开采年限预测世界矿物能源储量、产量及其开采年限预测 年年 限限石石 油油天然气天然气煤煤 炭炭铀铀确认储量确认储量13681368亿亿t t13800001380000亿亿m m3 31039210392亿亿t t低品位铀约低品位铀约139139万万t t高品位铀约高品位铀约61万万t1992年产量年产量68006800万万t t2160021600亿亿m m3 345.545.5亿亿t t2.72.7万万t(t(不不包包括括发发展中国家展中国家)按按1992年需求预计可年需求预计可开采年限开采年限466421974按按2000年需求预计可年需求预计可开采年限开采年限2556按按2010年年需需求求预预计计可可开采年限开采年限15二、概念的提出二、概念的提出 生态环境材料的概念生态环境材料的概念最早是由最早是由日本日本东京大学生产技术东京大学生产技术研究所教授研究所教授山本良一山本良一在在19921992年年1010月提出月提出：生态环境材料生态环境材料 EcomaterialsEcomaterialsEnvironmental Conscious MaterialsEnvironmental Conscious Materials或或 EcologacalEcologacal Mate Materialsrials 环境意识材料或生态材料环境意识材料或生态材料，即环境友好型材料或环境协调即环境友好型材料或环境协调性材料。性材料。第二节第二节 环境材料的内涵与定义环境材料的内涵与定义一、环境材料的定义一、环境材料的定义环境材料环境材料:指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需的材料。境负荷、最大使用功能的人类所需的材料。生态环境材料生态环境材料：是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料的环境协调性的材料。环境协调性环境协调性：资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用高。高。环境材料的性能：环境材料的性能：二、环境材料的内涵二、环境材料的内涵 在尽可能满足用户对材料性能要求的同时在尽可能满足用户对材料性能要求的同时，尽可能节约资源尽可能节约资源和能源和能源，尽可能减少对环境的污染尽可能减少对环境的污染，要改变片面追求性能的观点要改变片面追求性能的观点；在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，把材把材料及其产品整个寿命周期中对环境的协调性作为重要评价指标料及其产品整个寿命周期中对环境的协调性作为重要评价指标，改变只管设计生产改变只管设计生产，而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污染的观点染的观点；此此定义的拓宽涉及多学科的交叉定义的拓宽涉及多学科的交叉，不仅讲科学技术效益、经不仅讲科学技术效益、经济效益济效益，还要讲社会效益还要讲社会效益，把材料科学技术与产业的具体发展目把材料科学技术与产业的具体发展目标和全球、各国可持续发展的大目标结合起来。标和全球、各国可持续发展的大目标结合起来。见书P3 三、环境材料的特征三、环境材料的特征1 1、从材料本身性质来看生态环境材料的主要特征是从材料本身性质来看生态环境材料的主要特征是 :1)1)无毒无害、减少污染无毒无害、减少污染，包括避免温室效应和臭氧层破坏包括避免温室效应和臭氧层破坏等。等。2)2)全寿命过程对资源和能源消耗少。全寿命过程对资源和能源消耗少。3)3)可再生循环利用、容易回收。可再生循环利用、容易回收。4)4)材料的高使用效率等。材料的高使用效率等。见书P22 2、从循环的角度来理解环境材料的特征是：、从循环的角度来理解环境材料的特征是：从原料开采、制造、使用至废弃的整个寿命周期中从原料开采、制造、使用至废弃的整个寿命周期中，对对资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率资源和能源消耗最少、生态环境影响最小、再生循环利用率最高最高，或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。3 3、环境材料应具备环境材料应具备的特征是：的特征是：观点一观点一1 1）先进性先进性：即它可以拓展人类的生活领域即它可以拓展人类的生活领域 (Expanding Human(Expanding Human Frontiers)Frontiers)，也能为人类开拓更广阔的活动范围也能为人类开拓更广阔的活动范围；2 2）环境协调性环境协调性（Environment ConsciousEnvironment Conscious）：）：即能减少对环境即能减少对环境的污染危害的污染危害，从社会持久发展及进步的观点出发从社会持久发展及进步的观点出发,使人类的活动使人类的活动范畴和外部环境尽可能协调范畴和外部环境尽可能协调,在制造过程中在制造过程中,材料与能源的消耗、材料与能源的消耗、废弃物的产生和回收处理应降低到最小废弃物的产生和回收处理应降低到最小,产生的废弃物也能被处产生的废弃物也能被处理理、回收回收、再生利用再生利用，且这一过程也无污染产生且这一过程也无污染产生；3 3）舒适性舒适性 (Amenity)(Amenity)：即能创造一个与大自然和谐的健康生活即能创造一个与大自然和谐的健康生活环境环境,使人类生活环境更加美好使人类生活环境更加美好、舒适舒适。观点二观点二功能性、经济性和环境协调性功能性、经济性和环境协调性等。这有利于对环境材等。这有利于对环境材料的评判料的评判，也符合现实情况。也符合现实情况。即即在材料的寿命周期中在材料的寿命周期中，在，在其功能性、经济性基本相同的条件下对环境负担影响较小其功能性、经济性基本相同的条件下对环境负担影响较小的材料。的材料。观点三观点三 1)1)节约能源节约能源：2)2)节约资源节约资源：3)3)可重复使用可重复使用：4)4)可循环再生可循环再生：5)5)结构可靠性结构可靠性：6)6)化学稳定性化学稳定性：7)7)生物安全性生物安全性：8)8)有毒、有害替代有毒、有害替代：9)9)舒适性舒适性：1O)1O)环境清洁、治理功能环境清洁、治理功能：四、环境材料四、环境材料的合成与加工工艺特征的合成与加工工艺特征见书P41)1)能源节约工艺能源节约工艺：能够通过提高能源效率或降低能量消耗但能够通过提高能源效率或降低能量消耗但又不损害生产率来节省能量的加工方法。也包括热能循环。又不损害生产率来节省能量的加工方法。也包括热能循环。2)2)资源节约工艺资源节约工艺：能够通过提高材料的效率或降低材料的消能够通过提高材料的效率或降低材料的消耗但不损害生产率来节省资源的加工方法。耗但不损害生产率来节省资源的加工方法。3)3)降低污染的加工技术降低污染的加工技术：能够降低污染物能够降低污染物(如废气、废液、有如废气、废液、有毒副产品和废渣等毒副产品和废渣等)排放但又不损害生产率的加工技术。排放但又不损害生产率的加工技术。4)4)净化环境的加工技术净化环境的加工技术：能够净化有害物质能够净化有害物质(如废气、废液和如废气、废液和有毒副产品有毒副产品)以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。的加工技术。五、环境材料的分类五、环境材料的分类 1 1、环境材料的分类、环境材料的分类根据环境材料的功能可分为根据环境材料的功能可分为：低低（资资源源、能能源源）消消耗耗材材料料、净净化化材材料料、吸吸波波材材料料、（光光、生生物物）可可降降解解材材料料、生生物物及及医医疗疗功功能能材材料料、传传感感材材料料、抗抗辐辐射射材材料、相容性材料、吸附催化材料等。料、相容性材料、吸附催化材料等。根据材料的用途可分为根据材料的用途可分为：工业生态材料、农业生态材料、林业生态材料、渔业生态材工业生态材料、农业生态材料、林业生态材料、渔业生态材料料、能源生态材料、抗辐射材料、相容性材料、生物材料及医用能源生态材料、抗辐射材料、相容性材料、生物材料及医用材料等材料等。第三节第三节 环境材料研究中的几个基本关系环境材料研究中的几个基本关系图图1 12 2 环境材料与其他材料的关系环境材料与其他材料的关系利用利用环境意识环境意识，一方面可以改造现有材料一方面可以改造现有材料，使其与环境有良使其与环境有良好的协调性好的协调性；另一方面在制造、设计新材料时另一方面在制造、设计新材料时，要，要注意与其环境注意与其环境相容性。相容性。一、一、环境材料与传统材料和新材料的关系环境材料与传统材料和新材料的关系 返回二、二、环境材料与发展的关系环境材料与发展的关系 保保护护环环境境、爱爱护护环环境境、珍珍惜惜资资源源的的意意识识应应贯贯穿穿于于人人类类活活动动的的全全过过程程中中，因因此此，环环境境材材料料的的研研究究与与发发展展不不是是阶阶段段性性的的。它它应应当当贯贯穿穿于于人人类类文文明明社社会会的的全全过过程程中中。环环境境材材料料不不像像其其他他材材料料，例例如如铁铁、铜铜、陶陶瓷瓷一一样样，其其发发展展是是一一代代一一代代的的。环环境境材材料料不不是是一一代代新新材材料料。从从人人类类自自身身的的进进步步和和发发展展来来看看，环环境境意意识识应应贯贯穿穿于于人人类类社社会会的的全全过过程程之之中中 ,也也应应当当贯贯穿穿于于人人类类开开发发、使使用用、制制造造、再再生生材材料料的的整整个个过过程程中。环境材料本身应该而且是可持续发展的。中。环境材料本身应该而且是可持续发展的。三、三、环境协调材料与环境协调产品的关系环境协调材料与环境协调产品的关系 环环境境协协调调材材料料或或环环境境材材料料:注注重重从从环环境境协协调调性性研研究究材材料料的的环环境负荷特性境负荷特性，力求最低的环境负荷。力求最低的环境负荷。环境协调产品环境协调产品（EnvironmentalEnvironmental Conscious Conscious PrProducts,oducts,ECPECP）：主主要要考考察察某某种种产产品品是是否否具具有有可可净净化化环环境境、防防止止污污染染、替替代代有有毒毒物物、再再生生利利用用、降降低低废废物物量量、再再资资源源化化、耐耐久久性性、可可分分解解性性、易易拆拆卸卸、省省能能、省省资资源源等等特特性性。事事实实上上，环环境境协协调调材材料料不不一一定定能能够够制制成成环环境境协协调调产产品品。反反过过来来，环环境境协协调调产产品品不不一一定是由环境材料构成。定是由环境材料构成。二、生态环境材料的发展趋势二、生态环境材料的发展趋势 1 1、关于生态环境材料及其学科的基本问题研究、关于生态环境材料及其学科的基本问题研究 2 2、材料的环境负荷评价方法和标准的建立、材料的环境负荷评价方法和标准的建立 3 3、生态环境材料和产品的研究及开发、生态环境材料和产品的研究及开发 4 4、制定与实施生态环境材料的教育计划、制定与实施生态环境材料的教育计划 5 5、推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流、推进生态环境材料研究与开发的国际合作与交流 见书P8 三、环境材料与社会发展进步关系三、环境材料与社会发展进步关系图图1-3 1-3 各种材料对社会发展的相对重要性各种材料对社会发展的相对重要性第四节第四节 生态环境材料的发展趋势生态环境材料的发展趋势四、研究环境材料应当注意的几个问题 环境材料的概念或定义是一种定性的概念,判定环境材料的标准是随着科学技术的进步而变化的。在环境材料的定义中规定,材料的环境负荷相对较低,它是一个相对观点,是判定环境材料的标准时动态变化的根源所在。环境材料的研究从某种意义上将是在材料的环境负荷、目前经济与材料的性能之间寻找合理的平衡点。图图14 环境材料与使用性能间的平衡性环境材料与使用性能间的平衡性思考题：思考题：1.用自己的理解给出环境材料的定义2.你认为哪些材料可以属于环境材料，试从你身边找出一些环境材料的例子。3.结合自己的体会，分析环境材料的未来发展趋势。4.从人类的历史进程分析材料科学与技术的发展，找出材料与环境的关系。