环境材料学-第四章教学内容.ppt

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1、环境材料学-第四章2020世纪全球十大环境问题世纪全球十大环境问题1气候变暖6土地荒漠化2臭氧层破坏7大气污染3生物多样性减少8水体污染4酸雨蔓延9固体废弃物污染5森林锐减10海洋污染 上图总结了20世纪全球十大环境问题，可见各种各样的环境问题几乎都是人类文明进程中的伴生物人类文明发展偶列文明的阶段特征人类文明发展偶列文明的阶段特征发展形势狩猎文明农业文明工业文明后工业文明时间B.C.200万年B.C.1万年B.C.1万年18世纪18世纪今天今天态度依赖自然改造自然征服自然善待自然环境问题不明显水土流失全球公害预防对策听天由命牧童经济环境保护可持续发展增长的极限增长的极限提出的问题及措施提出的

2、问题及措施问题：加速工业化、快速的人口增长、普遍的营养不良、不可再生的资源耗 尽、环境恶化措施：1975年停止人口增长、1990年停止工业投资增长 政治学认为，既满足当代人的需求又不危政治学认为，既满足当代人的需求又不危及后代人满足其需求的发展称为可持续发及后代人满足其需求的发展称为可持续发展。展。环境学认为，在生存不超过生态系统容纳环境学认为，在生存不超过生态系统容纳能力的条件下改善人类生活品质的过程称能力的条件下改善人类生活品质的过程称为可持续发展。为可持续发展。经济学认为，建立极少产生废料和污染物经济学认为，建立极少产生废料和污染物的工艺或技术系统的过程称为可持续发展。的工艺或技术系统的

3、过程称为可持续发展。2.材料产业的可持续发展 21世纪是可持续发展的世纪。社会、经济的可持续发展要求以自然资源为基础，与环境承载能力相协调。研究环境与材料的关系，实现材料的可持续发展，是历史发展的必然，也是材料科学的一种进步。实现材料可持续发展的关键在于，在开发实现材料可持续发展的关键在于，在开发新材料，满足其需要的使用性能及可接受新材料，满足其需要的使用性能及可接受的经济性能的同时，注意材料的环境性能，的经济性能的同时，注意材料的环境性能，包括降低资源和能源的消耗，减小环境污包括降低资源和能源的消耗，减小环境污染，并提高其循环再利用率。另外，材料染，并提高其循环再利用率。另外，材料科学技术的

4、发展也是人类有能力考虑材料科学技术的发展也是人类有能力考虑材料设计、生产、适用、废弃、回收等过程的设计、生产、适用、废弃、回收等过程的环境问题。环境问题。材料资源原料材料流F-10F-4标准LCA方法数据库指标污染控制污染修复在利用污染治理清洁生产在循环环境工程材料环境讲解材料环境协调材料绿色材料生态设计评价工艺产品可持续发展影响材料可持续发展的一些因素 实现材料的可持续发展，要从思想观念、政府实现材料的可持续发展，要从思想观念、政府作用、法律法规、管理监督、技术开发、国际合作用、法律法规、管理监督、技术开发、国际合作等方面综合考虑，协调实施。其中关键是提高作等方面综合考虑，协调实施。其中关键

5、是提高现有资源效率及减少甚至避免有害污染物向环境现有资源效率及减少甚至避免有害污染物向环境排放。排放。实现材料可持续发展的措施既有技术方面的内实现材料可持续发展的措施既有技术方面的内容，也有管理方面的内容，目前主要有容，也有管理方面的内容，目前主要有:加强资源加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环利用的研究再生利用研究，特别是废物再生循环利用的研究和应用，以提高资源效率；再生产过程中采用清和应用，以提高资源效率；再生产过程中采用清洁生产的工艺，向零排放零污染的方向努力；加洁生产的工艺，向零排放零污染的方向努力；加强环境管理，特别是强环境管理，特别是ISO14000ISO14000国际环境管理

6、标准国际环境管理标准的推进有助于可持续发战略的事实。的推进有助于可持续发战略的事实。4.2 工业生态学 1.工业生态学原理工业生态学原理u 工业生态学是为解决现存的一些工业过程工业生态学是为解决现存的一些工业过程与可持续发展的目标之间的矛盾而提出的工与可持续发展的目标之间的矛盾而提出的工业代谢理论。到目前尚未有统一的定义，一业代谢理论。到目前尚未有统一的定义，一般认为工业生态学是以种提高资源效率和促般认为工业生态学是以种提高资源效率和促进环境保护的系统原理。这种系统原理旨在进环境保护的系统原理。这种系统原理旨在通过连续不断的技术、文化和经济的革新和通过连续不断的技术、文化和经济的革新和进化，为

7、人类社会保持一个可持续的生存环进化，为人类社会保持一个可持续的生存环境提供一种优化手段。境提供一种优化手段。u 工业生态学的目标是通过分析自然界的工业生态学的目标是通过分析自然界的生物循环系统，将生物圈的循环原理用于生物循环系统，将生物圈的循环原理用于工业过程，把现有的工业体系通过工业生工业过程，把现有的工业体系通过工业生态学的途径，转化为可持续发展的体系，态学的途径，转化为可持续发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展最终实现人类社会的可持续发展。u 在二级生态系统中，其代谢特征就变成有限资源投入和有限废物排放，系统内有物质的循环流动。无限的资源无限的废物有限的资源有限的废物能源一级生态系统

8、（系统内物质单向流动）二级生态系统（系统内有物质的循环流动）三级生态循环系统（系统内形成物质的闭路循环）材料服务制造废弃消费有限的资源和能源理想的工业生态系统示意图可持续发展工业生态学技术系统文化系统自然系统工业生态学理论框架示意图2.凯隆堡生态工业园 目前，与自然界生物进化的生态系统相比，目前，与自然界生物进化的生态系统相比，工业生态系统不一定完美无缺，但是，如果工工业生态系统不一定完美无缺，但是，如果工业过程模仿生物系统的运行规则，人类将受益业过程模仿生物系统的运行规则，人类将受益无穷。世界上第一个投入运行的工业生态系统无穷。世界上第一个投入运行的工业生态系统丹麦凯隆堡生态工业园是生态学概

9、念的一丹麦凯隆堡生态工业园是生态学概念的一个成功实践。个成功实践。硫酸厂STATOL炼油厂温室ASNAES燃煤电厂1500MW区域供热站GYPROC墙板厂养鱼场水泥厂筑路公司NOVO生物制药农场蒂斯湖凯隆堡工业生态系统示意图硫废热燃料气淡水除尘渣飞灰废渣做肥料沉渣做肥料废热废热蒸汽蒸汽冷却水经济经济效益效益环境效益环境效益减少资源消耗废物重新利用减少温室效应总投资6000万美元/20a总效益20000万美元/20a投资回收期5a石油 45000t/a炉灰130000t/aCO 175000t/a煤炭15000t/a硫4500t/aSO10200t/a水600000m/a石膏9000t/a氮14

10、40t/a磷600t/a凯隆堡生态工业园的经济效益和环境效益举例4.3 材料流分析 材料流又称材料流又称物质流物质流，也称材料链。材料流理，也称材料链。材料流理论是指用数学物理方法，对在工业生产过程中论是指用数学物理方法，对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量的一种定量分析理论。材料流理论是向和数量的一种定量分析理论。材料流理论是一种方法学，其理论基础就是物质不灭定律和一种方法学，其理论基础就是物质不灭定律和能量守恒定律，主要用于研究、评价工业生产能量守恒定律，主要用于研究、评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高

11、过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。因此，材料流理论是研究资资源效率的途径。因此，材料流理论是研究资源效率的一种有效工具。源效率的一种有效工具。材料流理论的产生、应用及发展趋势（1 1）4 4倍因子理论倍因子理论 含义：在经济活动和生产过程中，通过采取含义：在经济活动和生产过程中，通过采取各种技术措施，将能源消耗、资源消耗降低一各种技术措施，将能源消耗、资源消耗降低一半，同时将生产效率提高一倍。半，同时将生产效率提高一倍。R=P/I R=P/I式中：式中：RR资源效率资源效率 P P产品产出量产品产出量 I I原材料、能源投入量原材料、能源投入量（2 2）1010倍因子理论

12、倍因子理论 核心思想：我们必须继续减小全球的材料核心思想：我们必须继续减小全球的材料流量，在一代人之内将资源效率提高流量，在一代人之内将资源效率提高1010倍，倍，才能使发达国家保持现有的生活质量，逐才能使发达国家保持现有的生活质量，逐步缩小国与国之间的贫富差距，且可以让步缩小国与国之间的贫富差距，且可以让子孙后代能够在这个星球上生存。子孙后代能够在这个星球上生存。I=P*GDP/P*I/GDP I=P*GDP/P*I/GDP 式中：式中：II环境影响环境影响 P P人口人口 GDP GDP国内生产总值国内生产总值（3 3）极值理论）极值理论 理论指出：对一定的原材料投入，有效产理论指出：对一

13、定的原材料投入，有效产品的产出效率越高，废弃物产生量就越小。品的产出效率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，就是要求最大的产从环境保护的角度看，就是要求最大的产出率和最小的废物排放率。出率和最小的废物排放率。I=(P I=(P+P+P+)+(W+)+(W +W+W +)=P+W+)=P+W 式中：式中：II物质总投入量物质总投入量 P P有用产品产出量有用产品产出量 W W废物产出量废物产出量 若定义若定义R=P/IR=P/I与与O=W/IO=W/I 式中：式中：RR资源效率资源效率 O O废物产出率废物产出率 求求 P/P/I I极大值，及极大值，及R Rmaxmax=(=(P/P

14、/I)I)maxmax,则可获得则可获得最大资源效率。同时，求最大资源效率。同时，求 W/W/I I极小值，即极小值，即O Omaxmax=(=(W/W/I)I)maxmax，则可获得最小废物产出率。，则可获得最小废物产出率。显然在追求资源效率的过程中，材料流理显然在追求资源效率的过程中，材料流理论提供了定量分析工具。论提供了定量分析工具。2.材料流理论的应用实践 全球环境的恶化主要是经济活动引起的，而全球环境的恶化主要是经济活动引起的，而资源效率是经济活动能否实现可持续发展的关资源效率是经济活动能否实现可持续发展的关键。针对如何提高资源的利用效率、节约能源、键。针对如何提高资源的利用效率、节

15、约能源、减少环境污染，许多国家组织和企业都借助于减少环境污染，许多国家组织和企业都借助于材料流分析进行了改善资源效率的实践。材料流分析进行了改善资源效率的实践。原矿选矿铁精矿尾矿烧结炼铁含钛高炉渣含钒铁水堆存钢坯提矾矾渣选钛堆存硫钴精矿钛精矿钛白粉高钒铁轨梁热轧板冷轧板高速线我国某钢铁企业材料流分析示意图4.4 材料生产的资源效率1.1.资源概述资源概述 在一般意义上，资源是指人类可以直接从自在一般意义上，资源是指人类可以直接从自然界获得并用于生产和生活的物质，资源是自然界获得并用于生产和生活的物质，资源是自然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。资

16、源通常可分为三大类资源通常可分为三大类 第一类称为取之不尽资源，如空气、风、太第一类称为取之不尽资源，如空气、风、太阳能等。阳能等。第二类称为可再生资源，如生物体、水、森第二类称为可再生资源，如生物体、水、森林、草地、海洋、土壤等。林、草地、海洋、土壤等。第三类称为非再生资源，如矿物、化石燃料第三类称为非再生资源，如矿物、化石燃料等。等。从广义上说，资源具有社会性、自然性、从广义上说，资源具有社会性、自然性、商品性三个特点。商品性三个特点。矿产资源的种类矿产资源的种类能源煤、石油、天然气、油页岩、铀、钍等金 属 矿 产黑色金属、有色金属、贵金属等非 金 属 矿 产冶金辅料：石灰石、莹石、硅石化

17、工辅料：硫铁矿、磷矿、硼矿、盐、天然碱等其 他：石棉、刚玉、水晶、玛瑙等19911991年世界能原利用结构分布年世界能原利用结构分布能源石油煤炭天然气核电水电地热占总能源的百分数39.2%29.0%22.0%7.0%2.4%0.4%2.2.资源效率资源效率 广义上说，资源效率指在某一生产过程中广义上说，资源效率指在某一生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比。在材料的生态设计中，资源效率是分比。在材料的生态设计中，资源效率是必须考虑的一个方面。在工业生态学中，必须考虑的一个方面。在工业生态学中，我们介绍了工业过程生态化，其中很关键我们介绍了工业过程

18、生态化，其中很关键的一条就是减少资源很能源的投入，提高的一条就是减少资源很能源的投入，提高自愿的利用率。分子材料的资源效率，最自愿的利用率。分子材料的资源效率，最有效的工具就是材料流分析方法。通过跟有效的工具就是材料流分析方法。通过跟踪生产过程中的材料流向，可计算整个系踪生产过程中的材料流向，可计算整个系统以及每个子系统的资源效率。统以及每个子系统的资源效率。生产生产1t1t纯金属材料所消耗的资源及资源效率纯金属材料所消耗的资源及资源效率材料FeMnAlCrZnCuTiNi主料/t2.04.02.52.54020066.7100.0辅料/t21.625.731.377.3123.610.778

19、5.7614.5资源效率4.24%3.37%2.96%1.25%0.61%0.47%0.18%0.14%我国材料生产的资源消耗与国际平均水平比较我国材料生产的资源消耗与国际平均水平比较材料能源钢铁木材水泥橡胶塑料化纤铜铝铅锌国际水平11111111111中国水平7.03.65.012.06.01.59.03.72.42.72.2 我国的经济规模已居世界前列，发展的速度令人瞩目，对资源的需求已达到前所未有的程度。一方面某些资源短缺已对经济发展造成了一定的约束；另一反面，现有资源的利用率不高，资源浪费严重。“投入高、效率低、高污染”的问题，在我国资源开发和利用过程中仍然存在。3.3.资源保护和综合

20、利用资源保护和综合利用（1 1）资源保护）资源保护 通过上面对资源的分析可知，要提高资源通过上面对资源的分析可知，要提高资源效率，减少环境污染，效率，减少环境污染，一方面通过技术革一方面通过技术革新，改造就得生产工艺，提高生产效率，新，改造就得生产工艺，提高生产效率，减少废物排放减少废物排放；另一方面可以通过保护有另一方面可以通过保护有限资源，加强资源综合利用限资源，加强资源综合利用，特别是废物，特别是废物得回收利用，变废物为资源，是有限的资得回收利用，变废物为资源，是有限的资源得到充分利用，同时也可减轻材料生产源得到充分利用，同时也可减轻材料生产过程中的环境负担。过程中的环境负担。对资源保护

21、通常有广义和狭义两方面的理对资源保护通常有广义和狭义两方面的理解。解。广义广义：人类在维护自然的生态系统及其综：人类在维护自然的生态系统及其综合体过程中，对开采和利用资源采取的平合体过程中，对开采和利用资源采取的平衡观念和行动。衡观念和行动。狭义狭义：对资源进行有效地综合利用，提高：对资源进行有效地综合利用，提高资源效率。资源效率。关于资源额有效利用，从技术方面来考虑，关于资源额有效利用，从技术方面来考虑，主要包括主要包括节约自然资源节约自然资源、发展替代资源、发展替代资源、延长产品的生命周期延长产品的生命周期三方面。从管理上说，三方面。从管理上说，要注意经济、社会和生态效益相结合，不要注意经

22、济、社会和生态效益相结合，不能只注意环境影响，阻碍经济的发展。能只注意环境影响，阻碍经济的发展。资源保护措施资源保护措施 评价：对资源价值、开采价值、开采目的等评价：对资源价值、开采价值、开采目的等方面进行综合评价。方面进行综合评价。管理：对资源回踩率、贫化率、加工回收率管理：对资源回踩率、贫化率、加工回收率等方面进行综合管理。等方面进行综合管理。利用：资源的开发技术、分选水平和资源的利用：资源的开发技术、分选水平和资源的综合利用水平等方面。综合利用水平等方面。监督：保证资源利用过程中的经济效益、社监督：保证资源利用过程中的经济效益、社会效益和环境效益要统一，而不是矛盾和会效益和环境效益要统一

23、，而不是矛盾和对立的。对立的。（2 2）一次资源的综合利用）一次资源的综合利用r r 将某一次生产过程中排出的废弃物直接将某一次生产过程中排出的废弃物直接作为下一生产过程的原料而加以利用称为作为下一生产过程的原料而加以利用称为一次资源综合利用。从材料与环境的角度一次资源综合利用。从材料与环境的角度看，我国目前的一次资源综合利用主要集看，我国目前的一次资源综合利用主要集中在中在3 3个方面，即矿业废弃物的综合利用、个方面，即矿业废弃物的综合利用、冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综合利用。合利用。（3 3）二次资源的综合）二次资源的综合 所谓的二次资源综合利用

24、是指将某种废物所谓的二次资源综合利用是指将某种废物经过加工处理利用使其重新变为资源的过经过加工处理利用使其重新变为资源的过程，也称为废弃资源的再生利用。程，也称为废弃资源的再生利用。与一次资源综合利用不同的是，它是将已与一次资源综合利用不同的是，它是将已排放进入环境成为污染物的物质进行加工排放进入环境成为污染物的物质进行加工处理，使之再次成为原料。从技术上分，处理，使之再次成为原料。从技术上分，二次资源综合利用可分为二次资源综合利用可分为物理法物理法、化学法化学法、生物法生物法等。等。4.5 材料的生态设计1.1.生态平衡生态平衡 在生态系统中，保持在生态系统中，保持物质和能量输入和输出物质和

25、能量输入和输出平衡平衡的过程称为生他平衡。在材料生产和使用的过程称为生他平衡。在材料生产和使用过程中保持生态平衡，其实质就是保持资源平过程中保持生态平衡，其实质就是保持资源平衡、能源平衡、和环境平衡。衡、能源平衡、和环境平衡。保护生态系统、保护生态系统、保持生态平衡是人类应遵循的最高原则。保持生态平衡是人类应遵循的最高原则。生态平衡不仅要求在材料生产和使用中尽生态平衡不仅要求在材料生产和使用中尽量减少有害气体、液体、固体的产生和排量减少有害气体、液体、固体的产生和排放，而且放，而且尽量提高材料的再循环利用率尽量提高材料的再循环利用率，将有害物质转化为有用的材料。据统计，将有害物质转化为有用的材

26、料。据统计，无论是保护环境还是污染环境，设计对环无论是保护环境还是污染环境，设计对环境的境的贡献可达贡献可达90%90%。在工业过程中，传统的设计主要考虑产品在工业过程中，传统的设计主要考虑产品的使用性能和成本。的使用性能和成本。8080年代后开始考虑设年代后开始考虑设计的第三个要素计的第三个要素 ，即产品或工艺的环境性即产品或工艺的环境性能。能。生态设计主要遵循的原则生态设计主要遵循的原则1.1.追求资源和能源消耗最小化追求资源和能源消耗最小化2.2.追求各种污染物排放最小化追求各种污染物排放最小化3.3.追求废弃物再生循环利用率最大化追求废弃物再生循环利用率最大化2.2.生态设计生态设计

27、在材料生产和使用过程中，材料的生态设在材料生产和使用过程中，材料的生态设计目标主要考虑四个要素，计目标主要考虑四个要素，即先进性、经即先进性、经济性、协调性、舒适性。济性、协调性、舒适性。减少材料环境影响的措施包括减少材料环境影响的措施包括减少材料的减少材料的用量、回收循环在利用、降解及废物处理用量、回收循环在利用、降解及废物处理等。等。产品改进产品重新设计功能创新系统创新技术创新能力环境性能产品设计对改善环境性能的贡献示意图n 根据有关专家统计，设计对环境保护的 贡献可达到70%以上。生态设计方法生态设计方法一、系统设计一、系统设计二、模块化设计二、模块化设计三、长寿命设计三、长寿命设计四、

28、再生设计四、再生设计3.3.再生设计再生设计 由于材料的生产过程每一部都有大量废弃由于材料的生产过程每一部都有大量废弃物产生，因此在材料的生态设计中，一个物产生，因此在材料的生态设计中，一个重要的内容是有关废弃物的再生设计。材重要的内容是有关废弃物的再生设计。材料再生的设计要点一般包括把上一个过程料再生的设计要点一般包括把上一个过程的废弃物作为下一个过程的原料，的废弃物作为下一个过程的原料，建立利建立利用废弃物作为资源的观念。用废弃物作为资源的观念。再生设计的主要内容再生设计的主要内容一、直接再利用一、直接再利用二、零部件回收再利用二、零部件回收再利用三、废弃物作为原料再利用三、废弃物作为原料

29、再利用四、能源回收再利用四、能源回收再利用 最常见的例子是建筑物拆卸时瓦片的重新利用，以最常见的例子是建筑物拆卸时瓦片的重新利用，以及钢构件拆卸时的结构材料再利用等。及钢构件拆卸时的结构材料再利用等。典型的例子是施乐复印机公司的典型的例子是施乐复印机公司的“再造再造”战略。战略。自自19951995年开始，施乐复印公司每年靠这种年开始，施乐复印公司每年靠这种“再造再造”战略创造了上亿美元的利润。战略创造了上亿美元的利润。在再设计中，将废物作为原料再利用是较成熟的一在再设计中，将废物作为原料再利用是较成熟的一种废物再利用思想。例如将废旧塑料材料再加工，种废物再利用思想。例如将废旧塑料材料再加工，做成器件，或生产汽油、柴油等。做成器件，或生产汽油、柴油等。废旧钢材重新回炉冶炼，加工成成品钢，以及冶炼废旧钢材重新回炉冶炼，加工成成品钢，以及冶炼过程中的钢渣用于生产水泥或建筑瓷砖等。过程中的钢渣用于生产水泥或建筑瓷砖等。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢