[工学]第九章 环境材料.pptVIP

第九章 环境材料 9.1 环境材料的提出 材料，为人类文明做出重大贡献，却也严重破坏了人类家园。从原材料的开采、提炼、生产、加工、使用一直到废弃的过程，无不以资源和能源的极大消耗，生态环境的严重污染为代价。 在这种背景下，20世纪90年代初，国际上提出了“环境材料”（ecomaterials）的概念。 9.2 环境材料的定义和研究内容 定义：指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能改善环境的材料。其中的“环境协调性”是指对资源和能源的消耗小，对环境的污染少。 研究内容： 理论研究包括： 1.对材料的环境性能的评价。其中生命周期评估（life cycle assessment, LCA）已经成为这一领域的主流方法。LCA是指采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的资源、能源消耗，废物排放等环境影响，并寻求改善的可能。 2.材料的可持续发展理论。研究资源的使用效率，生态设计理论。 3.材料流理论（materials flow）和生态加工、清洁生产理论、再循环、降解、废物处理理论。 实用研究包括： 1.环境协调材料，传统材料的环境材料化。从人本的角度强调材料与环境的兼容与协调，开发天然材料、绿色包装材料和绿色建筑材料等。 2.环境净化和修复材料。指各种积极地防止污染的材料，如分离、吸附、转化污染物的材料。 3.降解材料，指通过自身的分解减小对环境的污染。 9.3 材料的环境协调性评价 1.能源评价法。由于过于片面，基本上已被淘汰； 2.环境影响因子评价法。考虑了多种影响因素，是能源评价法的进步； 3.环境负荷单位法。采用一种综合的无量纲的数表示材料的环境影响，在欧美较为普遍； 4.生态指数，根据污染物来评价对象； 5.生态因子法，特点是研究材料单位性能所带来的环境负担； 6.生命周期评估，是目前流行的高度综合方法，被称为“从摇篮到坟墓”的评价方法。 9.3.1 LCA的流程 （1）目标和范围的确定 LCA的准备阶段，也是最重要的环节。 评价目标：界定评价对象，实施LCA评价的原因和评价结果的输出方式； 评价范围：功能单元的定义、评价边界定义、系统输入与输出分配方法、评价模型及其解释方法、资料要求、审核方法、评价报告的类型和格式等。 （2）编目分析 根据评价的目标和范围，对资料收集和分类整理的过程。 （3）环境影响评价 在编目分析的基础上，研究材料的各种污染对环境的量化影响。有4个基本步骤：分类、表征、归一化和评价。 （4）评价结果的解释 进行综合阐述和分析，最终给出评价的结果和建议。 9.3.2 材料的环境性能数据库 LCA主要是一个数据处理的过程，为了利用计算机对数据进行批量、重复的处理，实施结果的平行比较，产生了对材料的环境性能数据库和LCA评价软件的需求。 建立数据库的基本原则是通用性、可比性、服务性和预测性。大多数LCA研究单位都经历了从个案分析到建立环境性能数据库的过程。 9.3.3 材料的LCA实例——纸杯与塑料杯的竞赛 1991年2月，美国《科学》杂志上刊登了一份纸杯和塑料杯的LCA评估报告（表9-2）。 作者认为，塑料杯造成的环境污染相对要小一些。而报告受到他人的质疑：认为报告数据过时，技术改进使纸杯更有利于环境 。 本例说明LCA的结论不是固定不变的，有很强的时间性和地域性，更增加了它的复杂程度。 9.3.4 LCA的局限性 在应用范围上，LCA很少考虑对象主要功能及其相关效益。 在评价范围上，LCA的范围定义也往往使结果产生一定误差。 在评估方法上，LCA既包括客观成分，也包括主观成分。 9.4 材料的生态设计 9.4.1 工业生态学 工业生态学是一种提高资源使用效率和促进环保的系统原理，是通过分析自然界的生物循环，将生物圈的循环原理应用到工业过程中，使传统工业转化为可持续发展体系。 9.4.2 材料流分析 材料流是材料在开采、提炼、生产、加工、使用和废弃整个过程中的运动； 材料流分析是对材料流的方向和流量进行定量分析，是研究资源效率的有效工具。 9.4.3 材料的生态设计 主要包括系统设计、通用模块设计、长寿命设计和再生设计。 对于金属材料，主要是发展简单合金和通用合金。因为目前材料种类、成分越来越繁杂，非常不利于再生循环利用。Fe-Cr-Ni钢、Ti合金和Cr-Mo钢成分简单，又能大范围改变性能，是几种有希望的体系。