2015南京师范大学环境材料复习

1、材料基础：1. 材料的定义材料是人类用以制造用于生产和生活的物品、器件、构件、机器以及其它产品的物质2. 材料的分类1、环境材料的分类根据环境材料的功能可分为：低（资源、能源）消耗材料、净化材料、吸波材料、（光、生物）可降解材料、生物及医疗功能材料、传感材料、抗辐射材料、相容性材料、吸附催化材料等。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、渔业生态材料、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。 第一章1. 生态环境材料的概念的提出：人时间1992年10月，日本东京大学生产技术研究所教授山本良一提出：生态环境材料 Ecomaterials2. 环境材料:

2、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。3. 环境协调性：资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用高。 4. 环境材料的性能：环境性能、使用性能、经济性能5. 环境材料应具备的特征： 1)节约能源： 2) 节约资源： 3)可重复使用： 4) 可循环再生： 5)结构可靠性： 6) 化学稳定性： 7)生物安全性： 8) 有毒、有害替代： 9)舒适性： 1O) 环境清洁、治理功能：6、 环境材料的合成与加工工艺特征（见书P4）1) 能源节约工艺：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。2) 资源节约工艺：能够通过

3、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。3) 降低污染的加工技术：能够降低污染物(如废气、废液、有毒副产品和废渣等)排放但又不损害生产率的加工技术。4) 净化环境的加工技术：能够净化有害物质(如废气、废液和有毒副产品)以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。7. 环境材料与传统材料和新材料的关系 利用环境意识，一方面可以改造现有材料，使其与环境有良好的协调性；另一方面在制造、设计新材料时，要注意与其环境相容性。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

4、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。5.制备塑料的原料。第二章1. 环境材料学（环境协调材料学）定义：环境材料学（环境协调材料学）：关于材料成分、结构、制备工艺和它们的性能与用途以及它们与环境的协调性之间的有关知识的开发和应用的科学。2. 环境负荷定义：指某一具体材料在其生产、使用、消费或再生过程中耗用的自然资源数量和能源数量, 以及其向环境体系中排放的各种(气态、固态和液态)废弃物之总量。3. 环境负荷 = 环境因子1, 环境因子2, 环境因子3环境负荷 = 资源, 能源, 排放物 = 环境因子1, 环境因子2, 环境因子3环境因子 1(EF1)

5、 代表 n 过程中输入的各种形式的资源量之和。即原料量和辅料量之和。环境因子 2(EF2) 代表 n 过程中输入的各种形式的能源量之和, 可以标准煤为其度量单位。环境因子 3(EF3) 代表 n 过程中输出的各种形式的排放物之总和。图22 材料在第n 过程中的环境负荷示意4. 材料生产和使用对环境的影响：从能源、资源消耗和造成环境污染的根源分析, 材料及其产品的生产是造成环境污染、能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭的主要原因之一。随着世界经济的快速发展, 对资源的消耗速度在成倍增长。导致地球上有限的一次金属资源量锐减。人类文明社会目前所依赖的许多金属资源预计还能开采2050年目前可供开采的金属资源

6、的品位越来越低,2012年6月（智利媒体报道），全球范围内铜矿品位由1.45%下降到1.12%。同样生产1t金属材料所要求投入的矿石量和能源量更多, 与此同时, 产出的废弃物亦越多。我们国家标准铜矿工业品位达到0.5%及以上可以开采；金属材料的回收利用率较低是引起金属资源枯竭一个重要的原因。如生产量和消费量很大的汽车、家用电器等几类产品为例, 除了消费大量的钢铁、铜、铝等金属外, 还使用了镍、铬钨、钼等20多种稀有金属。大量的产品废弃之后, 许多稀有金属很少或几乎没有得到回收。造成稀有金属资源巨大浪费。5、面临的环境和资源问题(1) 环境问题：人类的材料生产和使用是从自然环境中获得物质资源,

7、然后又将使用过的材料及废弃物质还给自然环境, 从而参与了自然界的物质循环和能量循环, 不断影响着自然环境。 由人类生产活动引起的环境问题具体表现为以下两个方面: 一是由于不合理的开发和利用资源所引起的环境衰退、资源耗竭, 破坏了生态平衡；二是由于工业发展,排出的废水、废气、废渣和噪声给环境带来的污染问题。这类环境问题所造成的危害多是潜在的、积累的、慢慢产生影响, 在短时期内不大容易引起人们的足够重视。酸雨：由工业生产、燃煤及汽车尾气排放出来的NOx、SOx等大气污染物，其主要危害是破坏森林生态系统, 改变土壤的性质与结构, 破坏水生生态系统，腐蚀建筑物和损害人体的呼吸道系统和皮肤。酸雨的危害遍

8、及欧洲和北美, 分布地区较广。酸雨可飘越国境影响别国, 造成跨国污染。当前酸雨问题不仅被视为区域性环境污染问题, 甚至被列入全球性环境问题。臭氧层损耗：大气中的臭氧每减少1%, 照射到地球表面的紫外线就会增加2%, 人类皮肤癌的发病率就会增加7%, 白内障患者就会增加6%。紫外线辐射增强对动植物的生存也是灾难性的。它可能使地球上三分之二的农作物减产, 从而导致粮食危机。另外还可导致某些海洋生物的灭绝。温室效应：石油、煤和天然气等化石燃料的大量使用, 释放到大气中的二氧化碳等温室气体的含量愈来愈多, 导致全球气候逐渐变暖。引起海水变暖和膨胀, 加速极地冰川和冻土的融化, 造成海平面上升等，使沿海

9、生态系统被破坏, 对农业生态系统也有影响。水体污染：是指对自然环境有恶劣影响的水质恶化。材料生产过程中的工业废水含有多种污染物，水体污染不仅妨碍工农业生产，影响水生生态系统，还直接和间接地危害人体健康。(2) 资源问题：目前矿物资源迅速耗竭, 水土流失和荒漠化加剧, 淡水资源不足, 森林资源砍伐严重, 愈来愈多的物种濒临灭绝。 目前我国资源的主要矛盾表现在资源供给不能满足经济发展的需要。现有资源利用效率不高, 资源浪费严重。矿产资源的开发总回收率只有30%50%, 比发达国家平均低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤, 为发达国家的10倍。在我国资源的开发和利用中存在严重的 “高

10、投入、低效率、高污染”的问题。6. 化学元素的分布特征。普遍性、富集性和共生性7. 金属资源的储量及其寿命各种金属元素均以矿产的形式存在于地壳之中。这种金属矿产资源称之为一次资源。金属储量：指由于地质作用的结果, 在地壳中某些地段内形成金属矿物的富集, 其质量能够满足工业要求, 并在当前经济技术条件下能够开采的自然堆积体的总量。金属资源的静态寿命：金属资源的可开采年限, 指某金属资源的当年总储量与其当年总产量之比。8. 材料流 材料流（Materials Flow）又称物质流（Mass Flow）或材料链(substance chain)。即材料背负的生态负荷或称生态包袱 (Ecologica

11、l Rucksack)。指从材料的采矿开始，包括生产加工、储运、销售、使用，直至废弃的全过程。材料流分析，4 倍因子理论，10 倍因子理论，极值理论（资源效率）材料流分析（MFA)：采用数学物理方法，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向和数量的一种定量分析的理沦。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，找出提高资源效率的途径。4倍因子理论：由德国 Wupperdal 研究所的所长 Weizsaecker 教授于90年代提出。其宗旨是在社会经济和生产活动中, 通过采取各种技术措施, 将能源

12、消耗、资源消耗降低一半, 同时将生产效率提高一倍, 即在同样能源消耗和资源消耗的水平上,得到 4 倍的产出。1995年,出版专著 4 倍因子: 半份消耗, 倍数产出。 式中：R资源效率 P产品产出量; I原材料、能源投入量。10 倍因子理论：由德国 Wupperdal 研究所副所长 Schmidt-Bleek教授于1994年提出。其核心思想是：为了保持现有的生态环境水平, 必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏, 必须继续减小全球的物质流量。据推测到2050年, 地球上的人口将是现在的2倍, 同时, 世界各国的国内生产总值 (GDP)将增长36 倍, 取平均值为5, 则二者之积为 10,

13、 按现在的水平发展对环境的影响将增加 10 倍, 因此必须将资源效率和能源效率提高10 倍。这样才能让人类的子孙后代在地球上继续生存下去。式中：I环境影响；P人口；GDP国内生产总值。极值理论：一定的原材料投入，有效产品的产出率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，要求最大的产出率和最小的废物排放率。9. 资源，自然资源的分类及特点。1)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。资源是自然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。2)自然资源可分为三大类： 第一类为取之不尽的资源，如空气、风、太阳能等； 第二类为可再生的资源，如生物体、水、森林、草地、海洋、土壤等； 第三类

14、称为非再生资源，如矿物、化石燃料等。 3)资源具有社会性、自然性和商品性三个特点。资源的社会性指资源随着国家和时代的不同而不同，如16世纪人类对中东地区石油资源的认识远不如20世纪那样深刻。资源的自然性指资源随着地域的不同，其丰饶程度也有所不同，例如全世界的贵金属资源90%以上集中在南非。资源的商品性指资源可以进入市场进行流通，如目前我国钢铁工业所需大量铁矿石从澳大利亚、巴西市场购买。10. 资源效率：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分比。我国经济规模已居世界前列，发展速度令人瞩目，对资源的需求已达到前所未有的程度。一方面经济发展已受到某些资源短缺的约束；另一方面

15、现有资源的利用效率不高，浪费严重。矿产资源的开发总回收率只有30%50%，比发达国家平均低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤，为发达国家的10倍。在我国资源开发和利用过程中存在“高投入、低效率、高污染”的问题。 11. 一次资源的综合利用： 将某一生产过程中排出的废弃物直接作为下一生产过程的原料加以利用称为一次资源的综合利用。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中在3个方面，即矿业废弃物、冶金废弃物和化工废弃物的综合利用。矿业废弃物的综合利用：我国几种主要原材料包括钢铁、水泥、玻璃等产量都居世界第一，矿业废弃物在我国属于量大类多的固体废弃物，每年排放的矿业废弃

16、物达350亿t之多。因此，做好矿业废弃物综合利用，对减缓环境污染，提高资源效率有重要作用。冶金废弃物的综合利用：例如，冶金行业的水资源回收率相对于国际水平比较低。根据1996年的数据，国外每生产1t钢，平均消耗水为4.74t，国内平均消耗水约29.8t。国外炼钢用水循环利用率在75%以上，国内仅为25%左右。冶金行业的热资源利用是资源综合利用的一个重要方面，平均约2/3的热资源可以由余热提供。我国的钢产量世界第一，关于钢渣的综合利用意义很大。现已有用钢渣生产水泥，建筑瓷砖,以及掺人肥料或用作筑路材料等。另外，在炼铁过程中排放的含铁废泥，铁含量可达30%80%将其重新冶炼，是铁资源综合利用的一个

17、重要措施。化工废弃物的综合利用：目前主要集中在回收、重复利用化工原料；将三废加工转化为其他工业原料；化工过程中的可燃尾气回收及提高冷却水循环利用率，减少废水排放等方面。二次资源综合利用：二次资源综合利用是指将某种废物经过加工处理使其重新变为资源的过程，也称为废弃资源的再生利用。通过二次资源的综合利用，使物质的生产真正实现生产、消费、废物排放、加工处理、再回到生产的完全循环过程。二次资源综合利用从技术可分为物理法、化学法、生物法等。物理法是在处理过程中不改变物质的性能，保持废物收集时的原形，或改变原形但不改变物质的物理性质的回收利用方法。包括收集、运输、分选、清洗、破碎、分离、精制等技术过程。使

18、再生资源实现简单再循环。如回收空罐、空瓶、家用电器中有用零件、金属、玻璃、纸张、塑料等。物理法处理成本较低，但所用物料再循环利用时性能下降，品质变差，如废塑料简单再生而成的制品质量不如全新制品。化学法是改变废物性质的一种回收利用方法。化学法主要有热分解、燃烧发电等处理过程。如利用废旧塑料生产汽油及垃圾发电等。生物法主要是利用发酵过程对废弃物进行生物处理后进行再生利用。国际零排放组织目前主要通过生物处理技术对生活废弃物进行处理，培植食用菌和蘑菇，每年创造可观的经济效益。思考题：1.什么是资源效率，试分析说明资源效率与环境的关系。2.结合实际，举例说明某一材料或产品从生产到使用直至废弃对环境产生的

19、影响。3.通过查找资料说明“20世纪10大环境公害事件”（烟雾、光化学雾、水俣病、哮喘病、骨痛病等）对人类、环境的环境具体影响事件回放。4.依据生物圈和环境材料的理论，分析校园活动中有哪些不好的现象，如何使校园这一生物圈更有利于我们的学习和生活？自己该怎么做？5.臭氧层破坏的主要原因及危害。6.上网查找举例说明我国近几年因食品添加剂、化学品物质使用不当而带来的危害。7.重金属中毒：种类、症状、食物影响等。8.材料制备工艺。第三章1 环境材料的判据：五个判据：质量判据、经济判据、资源判据、能源判据和环境判据。1、质量判据：材料的质量是能否制造有用器件的先决条件。因此, 质量是材料的一个重要技术判

20、据。也称为性能判据。没有性能判据就没有人类所需材料的存在价值。2、经济判据：以最少的投入得到最大的经济利益, 是人类所追求的目的, 也是材料的经济判据。 3、资源判据：单位重量或单位体积的材料由最少的资源量构成或尽量多的由可再生资源构成。通过开发材料再生循环设计技术, 减少资源消耗, 延缓资源枯竭速度和进度；同时研究材料的分离技术, 提高材料的再生循环能力。 4、能源判据：要求在材料的寿命周期循环中用最少的能耗获得最大效益, 而且要求逐步用可再生能源、自然能等取代目前大量使用的矿物能源。一方面可减少污染物的排放, 另一方面达到经济可持续发展。 5、环境判据：在材料的生产和使用中重视三废的产生、

21、排放和处置, 遵守国际和国家的环境保护法令。2 生命周期评价法 (LCA)：生命周期评价法 (LCA)：又称为生命循环或寿命周期。核心是对材料及产品从制造、使用到回收、废弃物处理的全过程中的环境影响或环境负荷进行综合评估的方法。指产品从自然中来再回到自然中去的全部过程,该法也称为从摇篮到坟墓的评价方法。产生于20世纪90年代。3 LCA 的方法学框架：图33 LCA的评估过程及技术框架评价过程：目标与范围确定清单（编目）分析环境影响分析结果解释（改善评价）1、目标与范围确定： (goal and scope definition)， LCA评价目标主要包括界定评价对象、实施LCA评价的原因，以

22、及评价结果的输出方式。是LCA方法应用的起点。LCA的评价范围:包括评价功能单元定义、评价边界定义、系统输入输出分配方法、环境影响评价的数学物理模型及其解释方法、数据要求、审核方法及评价报告的类型与格式等。范围定义:必须保证足够的评价广度和深度，以符合对评价目标的定义。评价过程中，范围的定义是一个反复的过程，必要时可以进行修改。功能单元:是评价环境影响大小的度量单位，因关系到环境影响的具体数值，一般情况下功能单元是可数的。如计算一个火电厂因发电而产生的二氧化碳排放量时，需要事先明确这种排放是针对多少发电量而言的。系统边界:确定哪些过程应该被包括到LCA评价范围内。系统边界不仅取决于LCA实施的

23、评价目标，还受到所使用的假设、数据来源、评价成本等因素的影响和限制。数据:指在LCA评价过程中用到的所有定性和定量的数值或信息，可以是测量得到的环境数据，也可以是中间的处理结果数据。要求说明数据来源、精度、完整性、代表性和不确定性等因素，以及数据在时间上、地域上和适用技术方面的有效性等。数据要求是LCA评价结果可靠性的保障。 2、清单分析：根据评价的目标和范围定义，针对评价对象收集定量或定性的输入输出数据，并对这些数据进行分类整理和计算的过程(也称为编目分析）。目的是将环境负荷定量化, 是对输入和输出进行以数据为基础的客观量化过程。清单分析中要注意处理好: （1）分配问题：当从系统中得到多个产

24、品或者某一回收过程中同时处理来自多个系统的废弃物时, 会产生输入输出数据如何在多个产品或多个系统之间分配的问题。没有统一的分配方案, 通常可以从系统中的物理、化学过程出发, 依据质量大小或是经济上的考虑, 重新进行分配。 （2）能源问题: 能源数据中应考虑能源的类型、转化效率、能源生产中的编目数据及能源的消耗量。不同类型的化石能源和电能应该分别列出，能源的消耗量应以相应的热值如焦耳或兆焦单位计算，对于燃料的消耗也可使用质量和体积。 （3）数据问题：编目中所使用的数据应取尽可能长的一段时间数据, 例如一年中的统计平均值, 以清除非典型值的干扰。应该明确说明数据的来源、地域和时间限制，以及对数据的

25、平均或加权处理。所有的数据应该根据系统的功能单元进行统一的规范化，这样才具有叠加性。得到所有的数据后，就可以进行整个系统的物质流平衡计算，求解各子系统的贡献。3、环境影响分析（评价）：采用定量调查所得的环境负荷数据，定量分析对人体健康、生态环境、自然环境的影响及其相互关系。目的是根据编目分析后所提供的物料、能源消耗数据以及各种排放数据所造成的环境影响进行评估, 影响分析是 LCA 的核心内容, 也是难度最大的部分, 一般是将数据收集起来进行评价, 包括：资源消耗、水污染、大气污染、固体废物、土壤污染、环境商值EQ 。4、评价结果解释（改善评价）：是LCA的最终目标, 通过确定产品的环境负荷,

26、比较产品的环境性能优劣, 可对产品进行重新设计, 不断完善和改进, 这种分析包括定量和定性的改进措施, 以期得到产品对环境影响最小程度的方案。 1997年国际ISO 质量认证组织在 LCA 标准中将改善评价改为解释过程, 强调将编目分析和环境影响评价的结果进行综合, 对该过程、事件或产品的环境影响进行阐述和分析, 最终给出评价的结论及建议。环境影响分析（评价）：4 个步骤：即分类、表征、归一化和评价, (1)分类分类：将编目与环境损害种类相联系并分组排列的过程, 是一个定性的、基于自然科学知识的过程, 在 LCA 评价中, 将环境损害主要分为资源消耗、人体健康影响和生态环境影响3类。然后进一步

27、细化为全球变暖、酸雨破坏、臭氧层减少、沙漠化、富营养化作用等。一种编目条目可能与一种或多种具体的环境损害有关。（2）表征环境损害类型指标名称参照物环境损害类型指标名称参照物温室效应GWP100CO2酸雨APS02臭氧层减少ODP氟利昂-11富营养化NPP表征：对不同编目种类造成同一种环境损害的程度不同的对比分析和量化的过程。 如二氧化硫和二氧化氮两种气体都可形成酸雨, 但同样的气体量所形成的酸雨程度不同, 采用表征将其过程量化。它是一个定量的、基于自然科学的过程。通常在表征中都用“当量”的计算方法。(3)归一化归一化：对编目分析和表征结果数据采用加权或分级的量化处理, 以简化评价结果。（4）评

28、价评价：从总体上概括某一系统对环境的影响, 比较和量化不同种类的环境损害, 并给出最后的定量结果。 此过程是典型数学物理过程, 经常要用到各种物理和数学模型。由于所使用的模型不同, 有时会出现不同的评价结果, 因此在环境评价中, 应给出较为详细的所使用模型的假设条件、判断依据等, 以避免引起过多的争议。4. LCA的局限性(1) 应用范围的局限性：LCA 是为环境服务的, 它只考虑了产品对生态环境、人体健康、资源消耗等方面的问题, 对于技术、经济或社会效果方面, 如质量、性能、成本、赢利、公众形象等方面的因素很少考虑。(2) 评价范围的局限性： LCA只考虑已经发生或一定会发生的环境影响因素,

29、 没有考虑可能发生的环境风险、突发事故所造成的危害及其采取必要的预防应急措施。在评估时,LCA 也没有考虑与有关环境的法律规定和限制是否有冲突。但对企业来说, 这些环境政策和法规都是十分重要的问题。(3) 评估方法的局限性： LCA 的评估方法既包括了客观成分, 也包括了主观成分。在LCA 方法中, 主观性的选择、假设和价值判断涉及多个方面, 如系统边界设定、数据来源的选择、环境损害种类的选择、计算方法的选择以及环境影响评估中的评价过程等。无论其评估的范围和详尽程度如何, 所有LCA 都包含了假设、价值判断和折中这样的主观因素, 所以，LCA的结论需要完整的解释说明, 以区别由测量或自然科学知

30、识得到的信息和基于假设和主观判断得出的结论。(4) 时间和地域的局限性：在不同的时间和地域范围内, 会有不同的环境编目数据, 相应的评估结果也只适合于某个时间段和某个区域, 这是由产品系统的时间性和地域性所决定的。 思考题：1.煤是中国的主要燃料，有关洁净煤燃烧技术一直是我国研究和开发的重点，试找一锅炉或电厂发电机组收集有关数据，对煤燃烧过程的环境影响进行LCA评价，并根据评价结果，提出相应的减少煤燃烧污染的技术途径。2.分析材料的环境影响须应用LCA方法，分析资源效率要用到材料流理论。这两种方法都是基于物质不灭和能量守恒定理建立起来的，试分析两者的异同之处。3.ISO14000国际环境管理系

31、列标准框架。第四章1 生态设计的基本概念生态设计（Eco-design,ED）：指在材料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全的意识有机地融入其中的设计方法, 又称为生命周期工程设计（Life Cycle EngineeringDesign,LCED）、绿色设计 (Green Design,GD), 或为环境而设计 (Design for Environment,DFE) 。目前生态设计已成为推行预防生态环境受到危害的重要手段, 是最高级的清洁生产措施和可持续发展的最佳途径。生态设计：采用先进技术、工艺并采用可循环材料以减少对生态环境破坏的设计, 要明显地减少材料制造前的隐性材料物质流和能源

32、流, 即在材料循环的前端减少。2 生态设计的目标：先进性、经济性、协调性和舒适性。先进性：指充分发挥材料的优异性能, 满足各行各业对材料产品的要求；经济性：考虑材料产品的成本, 能够保证制造商的利润, 维持经济活动的运转；协调性：保证在材料的生产和使用过程中与环境尽可能协调, 维持生物圈循环过程的平衡；舒适性：指材料产品能够提高生活质量, 使人类生活环境更加舒适。设计对环境保护的贡献可达到7090% 以上。环境协调性设计过程中：追求可持续发展, 实现工业生态化, 推广材料流分析, 提高资源效率等。据有关专家统计, 设计对环境保护的贡献可达到7090% 以上。只有通过环境协调性设计, 才有可能将

33、环境污染从源头开始控制。3. 产品的三要素：成本(Cost, 简写 C)；环境影响(Impact,简写I)；性能(Performance, 简写 P)。产品三要素（以产品的生命周期为中心） 成本(Cost, 简写 C):包括原料成本、制造成本、运输成本、循环再生成本、处理成本等生命周期全程的费用；环境影响(Impact,简写I):包括地球温室效应、臭氧层破坏、资源枯竭等给地球造成的影响；性能(Performance, 简写 P):包括安全性、是否方便实用、是否符合审美观、施工难易程度等产品性能。经济价值、环境价值和产品价值的总和即为生态设计产品的综合价值指标。生态设计产品的综合价值指标可用 P

34、/IC表示。设法使 P 趋于最大、I与 C 趋于最小, 生态设计的基本原则 P/ I ：称为环境效率4 生态设计的主要内容：a. 原材料的生态设计减少原材料的使用量通过生态设计，在提供同样的经济功能的同时相对或绝对地减少原材料的使用量。采用再循环原料采用易再循环材料，不采用难于回收或无法回收的材料，尽量避免使用不可再生，或者需要很长时间才能再生的原料。如矿物燃料，金属矿产等。尽量使用可以再循环利用的原料，可减少原料在采掘和生产过程中的能耗。如：日本的Beauty工业利用废旧玻璃作为原料，生产免烧瓷砖可以节省大量的资源和能源，而且这种瓷砖可以再利用。采用低耗能原料在原料的采掘和生产过程消耗大量能

35、源的原料称为高耗能原料。须注意：必须以系统的和全生命周期的观点来分析，即全局看待其原料采掘、生产和使用过程。如：碳纤维属于高耗能材料，但是其后续的使用过程中因为其具有良好的强度、硬度、抗老化等优良特性而节省能源。铝属于高能耗物质。但由于铝较轻，同时又易于回收，使用阶段用的能量较少。b. 产品的生态设计整合产品功能将几种功能或产品组合进一个产品中，则可节约大量的原料和空间。如： 德国Viessmann公司开发的多功能集成阳台栏杆。采用厚硼硅酸盐玻璃、耐用真空管玻璃/金属收集器组合制成阳台栏杆，取代大的太阳能嵌板。使得阳台栏杆与太阳能收集器不需要独立建造，节省能源和材料，同时保证了阳台的安全性和长

36、寿命。这种收集器比平板收集器效率高30。优化产品结构通过优化产品结构可以达到优化产品功能及延长产品使用寿命的目的。例如：20世纪90年代初，SONY改进电视机结构，不再使用尼龙、三氧化锑等危险原料，也不再使用PVC。减少塑料使用量52，原材料的使用总量大大下降。另外该电视可快速拆解，整机只用9枚螺钉，整机再循环率达到了99。且制造成本下降了30，装配速度比以前大有提高。产品部件的功能优化通过部件的标准化、规格化，有利于维修、更换、回收再利用；a.长寿命化，尤其是易损部件的长寿命化可提高产品的整体寿命；b.连接简化，采用容易拆卸的连接方法；c.重复利用化，经过翻修可达到原设计要求而再次使用。模块

37、化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析、划分并设计出一系列功能模块。通过模块的选择和组合可以组装成不同的产品，易满足市场需求。同时，模块化设计也有利于产品使用后的拆卸，以最大限度地提高产品的可更新性，以满足不断变化的用户需求。模块化产品设计方法可使新技术与落后产品迅速结合，使得产品在生命周期内对部件进行升级以减少用户对新产品的需求。易于维护和维修生态设计应保证产品易于清洁、维护和维修以延长产品的使用寿命。易于再循环。产品设计人员在设计产品的时候，要考虑产品生命终结后的去处，要充分考虑他们的再利用。 将所有的废弃物都能再循环，没有东西扔到垃圾填埋场-零填埋。法国雷诺汽车

38、公司设计的日回收处理3000辆废旧汽车的再循环系统，争取100%的物料再循环。实现零填埋的前提是产品的生态设计。 c. 生产过程的生态设计1 尽可能减少生产环节2 选择对环境影响小的生产技术3 使用清洁能源和材料4 建立ISO14000环境管理体系d. 产业生态系统的生态设计将产业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入（能源与原材料）与产出（产品与废物）进行综合平衡，推动产业系统的演进，使之由低级生态系统向三级生态系统转化。产业生态系统的演进可体现不同的层次，小到工业共生体系，大到整个社会经济体系。e. 材料再生设计再生设计：对某种废弃物的直接再利用；对某些零部件的回收再利用；将某种废弃

39、物作为原料再利用；有关材料生产过程中的能源回收再利用。材料再生设计：一般包括把上一个过程的废弃物作为下一个过程的原料, 建立利用废弃物作为资源的观念。在技术可能的条件下, 考虑最经济的再生循环利用率。减少一次污染, 把污染物尽量在过程内部消化, 控制排出循环过程以外的污染物总量。对有些不得不排出循环过程以外的污染物, 应设计污染处理流程, 对污染物进行治理, 努力避免二次污染等。5、 产业生态系统的生态设计将产业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入（能源与原材料）与产出（产品与废物）进行综合平衡，推动产业系统的演进，使之由低级生态系统向三级生态系统转化。产业生态系统的演进可体现不同的层

40、次，小到工业共生体系，大到整个社会经济体系。思考题：1. 你认为材料的生态设计应该从哪几个角度考虑，应包括哪些内容？请按重要性顺序排。2. 从环保的角度分析一下，再生设计是属于末端治理还是初始端治理？清洁生产：1 中华人民共和国清洁生产促进法 清洁生产中华人民共和国清洁生产促进法：清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。清洁生产的定义（ 联合国环境规划署 UNEP,1996）：清洁生产（Cleaner

41、Production，缩写CP）是一种创新思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以提高生态效率，并减少对人类及环境的风险。对生产过程而言，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，减少降低所有废弃物的数量及毒性；对产品而言，要求减少从原材料获取到产品最终处置的整个生命周期的不利影响；对服务而言，要求将环境因素纳入到设计和所提供的服务活动之中。2 清洁生产的特点：5点1. 战略性：清洁生产是污染预防战略，是实现可持续发展的环境战略。2. 预防性：传统的末端治理与生产过程相脱节，即“先污染，后治理”；清洁生产从源头抓起，实行生产全过程控制，尽最大可能减少乃至消除污染物的产生

42、，其实质是污染预防。3. 综合性：实施清洁生产的措施是综合性的预防措施，包括结构调整、技术进步和完善管理。4. 统一性：传统的末端治理投入多、治理难度大、运行成本高，经济效益与环境效益不能有机结合；清洁生产最大限度地利用资源，将污染物消除在生产过程之中，不仅环境状况从根本上得到改善，而且能源、原材料和生产成本降低，经济效益提高，竞争力增强，能够实现经济效益与环境效益相统一。5. 持续性：清洁生产是个相对的概念，是个持续不断的过程，没有终极目标。随着技术和管理水平的不断创新，清洁生产应当有更高的目标。3清洁生产的原则1. 减量化原则：资源消耗最少、污染物产生和排放最小；2. 资源化原则：“三废”

43、最大限度地转化为产品；3. 再利用原则：对生产和流通中产生的废弃物，作为再生资源充分回收利用；4. 无害化原则：尽最大可能减少有害原料的使用以及有害物质的产生和排放。清洁生产体现了集约型的增长方式和发展循环经济的要求。4.清洁生产形成与发展过程 1. 形成阶段（19831992年）：显著特点是清洁生产从萌芽状态逐渐发展到理念的形成，并作为环境与发展的对策。1983年国务院批转原国家经委关于结合技术改造防治工业污染的几项规定（国发198320号），这个规定中的一些内容已经体现了清洁生产的思想。1985年国务院批转原国家经委关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定（国发1985117号）。1992年

44、原国家环保局与联合国环境规划署召开了我国第一次清洁生产研讨会。 1992年10月，党中央批准了环境与发展十大对策，清洁生产正式作为我国环境与发展的对策之一。 2. 推行阶段（19932002年）：特点是清洁生产从战略到实践，取得重大进展。一 确立清洁生产在工业污染防治中的地位。 1993年原国家环保局和国家经贸委在上海联合召开了第二次全国工业污染防治工作会议。二 将清洁生产作为实现可持续发展战略的重要措施。 1994年中国政府制定了中国21世纪议程， 1996年国务院发布了关于环境保护若干问题的决定。三 加快立法进程。 2002年6月29日九届全国人大常委会第28次会议审议通过了清洁生产促进法

45、。四 研究制定促进清洁生产的政策。1994年，经国务院批准，财政部、国家税务局先后下发了有关资源综合利用减免税的文件。1996年国务院批转了国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用的意见（国发199636号） 2000年至2002年，国家经贸委会同国家税务总局先后公布了两批当前国家鼓励发展的环保产业设备（产品）目录和当前国家鼓励发展的节水设备（产品）目录。国家经贸委制定和发布了国家重点行业清洁生产技术导向目录（第一批）。 五 加大以清洁生产为主要内容的结构调整和技术进步的支持力度。六 开展示范试点。国家经贸委组织在10个城市5个行业开展清洁生产示范试点。到2001年底，全国试点企业已达700

46、多家，为全面推行清洁生产积累了经验。七 开展清洁生产宣传培训和审核。八 广泛开展国际交流与合作。3. 依法实施阶段（2003年以后）：特点是从2003年开始进入依法全面推行清洁生产的阶段。5.清洁生产的内容“三清洁一控制”：清洁的能源和原辅材料；清洁的生产过程；清洁的产品；全过程污染控制思考题：以中国近几年重大环境污染事件为背景（事发地、原因、环境影响等），分析材料生产和环境协调性的关系，说明开展清洁生产的必要性。第五章1 钢渣的资源化利用途径1、钢渣的组成 钢渣是炼钢过程中排出的副产物-废渣。其产生量为粗钢产量的15%20%。钢渣形成温度为15001700。 钢渣化学成分主要有Ca0、Si0

47、2、A1203 、Fe203、MgO及少量的P205、FeO、MnO等。其中Ca0、Si02、Fe203含量较高。各种成分的含量依炉型、钢种不同而异。2. 用作冶金原料 (1) 烧结熔剂： (2) 作高炉或化铁炉熔剂： (3) 从钢渣中回收废钢铁：钢渣中含有7%10%( 质量分数 )的废钢及钢粒。采用分选工艺回收大量废钢铁及部分磁性氧化物。 3、用于建筑材料 (1) 生产水泥 (2)生产高炉渣、钢渣玻璃与陶瓷：炉渣玻璃具有高的抗弯、抗压强度, 极高的耐磨性能, 良好的耐酸、耐碱腐蚀、耐热 (能耐1000的冷热温差)、电绝缘性能和稳定的化学性能 (3) 代替碎石和细骨料：钢渣的物理力学性能比天然

48、石料好。 如磨耗率：转炉钢渣21.5%，石灰石9%37%(其中18%30%的占70%）；压碎率：钢渣19%,天然石料20%25%。1）钢渣碎石用于道路材料； 2）钢渣碎石的其他利用途径 （4）钢渣用于农业：2.赤泥 赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物。随着铝工业的发展, 目前全世界年产赤泥约5000万t赤泥的综合利用：(1)生产水泥；(2)制作新型墙材；(3)塑料填料；(4)作填充料；(5)用作硅肥；(6)提取铁、钛等有价金属。第六章1 无机非金属材料包括无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials）：指由无机物单独或混合其他物质制成的材料。是以某些元素

49、的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。分类：普通的(传统的)和先进的(新型的)两大类。传统无机非金属材料:主要以二氧化硅及其硅酸盐化合物为主要成分制备的材料。是工业和基本建设、人民生活所必需的基础材料, 包括水泥、耐火材料、各种规格的平板、日用、仪器玻璃、普通光学玻璃以及日用、卫生、化工陶瓷和电瓷等。特点：产量大、用途广。其他产品, 如搪瓷、碳素材料、非金属矿物材料也属于传统的无机非金属材料。先进无机非金属材料：用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料，具有特殊性能和用途的材料。主要

50、包括先进陶瓷、新型非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。2无机非金属材料面临的主要生态环境问题1、使用性能与环境协调性的矛盾是主要生态环境问题2、土地资源占用和消耗量大、破坏严重3、制备过程中能耗高4、难以再循环利用5、固体废弃物难处理6、生产过程有毒有害添加剂和排放物 3为什么：长寿命设计 采用长寿命化设计和制备工艺, 降低资源、能源投入, 有利于减轻环境负荷、改善生态平衡 玻璃材料基本上可以做到100%回收再利用, 长寿命设计主要用于大量使用后的水泥基材料(包括混凝土)、陶瓷材料(包括砖、瓦等 ) 。4. 陶瓷材料的循环利用途径陶瓷生产过程产生的废弃物主要是烧成废品。废品率高意味着能

51、源浪费、单位成品污染物排放量高。提高成品率是从源头开始降低环境负载的主要措施。1、烧成废品的再利用(1) 吸音材料；(2) 吸附材料；(3) 透水材料；(4) 过滤材料；(5) 作为原料再利用；(6) 用做助熔剂；(7) 骨料；(8) 农药载体 2、污泥、未烧成废料的再利用污泥主要含陶瓷原料长石等, 粘稠, 难处理, 废弃时对环境的破坏大。可经干燥处理再使用或分级、磁选做建材。也可利用污泥为原料制取人工砂、下水管、缸砖、耐酸砖、人造轻质材料、红砖、釉瓦等。未烧成坯体的废料可以返回到坯料中, 也可用作建材原料5 粉煤灰的资源化利用途径 1化学组成粉煤灰的化学组成与黏土质相似，其中主要成分是SiO

52、2和Al2O3，同时含有少量的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O及SO3等。目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土、粉煤灰混凝土掺合料及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂、回收工业原料和作环境材料。1粉煤灰生产农用肥料肥粉煤灰除含有氟、磷、钾之外，还含有锰、铁、钠、硅、钙等元素，可作为复合微量元素肥料，对农作物的生长有良好的促进作用。土壤中施入粉煤灰可增加其有效成分，提高肥力。施用粉煤灰后，一般能增产1520 2粉煤灰作土壤改良剂粉煤灰具有良好的物理化学性质，能广泛应用于改造重黏土、生土、酸性土和盐碱土，弥补其酸、瘦、板、黏的缺陷。

53、1)改善土壤的可耕性。(2)改善土壤的酸碱性。(3)改善土壤的透水透气性。(4)提高土壤温度。(5)提高土壤保水能力。6.玻璃的种类普通平板玻璃；钢化玻璃；磨砂玻璃；喷砂玻璃；压花玻璃；夹丝玻璃；中空玻璃；夹层玻璃；防弹玻璃；热弯玻璃；玻璃砖；玻璃纸。第七章1 高分子材料的环境问题 高分子材料的环境问题可分为: 生产和使用过程中：三废 （ 废液、废气、废物 ） 等有害物质的产生及其对环境和人类的影响; 废弃物的降解和回收利用：涉及固体废弃物的降解及回收、处理、再生利用。1、生产过程中的环境问题（1） 高分子化合物（原料）制备时的环境问题1） 采用有毒原料的生产方法造成的问题：用于制造高分子化合

54、物的某些原料或单体是有毒的， 会造成一定的环境污染和对人体健康的伤害。2） 生产过程中废液、废弃物的排放：在高分子材料的生产过程中使用的大量有机溶剂、水以及形成的废弃物，都存在着严重的环境问题。（2） 加工过程中的环境问题：使用重金属添加剂（镉系、铅系等重金属化合物）、增塑剂等造成的环境问题。2、使用过程中的环境问题高分子材料的燃烧问题; 废弃高分子材料带来的环境问题。（1）高分子材料燃烧引起的环境问题：多数高分子材料具有燃烧性， 遇火易燃， 并释放大量烟雾和有毒气体， 其扩散速度超过火灾蔓延速度。高分子材料燃烧时的分解产物为CO、CO2、COCl2、HF、HCl、 HBr、HCN、NO2、S

55、O2、H2S等，其中水溶性产物对鼻腔有剌激作用， 而非水溶性产物对动物有窒息作用， 渗入肺部， 导致血液中毒。在火灾事故中， 中毒死亡率大于燃烧死亡率。在飞机坠机中， 约有80%死于机舱高分子材料燃烧时放出的烟和毒气。（2）废弃高分子材料引起的环境问题：是高分子材料带来的最为严重的环境问题， 大量的高分子废弃物造成了世界范围的环境污染。高分子材料的大量生产和大量消费， 带来的环境问题。按通常方法估算， 废弃塑料约为当年塑料产量的70%， 废弃橡胶约为当年橡胶产量的40%。废弃高分子材料的回收再利用目前在10%15%之间， 其余采用焚烧或掩埋处理。大量废弃高分子材料带来了严重的环境问题。2. 废弃高分子材料主要来源废弃高分子材料主要来源有：树脂生产和制品成形中形成的废弃高分子材料；高分子材料使用过程中形成的废弃高分子材料。3 高分子材料工业的可持续性发展, 需要贯彻3R原则:（1） 减量化（Reduce）：用较