生态材料导论课件

生態材料概論教學大綱(1)

授課教師：余慶仁 0933601801cly@.tw課程概述與目標：

本課程探討材料與環境、資源之關係並介紹各類材料特性、功能與利用，與各類材料之生態化與生態改造方法與實例。教材1.生態材料導論，洪紫萍、王貴公著，魏漣邦校訂，五南書局，民國93年2.教師自編講義

生態材料概論教學大綱(1)授課教師：余慶仁1生態材料概論教學大綱(2)課程簡介緒論材料與生態系統生命週期評估與生態化設計清潔生產與循環再生材料特性木材金屬材料高分子材料陶瓷與建築材料課程大綱生態材料概論教學大綱(2)課程簡介材料特性課程大綱2生態材料概論教學大綱(3)主要參考與指定閱讀書目．生態環境材料，王天民主編，王文雄與白育綸編修，新文京開發，民國93年．機械材料，金重勳著，復文書局，民國91年．產業減廢與資源化，陳有志著，高立圖書，民國89年．工程材料，沈保羅主編，黃振賢審定，新文京開發，民國90年．EngineeringMaterials,Budinski&Budinski,Pearson,2005．MaterialsSelectioninMechanicalDesign,M.Ashby,Elsevier,2005．DesignforEnvironment,J.Fiskeled.,McGraw-Hill,1995．FoundationofMaterialsScienceandEngineering,W.F.Smith,McGraw-Hill,2002(中譯本:劉品均與施佑蓉譯，高立圖書，民國94年)．

MaterialsScienceandEngineering,AnIntroduction,6thEd.

W.D.Callister,Jr.

JohnWiley&Sons,2003(中譯本:陳文照等譯，高立圖書，民國95年)生態材料概論教學大綱(3)主要參考與指定閱讀書目3生態材料概論教學大綱(4)教學方式 教室講述教學成績評量及標準 平時成績包括作業，課堂表現等(佔30%)、 期中考(佔35%)、 期末考(佔35%)生態材料概論教學大綱(4)教學方式4生態材料導論AnIntroductiontoEcomaterials洪紫萍、王貴公編著魏漣邦校訂生態材料導論AnIntroductiontoEcoma5目錄Chapter1概論Chapter2材料與生態系統Chapter3生態材料評估Chapter4生態材料設計、生產、循環再生Chapter5木材Chapter6金屬材料Chapter7高分子材料Chapter8複合材料Chapter9陶瓷Chapter10包裝材料Chapter11建築材料目錄Chapter1概論6生態材料學的產生和發展生態材料發展時期：一、原始生態材料時期

人口稀少，主要以天然資源為衣、食、住、行的材料，人類行為是利用自然界的物質資源屬於原始生態模式，對自然生態系統基本不造成危害。二、準原始生態材料時期人類開始進入農業時代，使用材料依然以天然資源和人工栽培、飼養的生物為主要原料，出現了陶瓷、冶金業，人類只能製造與使用自然資源，進行簡單加工的材料，以提高生活品質。生態材料學的產生和發展生態材料發展時期：7生態材料學的產生和發展三、非生態材料時期人類進入工業文明時代，大量開採地球上的各種資源，加以使用和消費，並排放生物難以分解的廢污。環境污染日趨嚴重，進入80年代，資源、能源變成世界性大流動，生態環境破壞擴展到全球，例如「溫室效應」。社會的成長方式呈指數型，其數學式如下：若成長率為7%，則倍增期為10年。生態材料學的產生和發展三、非生態材料時期若成長率為7%，則倍8生態材料學的產生和發展四、生態材料時期

材料持續利用在於材料應以「社會經濟自然生態效益」的統合為著眼點，隨著材料的使用範圍和生產規模不斷擴大，生態環境依然得到保護，較小的破壞作用，使傳統的材料工業轉變成生態材料工業，進入材料工業永續發展時期。生態材料學的產生和發展四、生態材料時期9生態材料學的產生和發展生態材料概念的產生和研究進展：20世紀80年代以來國際社會關注的焦點從單純注重環境問題逐步轉移到環境與發展二者的關係。美國和歐洲學者也提出綠色材料、生態友善材料、生態製程、生態產品、環保標章、環境友善材料和製程等概念，但均處於發展階段ISO14021—99環保標章和環境宣告中指出「模糊的或不具體的，或泛泛表明產品是對環境有利或環境無危險的環境訴求不應使用生態材料學的產生和發展生態材料概念的產生和研究進展：10生態材料之特性1990年，山本良一教授認為21世紀材料應具有綜合性能: 1.人類活動領域的可擴展性(Expandability) -人類活動範圍更廣；傳統材料的特性 2.生態相容性(co-existability) -材料與自然和諧 3.寧適性(Optimizability) -材料與人和諧(人類生活品質提升)生態材料之特性11生態材料學的研究對象和任務生態材料的定義(屬性)1.具有傳統材料的四大要素，即成分、結構、製程和性能。2.可使用性，可用於社會經濟的各種需求。3.經濟性，傳統上人們可以承受的價格。4.生態屬性，即材料的整個生命週期環境負荷低，可再循環、資源利用效率高的涵義。生態材料學的研究對象和任務生態材料的定義(屬性)12傳統材料的四大要素成分:元素與化合物種類與含量結構:各成分排列方式製程:製造材料之過程性能: 機械-彈性係數、硬度、抗拉強度、延展性等 熱力學-熔點、沸點、熱傳導係數、吸放熱量等 電子性-導電性、介電係數等

光學性-透光度等傳統材料的四大要素成分:元素與化合物種類與含量13材料可使用性工程材料 種類:金屬材料、高分子材料、陶瓷與建築材料、複合材料(兩種以上材料組成)

美國1990年之使用量: 木材-3×1011磅 高分子-3×1010磅 鋼鐵-1×1011磅 鋁-2×109磅 水泥-1×1011磅 銅-1×109磅

汽車1500Kg其中

鋼鐵:50-60%塑膠:10-20%

鋁:5-10%其他材料可使用性工程材料14材料之經濟性材料之經濟性15生態材料學的研究對象和任務材料的生態相容性判定原因:材料對生態環境的壓力(1)直接對人類、生物造成危害(2)生活環境受到壓力(3)破壞可再生資源的循環系統(4)對不可再生資源的大量消耗環境負荷之定義如果有物質排放，就產生了壓力，對此，環境則作出反應而形成某種狀態，這個狀態與物質排放以前的狀態比較，如果判斷者作出狀態惡化的結論時，就將物質排放定義為環境負荷生態材料學的研究對象和任務材料的生態相容性判定16判斷材料生態相容性的必要條件(1)材料生產所需能量低。(2)材料生產過程無污染。(3)原材料可再資源化。(4)不過度消耗資源。(5)使用後或解體後可再利用。(6)可保證原料的持續生產。(7)廢材的最終處理不污染環境。(8)對使用人的健康無害。判斷材料生態相容性的必要條件(1)材料生產所需能量低。171.探索材料系統和自然—經濟—社會生態系統的相互關係．尋求對材料系統和自然、經濟、社會生態系統之掌握與整合2.材料整個生命週期對生態系統包括地球生態系統、廣域生態系統、地區生態系統的影響，尤其是未來的潛在影響促使建立新的模式．材料整個生命週期在時間與空間上對生態系統的影響生態材料學的主要研究任務(1)1.探索材料系統和自然—經濟—社會生態系統的相互關係生態材料18生態材料學的主要研究任務(2)3.傳統材料的生態化、新型生態材料和生態材料設計、生產的原則原料製造過程加工處理材料(較原始)材料產品使用後回收資源化廢棄考量點:資源、能源、污染、使用性、經濟性、需求量封閉循環系統，以降低環境負荷生態材料學的主要研究任務(2)3.傳統材料的生態化、新型生態19生態材料學的主要研究任務(3)1.現有材料生態化的再設計現有材料生態化的再設計是以降低資源、能源消耗，降低環境負荷，經由環保標章標準等為主要目的之設計2.新型生態材料的生態設計需要建立完善材料生態設計的數據庫和知識庫，以人工智慧、模式識別、電腦模擬等技術作為設計支援系統生態材料學的主要研究任務(3)1.現有材料生態化的再設計20生態材料之類型1999年原田幸明提出生態材料的三種類型（廣義的生態材料化），見圖1-1。圖1-1生態材料的三種類型（廣義的生態材料化）生態材料之類型1999年原田幸明提出生態材料的三種類型（廣義21生態材料學的研究內容1.材料的經濟、技術、生態環境調和研究2.材料生命週期評估3.材料的生態設計、可循環再生設計、產品可拆卸設計4.材料的清潔生產5.生態材料物質流和能流循環再生及相關技術包括以下兩個方面：(1).開路技術:例如生物合成(2).閉路技術:包括可再生材料設計生態材料學的研究內容1.材料的經濟、技術、生態環境調和研究226.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術：(1)採用新製程、新技術，提高資源、能源效率。(2)提高材料壽命有關技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「壽命延長的產品」定義為「根據壽命提高或某種品質改進的特徵，使用資源或廢棄物減少而延長使用時間的產品」。(3)生產過程儘可能使用循環再生材料技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「再循環材料」定義為「藉由一個製造過程由回收的材料加工而成，並製成最終產品或構成一種產品的部分材料」。生態材料學的研究內容(續)6.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術：生態材料學的23生態材料學的研究內容(續)(4)生產過程無廢污排放技術（Zero-Emission）。(5)使用容易後處理的代用材料技術（Refine）。(6)儘可能減少材料生命週期各階段廢污排放的技（Reduce）。(7)材料生命週期各階段產生的廢棄物能得到有效利用的技術（Recycle與Recovery）。(8)材料能夠再重新使用的技術（Reuse)生態材料學的研究內容(續)(4)生產過程無廢污排放技術24生態材料學的研究內容(續)7.新型生態材料及其相關技術(1)環境修復和淨化材料。(2)根據環境和使用條件變化，自行調整的智慧型材料。(3)超導材料，沒有電阻，無疑節省了大量資源和能源。(4)奈米技術和材料，可使產品小型化、節能、省資源。(5)仿生材料，仿生材料就是從天然材料尋求啟發和模擬製造新型生態材料。其他低環境負荷相關新技術，低資源、能源消耗的技術，例如無紙辦公、無線微波輸電、微型化技術等。生態材料學的研究內容(續)7.新型生態材料及其相關技術25生態材料學的研究內容(續)小結:人類使用材料與自然之互動層次生態化污染預防與清潔生產減廢回收再利用污染控制(管末處理)廢棄生態材料學的研究內容(續)小結:人類使用材料與自然之互動層次26生命週期之物質流．生命週期分為生物生命週期和非生物生命週期．ISO14040將生命週期定義為「一個產品或服務系統的連續和互相關聯的階段，從天然資源的開採到最終處理。」．材料和產品生命週期物質流大致可分為三種類型，見圖1-2。1.集約型:由各式各樣組件裝配成產品，集中匯總再循環的類型。2.擴散型以材料為中心，經過分離開採副產物後，對應於多種目的生命週期類型(材料的生命週期基本上是擴散型的)。3.相關型工業部門之間相互依存、相互關聯宏觀的物質流類型。生命週期之物質流．生命週期分為生物生命週期和非生物生命週期27生命週期之物質流(2)圖1-2材料和產品生命週期的三種物質流集約型擴散型生命週期之物質流(2)圖1-2材料和產品生命週期的三種物質28圖1-2材料和產品生命週期的三種物質流(續)相關型圖1-2材料和產品生命週期的三種物質流(續)相關型29材料物質流與自然生態系統

自然生態系統是材料生態系統的物質來源，也是材料或其殘餘物質的受體。

材料系統與自然生態系統物質流循環見圖2-1材料物質流與自然生態系統30材料物質流與自然生態系統材料物質流與自然生態系統31

圖2-3自然物質流例材料物質流與自然生態資源材料物質流與自然生態資源32原料需求量原料需求量33物質流分析目的:提高資源利用效率，節約能源，減少環境污染例:1991年德國之物質流分析數據(單位百萬噸)資源輸入 資源輸出非生質資源4027 廢棄物 2891(包括化石能源366) 儲存 818生質資源 199 水氣蒸發 647空氣(N2與O2)1095 氣體排放 1116進口

433 (CO2

1063,NOx/SOx/CO20)

排放水中 34 材料產品損耗37

出口 211合計 5754 5754物質流分析目的:提高資源利用效率，節約能源，減少環境污染34材料與自然生態資源系統的調和1.可再生生物資源系統

材料系統對可再生生物資源系統的依賴性以森林、農牧業作為原料，經加工作為紙、木材與紡織材料

材料系統與可再生生物資源系統調和發展時的永續利用性培育可再生生物資源和合理開伐利用

資源系統相互對立時的惡性循環性過度利用資源而未能及時培育或違背生態規律，造成更多環境問題材料與自然生態資源系統的調和1.可再生生物資源系統35材料與自然生態資源系統的調和(2)2.可循環再生環境資源系統可循環再生環境資源與可再生生物資源相互結合性太陽、潮汐、風、海洋與土地對可再生生物資源影響很大，亦對材料系統產生影響

系統對各種可循環再生環境資源依賴性不同

‧太陽、潮汐、風、海洋是恆定性環境資源，但材料系統對其直接依賴性較小，宜於未來提高在能源與材料用途之比率‧材料系統對水資源與土地資源之依賴性大且用途具多樣性，宜應保護與合理利用水資源與土地資源材料與自然生態資源系統的調和(2)2.可循環再生環境資源系統36材料與自然生態資源系統的調和(3)3.不可再生礦物資源材料系統對不可再生礦物資源系統的依賴性

不可再生礦物資源系統(礦物與化石能源)為材料系統之主要來源，依賴性極大且用途具多樣性不可再生礦物資源分布不均勻性和消費不均衡性

不可再生礦物資源地域分布不均勻目前不可再生礦物之消費不均衡且不公平-已開發國家為主要之消費者不可再生礦物資源的動態性

材料科技之發展有助於提升對不可再生礦物資源之利用率材料與自然生態資源系統的調和(3)3.不可再生礦物資源37材料與再生資源1.再生資源的定義在社會的生產、流通、消費過程中產生的不再具有原使用價值，而以各種形式儲存的物料，可以藉由不同的加工途徑而使其重新獲得使用價值2.再生資源的特點:(1)再生資源的集中和分散(2)可利用價值高，對保護資源和環境貢獻率高(3)資源來源具有永續性(4)再生資源物質流的逆向性(又稱為「負過程」、「還原過程」、「靜脈流程」)(5)材料與材料廢棄回收物的性能、附加價值的逆向性材料與再生資源1.再生資源的定義38材料與能源當今世界探明儲量的礦種有150多種。世界一次能源結構-煤占28%，石油38%，天然氣21%，核電和水電13%在能源結構上，完成了由煤向石油的轉換，預測未來50年結構上不會發生根本性轉變!世界能源供需預測見表2-1

材料與能源39材料與能源(2)材料與能源(2)40台灣之電力能源結構火力發電26448千瓦73.2%核能 5144 14.2%水力26027.2%其他再生能源19285.3%台灣之電力能源結構火力發電26448千瓦41材料與當代環境問題依據1989年內羅比環境大會的決議，將全球環境題按其相對嚴重程度排列如下： 1.溫室效應。 2.臭氧層破壞。 3.酸性沈降。 4.飲用水污染。 5.海洋污染。 6.森林面積縮小。 7.土壤沙漠化。 8.物種消失。 9.有毒廢棄物處理。材料與當代環境問題依據1989年內羅比環境大會的決議，將全球42溫室效應1997年12月在日本，170多個國家政府代表就全球氣候變化問題達成了世界性協議，即「京都議定書」氣候變化一般包括氣溫、降水和海平面的變化，會對環境、社會和經濟造成巨大衝擊圖2-4為日本各部門按電力消耗核算排放量百分比，材料部門占31.8%，如果加上生命週期中的運輸、使用、廢棄物處理等，比率將更大圖2-5為一些典型材料製造1kg的排放量，製造金屬和塑膠材料排放的幾乎等於自重，聚酯樹脂、不銹鋼和鋁甚至達到自重的數倍溫室效應1997年12月在日本，170多個國家政府代表就全球43溫室效應圖2-4日本各部門按電力消耗核算排放量百分比溫室效應圖2-4日本各部門按電力消耗核算排放量百分比44台灣工業之二氧化碳排放量發電廠7660百萬噸/年鋼鐵 1440 水泥1130煉油 690石化 5202005年台灣工業之二氧化碳排放量發電廠766045溫室效應圖2-5一些典型材料製造1kg的排放量溫室效應圖2-5一些典型材料製造1kg的排放量46材料製造1kg的耗能與二氧化碳排放量材料二氧化碳排放量(Kg/Kg)耗能(MJ/Kg)木材0.314.4～15.9紙板1.810.8平板玻璃2.136.2～40.0水泥0.91.1～1.2陶瓷0.81.9～2.1PET2.779.6～88聚氯乙烯1.563.5～70.2聚乙烯1.476.9～85普通鋼板1.424.3～26.9不鏽鋼3.477.2～85.3銅1.563.0～69.7鋁錠9.0119,184～203(合金)材料製造1kg的耗能與二氧化碳排放量材料二氧化碳排放量(Kg47臭氧層破壞

臭氧層耗竭的原因，比較一致的看法認為人類活動排放到大氣的某些化學物質與臭氧發生作用，導致了臭氧的耗竭。這些化學物質包括N2O，CCl4，氟氯碳化合物等1985年由聯合國環境規劃署（UNEP）召開了國際會議，制定了「保護臭氧層維也納公約」，1987年簽訂的「臭氧層耗竭物質的蒙特婁議定書」，對CFC和海龍二類中的八種物質進行了管制材料工業與間接使用的冷媒、噴射劑和清洗劑，氟氯碳化合物造成臭氧層破壞占有更大百分比。臭氧層破壞

臭氧層耗竭的原因，比較一致的看法認為人類活動排放48大氣污染(包括酸性沈降)定義：大氣污染通常是指由於人類活動和自然過程引起某種污染物質進入大氣中，呈現的高濃度，停留長時間而危害人類的舒適、健康和福祉或破壞環境的現象大氣污染(包括酸性沈降)定義：49大氣污染(包括酸性沈降)大氣污染的來源有如下幾個1.燃料燃燒燃燒燃料的有火力發電廠、鋼鐵廠、煉焦廠、各種工業窰爐以及各種民用爐灶等2.工業生產過程主要有粉塵、碳氫化合物、含硫化合物、含氮化合物、鹵素化合物等。3.農業生產過程污染主要是來自農藥和化肥的使用4.交通運輸主要污染物有碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、含鉛污染物、Pyrene等大氣污染(包括酸性沈降)大氣污染的來源有如下幾個50大氣污染(包括酸性沈降)污染物按其來源可分為一次污染物和二次污染物一次污染物是指直接由污染源排放的污染物二次污染物為大氣中一次污染物之間或一次污染物與大氣的正常成分之間發生化學作用生成的污染物氣態污染物和人為源的重要氣態污染物見表2-2人類生產活動是造成大氣污染的主要原因，其排放源和排放量見表2-3大氣污染(包括酸性沈降)污染物按其來源可分為一次污染物和二次51大氣污染(包括酸性沈降)表2-2氣態污染物和人為源的重要氣態污染物大氣污染(包括酸性沈降)表2-2氣態污染物和人為源的重要氣52大氣污染(包括酸性沈降)大氣污染(包括酸性沈降)53水體污染(包括飲用水與海洋污染)海洋環境污染的危害主要有以下幾方面：1.水產資源的破壞和海洋污染對人體的危害2.人工合成固、液體廢棄物污染3.近海與湖泊優養化例:大量工業廢水和農田灌溉水排入近海(或湖泊)，海水中無機氮和無機磷增加，使藻類群落「爆發」性地成長，形成「赤潮」、「褐潮」或「綠潮」近海造成海域的厭氣環境，也產生等還原性有毒氣體水體污染(包括飲用水與海洋污染)海洋環境污染的危害主要有以下54水體污染(包括飲用水與海洋污染)指排入水體的污染物在數量上超過了該物質在水體中背景含量和水體的環境容量，從而導致水體的物理、化學特徵發生不良變化可分為四大類：1.無機無毒物造成水體優養化、水體pH值和硬度變化、妨礙水體的自淨能力2.無機有毒物無機有毒物主要有氰化物，主要來自電鍍廢水、高爐煤氣的洗滌冷卻水、化工廠的含氰廢水等3.有機無毒物多屬於碳水化合物、蛋白質、脂肪等自然生成的有機物，在厭氧微生物作用下生成甲烷、二氧化碳，同時放出硫化氫、硫醇等4.有機有毒物這類污染物都有害於人體健康和生物生長，嚴重的可以致癌。水體污染(包括飲用水與海洋污染)指排入水體的污染物在數量上超55固體廢棄物處理固體廢棄物亦稱廢棄物定義:指人類在生產、加工、流通、消費以及生活等過程中提取目的成分之後而被丟棄的固態或泥漿狀物質來源礦業廢棄物、工業廢棄物、城市垃圾、農業廢棄物和放射性廢棄物採用不同資源製造的材料，經使用廢棄後，返回生態環境中，或散布或處理，均產生了不同的影響，材料廢棄對生態環境影響和目前對策見表2-4固體廢棄物處理固體廢棄物亦稱廢棄物56固體廢棄物處理固體廢棄物處理57固體廢棄物處理表2-4材料廢棄對生態環境影響和目前對策(2)固體廢棄物處理表2-4材料廢棄對生態環境影響和目前對策(258固體廢棄物處理-礦業廢棄物礦業廢棄物包括尾礦和廢礦石(選礦後剩餘之礦石)，採礦剝離很大，金屬產品每噸用礦石量見表2-5。金屬礦石工業品位與金屬礦石化合物鐵–30%Fe2O3，Fe3O4，FeCO3，Fe2S3

銅–0.7%CuFeS2，Cu5FeS4，Cu2S鋅–4.0%ZnS鋁–30%Al2O3固體廢棄物處理-礦業廢棄物礦業廢棄物包括尾礦和廢礦石(選礦後59固體廢棄物處理-城市垃圾城市垃圾是指居民生活、商業活動、市政建設與維護、機關辦公等過程產生的固體廢棄物材料廢棄物是城市垃圾的重要組成部分，約占50-60％，80年代末期部分國家與地區城市垃圾組成見表2-6。固體廢棄物處理-城市垃圾城市垃圾是指居民生活、商業活動、市政60材料與人類健康的影響材料與人類健康的影響61材料與人類健康的影響表2-7材料生產階段產生對人體健康有害的物質(2)材料與人類健康的影響表2-7材料生產階段產生對人體健康有害62材料與人類健康的影響接觸重金屬能引起發育遲緩、腎損傷、各種癌症，接觸濃度高可導致死亡。重金屬一旦排放，可在環境中留駐數百年甚至更久。分析發現固體廢棄物中每噸平均含29mgPCDD（多氯二苯戴奧辛，PolychlorinatedDibenzodioxins）、1.7mgPCDF（PolychlorinatedDibenzofurans）73.2mgPCB（多氯聯苯，Polychlorobiphenyls)據統計有75種不同的PCDD，有135種不同的PCDF戴奧辛中最毒的是2,3,7,8─四氯二苯駢—p—戴奧辛（TCDD）。人體攝入戴奧辛不易排出，長期積累最終造成對人體的危害，可致癌或引起慢性病。材料與人類健康的影響接觸重金屬能引起發育遲緩、腎損傷、各種癌63生態效益-商業之環境責任與義務定義:藉由提供具有競爭力價格的商品和服務，在滿足人們需要和改善生活品質的同時，在產品整個生命週期逐漸減少環境影響和資源使用量，形成一種既有利於利潤又有益於環境的方法。生態效益-商業之環境責任與義務64生態效益(2)提高生態效益的做法企業在開發產品、採用先進的技術或採取與環境有關的行動時，均應考慮如下七個方面：(1)減少商品和服務的材料需要程度。(2)減少商品和服務的能源需要程度。(3)減少毒物擴散。(4)提高材料的再循環利用率。(5)儘量持續使用可再生資源。(6)延長產品使用壽命。(7)增加商品和服務的效能。在每一個方面改進的程度愈大，產品或製程的生態效益就愈高。生態效益(2)提高生態效益的做法65生態效益(3)提高生態效益的策略世界永續發展商業委員會(WBCSD）制定了提高生態效率的策略，包括:(1)確定目標和指標。(2)藉由技術、組織模式和思維方式的革新來達到目標。(3)線上監測，並隨時修正。生態效益(3)提高生態效益的策略66生態材料評估生態材料評估67生命週期評估(LCA)的產生

LifeCycleAssessment

1969年可口可樂公司委託美國中西部研究所對飲料瓶進行定量分析，當時稱為資源與環境層面分析（即REPA)

結論:建議將玻璃瓶改為塑膠瓶70年代初美國環境保護署（EPA）主持開展了一系列REPA研究，REPA基本採用能源分析方法1974年美國環境保護署提出了一系列相應規範的REPA研究架構歐洲經濟委員會(EEC)也開始關注要求企業對其產品生產過程中的能源、資源及固體廢棄物進行全面的監測和分析:生命週期評估(LCA)的產生

LifeCycleAsse68生命週期評估(LCA)的產生歐洲1985年發布「液體食品容器指南」（ECDirective85/339）1984年瑞士聯邦「材料測試概念與研究實驗室」為瑞士環境部（BUWAL）開展了包裝材料的研究1989年荷蘭國家住宅、規劃與環境部（VROM）針對「管末處理」環境政策，相應提出要對產品整個生命週期所有階段進行環境管理國際組織1990年8月國際環境毒理學與化學學會（SETAC）發表LCA方法論，提出LCA三要素;LCA從70年代的能源LCA發展為90年代的二氧化碳LCA（CO2-LCA）1993年6月國際標準組織（ISO）推動全球性環境管理(ISO14000)，其中ISO14040-14049為生命週期評估生命週期評估(LCA)的產生歐洲69LCA的基本定義與目的LCA定義SETAC的LCA定義:生命週期評估是一種對產品、生產程序以及活動對環境的壓力進行評估的客觀過程，它是經由對能量、資源利用以及由此產生廢污排放的鑑定及量化來進行2.ISO的LCA定義:LCA是匯總和評估一個產品（或服務）系統在其整個生命週期的所有投入及產出對環境造成的影響和潛在影響的方法LCA目的:評估能量和資源利用以及廢污排放對環境的影響，尋求改善環境影響的機會與利用這種機會LCA的基本定義與目的LCA定義70LCA的基本架構目標與範疇界定將生命週期評估研究的目標及範疇予以清楚地界定，使其與預期的應用相一致2.清單分析包含資料收集及運算，以便量化一個產品系統的相關投入與產出3.衝擊評估採用生命週期清單分析的結果，來評估與這些投入產出相關的潛在環境衝擊4.結果闡釋將清單分析及衝擊評估所發現的與研究目標有關的結果合併在一起，形成結論與建議LCA的基本架構目標與範疇界定71LCA架構完整性查驗議題重要性鑑別靈敏度分析一致性分析要求LCA架構完整性查驗議題重要性鑑別靈敏度分析一致性分析要求72目標和範疇界定執行LCA，界定目標和評估範疇包括以下方面:1.界定應用目標2.研究深度3.研究範圍4.調查研究的方法5.調查清單分析項目6.數據類型7.數據品質要求目標和範疇界定執行LCA，界定目標和評估範疇包括以下方面:73清單分析LCI簡化的清單分析步驟見圖3-3清單分析LCI簡化的清單分析步驟見圖3-374清單分析的任務清單分析的任務有三項:(1)蒐集產品生命週期各階段的物料能源和影響環境的排放物數據 清單數據可分成：「前景數據（ForegroundData）」與「背景數據（BackgroundData）」前景數據是執行者考慮的系統(前景系統)所需之數據，因此必須蒐集且最好是適用前景系統的數據背景數據是被考慮的系統以外之數據，也稱為間接數據或社會數據，通常是與前景系統較無直接關係的數據(常來自文獻，商業數據庫，或公佈之統計數據等，有時亦是執行者難以蒐集之數據)清單分析的任務清單分析的任務有三項:75清單分析的任務(2)前景系統與背景系統之比較礦石開採原料材料製造包裝分配消費者掩埋焚化熱量回收背景系統前景系統清單分析的任務(2)前景系統與背景系統之比較礦石開採原料材料76清單分析的任務(3)(2)數據處理: 對不同來源之原始數據須加以處理，以求一致。常見數據處理之方法有三種包括:產值污染係數法；產量污染係數法；行業污染係數法(3)製作清單分析表 經由計算決定產品系統各種投入和產出，製作清單分析表，作為衝擊評估的依據(見表3-1)。清單分析的任務(3)(2)數據處理:77清單分析的任務(4)(4)清單分配原則:對於複雜之產品系統(多產品與開放又循環系統)，環境負荷(物質流或能量流)之分配原則如下:儘可能避免分配問題出現，可利用擴展系統邊界，將系統外的產出、投入納入產品系統中在無法避免分配情況下，經由界定所研究之產品系統的投入或產出比例進行分配 例如:SETAC的對等分配法，即產品中原料生產和產品最終作為廢棄物處理造成的環境負荷，由原料和廢棄物處理系統各負擔50%清單分析的任務(4)(4)清單分配原則:對於複雜之產品系統(78清單分析表例清單分析表例79生态材料导论课件80衝擊評估1.定性衝擊評估方法由專家評分，具一定隨意性與不可比性2.定量衝擊評估方法由清單分析、環境與資源數據，以系統化方式計算環境衝擊衝擊評估1.定性衝擊評估方法81定性衝擊評估方法美國貝爾實驗室評估法為典型定性評估法:將產品生命週期分為五個階段，即原料加工、產品製造、包裝運輸和銷售、使用、再生處理環境問題歸納成五類，即原料選擇、能源消耗、固體廢棄物、廢氣排放、廢液排放由五個生命週期階段和五類環境問題構成5×5的矩陣，並規定矩陣中元素的評分為0∼4，衝擊極嚴重為0，衝擊微小為4，總和為環境責任率如式(3-1)評分資料由企業提供，有關專家進行評定定性衝擊評估方法美國貝爾實驗室評估法為典型定性評估法:將產品82美國貝爾實驗室評估例原料選擇能源消耗固體廢棄物廢氣排放廢液排放個別程序總和原料加工1223210產品製造2234314包裝運輸和銷售2324314使用4344419再生處理3313313負荷總和121312181570美國貝爾實驗室評估例原料選擇能源消耗固體廢棄物廢氣排放廢液排83定量衝擊評估方法有許多定量衝擊評估方法，通常有三個步驟1.分類（Classification)或衝擊歸類2.特徵化（Characterization）或分類評估3.賦值（Valuation）或綜合評價代表性執行方案荷蘭環境科學中心評估法生態評點法（Ecopoint）荷蘭的生態指標法（Eco-indicator）

環境優先策略法（EPS）排放防止費用法能源消耗和防止排放法單位消耗的物質強度法（MIPS）定量衝擊評估方法有許多定量衝擊評估方法，通常有三個步驟84定量衝擊評估方法-荷蘭環境科學中心評估法1.分類（Classification）或衝擊歸類 將LCI中的投入和產出數據組合成相對一致的環境衝擊明細表，見表3-2(1991年12月在荷蘭萊頓市舉行的一次國際會議確認了三類18種環境問題明細表)2.特徵化（Characterization）或分類評估

根據一定的模型將各清單數據轉化成相應的環境指標;分類係數是指假設環境效應與環境干擾之間存在線性關係時的係數，見式（3-2）定量衝擊評估方法-荷蘭環境科學中心評估法1.分類（Class85定量衝擊評估:環境問題明細表定量衝擊評估:環境問題明細表86定量衝擊評估的步驟3.賦值（Valuation）或綜合評價

定量評估是經由各項效應評分加權進行的，得到環境評估指標M;其中加權係數的確定方法有三類：專家小組評議，目標值和現實排放量比較法，經濟價值換算法(考慮包括環境負荷的空間規模與時間長短，環境現況與政策與法規等因素)

影響評估步驟舉例見圖3-4定量衝擊評估的步驟3.賦值（Valuation）或綜合評價87定量衝擊評估實例定量衝擊評估實例88結果闡釋衝擊評估完成後，應撰寫和提交LCA研究報告，報告要點包括：1.LCA研究採用的方法是否符合ISO14040標準2.LCA研究採用的方法在科學和技術上是否合理3.所採用的數據就研究目標而言是否適宜和合理4.結果闡釋是否反映了原定的限制範圍.研究目標5.研究報告是否清晰和前後一致結果闡釋衝擊評估完成後，應撰寫和提交LCA研究報告，報告要點89LCA軟體和數據庫目前主要LCA軟體和數據庫及開發單位見表3-3所有的數據庫都很難滿足各種需求，在大多數情況下需採用幾個數據庫，各數據庫均著重於一個或數個方面的需求以金屬材料為主的有Simapro、Cumpan、CALA等數據庫，以塑膠為主的有Gabi、EDIP、TEAM等數據庫，以陶瓷為主的有EDIP、EIME、Simapro等數據庫，以化學、化工原料為主的有EDIP、LCAdv、TEAM等數據庫，以木材為主的有TEAM、EDIP、LCAdv等數據庫。LCA軟體和數據庫目前主要LCA軟體和數據庫及開發單位見表390主要LCA軟體和數據庫及開發單位

主要LCA軟體和數據庫及開發單位

91主要LCA軟體和數據庫及開發單位(續)主要LCA軟體和數據庫及開發單位(續)92LCA的特點-科學性

與眾多的環境評估方法相比較，LCA無疑是更為全面的評估方法，表現在評估的科學性、深度和廣度可以進行從定性到定量的評估考慮產品的整個生命週期對環境的影響，而不單純是產品生產階段對生態環境的影響LCA所考慮的產品系統與潛在環境影響的因果鏈見圖3-1，可全面、完整地反映當前的生態環境問題LCA的特點-科學性

與眾多的環境評估方法相比較，LCA無疑93產品系統和潛在環境影響因果鏈產品系統和潛在環境影響因果鏈94LCA方法的特點LCA研究應是系統，而充分地涉及從原料獲得到最終廢棄產品的系統對生態環境的影響問題LCA研究的詳細程度及時間範圍在很大程度上可以視目標和範疇界定而改變LCA的範圍、假設、數據品質描述和方法應該是透明的LCA是要求向公眾宣布比較性報告的研究LCA應該包括新的科學成果以及目前技術的改進。LCA沒有單一方法可循LCA方法的特點LCA研究應是系統，而充分地涉及從原料獲得到95LCA的局限性LCA所作的假設與選擇可能帶有主觀性受假設的限制，可能不適用所有潛在的影響全球性、區域性和局部性的研究結果可能相互間不具代表性研究的準確性可能受到數據的品質、有效性的限制由於影響評估所用的清單數據缺少空間和時間尺度，使影響結果產生不確定性LCA的局限性LCA所作的假設與選擇可能帶有主觀性96LCA的發展趨勢目前專業人員正在努力採取如下措施改進LCA：研究改進LCA方法論和資訊標準化，建立和改進LCA數學或物理模型。開發LCA軟體，充分利用電腦資訊技術，提高效率，縮短評估時間及降低成本。研究衝擊評估的方法論，藉由實際執行，提高衝擊評估的嚴謹性和通用性。LCA的發展趨勢目前專業人員正在努力採取如下措施改進LCA：97材料性能與生命週期評估材料生命週期評估(MLCA)=材料性能+生命週期評估MLCA是生態材料設計之基礎圖3-5材料生命週期評估的架構材料性能與生命週期評估材料生命週期評估(MLCA)=材料性能98從設計到循環再生生態材料設計清潔生產材料的循環再生從設計到循環再生生態材料設計99生態設計基本概念

生態材料設計（Eco-design,ED）在材料和產品的設計中將生態保護、人類健康和安全的意識有機融入其中的設計方法生態設計又稱為生命週期工程設計（LCED）、綠色設計（GD）、為環境而設計（DFE）生態化設計:以材料性能和環境負荷之最佳值為研究目標值，減少材料製造的材料物質流和能量流在設計過程中考慮材料和產品的整個生命週期對生態環境的不利影響，將其控制在最小範圍之內或最終加以消除，達到最優化生態設計基本概念生態材料設計（Eco-design,E100生態設計基本概念(2)改變材料的組成、結構及加工方法可以達到改善環境負荷的目的著重考慮原料選擇、製程的省資源、省能源和低污染、廢棄後可循環再生由材料組成、結構與性能關係的研究，使人們對材料結構與性能的關係有比較系統的了解(「試誤法」易消耗大量精力與資源)人工智慧、模式識別、電腦模擬、知識庫和數據庫等技術的發展，使人們能夠將理論和大批實驗資料加以關聯生態設計基本概念(2)改變材料的組成、結構及加工方法可以達到101傳統到生態設計之概念轉換

圖4-2傳統材料到生態材料的設計概念轉換傳統到生態設計之概念轉換圖4-2傳統材料到生態材料的設102生態設計類型生態設計有兩種類型:1.現有材料生態化的再設計現有材料生態化的再設計是以降低資源、能源消耗，降低環境負荷，例如經由環保標章標準等作為主要目的之設計2.新型生態材料的生態設計需要建立完善材料生態設計的數據庫和知識庫，以人工智慧、模式識別、電腦模擬等技術作為設計支援系統生態設計類型生態設計有兩種類型:103生態設計之原料設計要點

選擇對環境影響小的原料，選擇的具體原則如下：1.採用易再循環材料，不採用難於回收或無法回收的材料。2.儘量避免使用或減少使用有害、危險的原料。3.選擇豐富、容易得到的原料4.減量化5.統一化6.組合化7.標準化8.儘可能從循環再生中獲取所需的原料9.選擇能耗低的原料生態設計之原料設計要點選擇對環境影響小的原料，選擇的具體原104生態設計之組件設計要點組件之設計及選擇的原則如下：1.少量化（積木化），使再利用或循環處理容易。2.標準化、規格化3.長壽命化4.連接簡化，採用容易拆卸的連接方法。5.重複利用化生態設計之組件設計要點組件之設計及選擇的原則如下：105生態設計之產品設計要點一般產品具體設計要求如下1.組件調和性，再利用、再資源化時容易拆卸2.易分離、解體。3.易破碎、篩選、焚化、最終處置等。焚化需防止二次污染。4.易搬運、輸送。例如大型產品容易分離拆卸的結構。5.材料的標識化。便於分類處理、處理方法選擇。6.易維修，延長使用壽命。7.資訊公開化。8.符合法規。生態設計之產品設計要點一般產品具體設計要求如下106新型生態材料的生態設計生態設計必須有相關的設計工具作支援目前多採用電腦輔助設計系統生態設計的電腦輔助設計系統見圖4-4圖4-4生態設計的電腦輔助設計系統新型生態材料的生態設計生態設計必須有相關的設計工具作支援圖4107生態設計數據庫和工具軟體

表4-1:主要生態設計數據庫和工具軟體生態設計數據庫和工具軟體表4-1:主要生態設計數據庫和工108生態材料設計實例圖3-6為合金元素成分變化與環境負荷、材料性能的實驗結果關係圖圖3-6合金元素成分變化與環境負荷、材料性能的關係生態材料設計實例圖3-6為合金元素成分變化與環境負荷、材料性109清潔生產之定義

聯合國環境規劃署(UNEP)定義UNEP(1989)定義:「清潔生產是對生產程序和產品不斷運用一種一體化的預防性環境策略，以減少其對人體和環境的風險；對於生產程序，清潔生產包括節約原材料和能源，消除有毒原材料，並在一切排放物和廢棄物離開製程之前削減其數量和毒性；對於產品，策略重點是沿產品的整個生命週期，即從原材料開採到產品的最終處置，減少各種不利影響」UNEP(1996)對清潔生產重新定義:「清潔生產是關於產品生產過程的一種新的、創造性的思維方式。清潔生產意味著對生產過程、產品和服務，持續運用整體預防的環境策略，以期增加生態效率，並減輕對人類和環境的風險。」清潔生產之定義聯合國環境規劃署(UNEP)定義110為何需要清潔生產1.在材料的生命週期中，材料製造生產階段往往是對生態環境影響最大或比較大的階段2.改變傳統的生產觀念，生產的終極目標是保護人類與環境提高企業自身的經濟效益為何需要清潔生產1.在材料的生命週期中，材料製造生產階段往往111清潔生產的內容

清潔生產的原則包括以下三方面：1.能源節約能源，執行節能措施新能源開發利用可再生能源和清潔能源2.生產過程使用無毒無害原料節約原料，儘量使用再生資源開發新材料，提高材料使用壽命使中間產品無毒、無害先進、可靠的操作和控制採用先進生產程序建立先進和完善的生產管理減少生產中的各種危險因素清潔生產的內容清潔生產的原則包括以下三方面：1123.產品物料循環利用和現場回收利用少用稀少和有害原料的產品合理的使用功能提高材料可回收利用率，易回收，易處理，易分解產品在使用過程中以及使用後不會危害人體健康和生態環境

清潔生產的內容(2)3.產品清潔生產的內容(2)113工業生產生命週期十字架

圖4-5工業生產生命週期十字架工業生產生命週期十字架圖4-5工業生產生命週期十字架1141.資源的合理利用和綜合利用2.改進製程和設備3.規劃廠內物料循環4.加強管理5.改進產品系統6.必要末端處理工業與企業實施清潔生產的途徑工業與企業實施清潔生產的途徑115清潔生產的可行性評估可以從技術、經濟和環境三個方面進行:1.技術評估(1)技術的先進性、安全性、可靠性(2)產品的品質保證(3)技術的成熟程度(4)對設備的要求(5)操作控制的難易清潔生產的可行性評估(評價)

清潔生產的可行性評估可以從技術、經濟和環境三個方面進行:清潔116清潔生產的可行性評估-經濟評估

2.經濟評估估算開發和運用清潔生產技術過程中，投入的各種費用所節約的成本以及各種附加的效益，以確認該項清潔生產技術在經濟上的效益和可承受性

成本效益分析:=(Ei+Y)/Fj

=效益係數(愈大，經濟成本效益愈佳)Ei

=E(產品效益)+E(節約原材料與能源之效益)+E(節約環保之開支)+E(外貿效益)+E(外貿效益)Y=Y(資源損失)+Y(污染損失)(負值)Fj=各項支付之費用清潔生產的可行性評估-經濟評估

2.經濟評估117清潔生產的可行性評估-環境評估

3.環境評估環境評估要立足於兩個基本點：(1)是否符合環境保護法規要求(2)它的環境負荷，是否能夠促進永續發展常用簡單易解之指標(三種):基本指標:以生產之投入產量、產值、能耗、空污、水污、廢棄物量等作為指標特殊指標:針對生產使用之特定技術、特定原料易造成重大環境負荷之指標延伸指標:考察生產階段以外的生命週期之環境負荷指標清潔生產的可行性評估-環境評估

3.環境評估118環境評估指標-基本指標能耗指標

ECI=(Ci×fi) Ci=第i項能源消耗量

fi=第i項能源之油當量轉換因子毒性指標(VHI)

VHI=VP25/TLV VP25=有毒物質在25℃之蒸氣壓(mmHg) TLV=曝露極限值(mmHg)危害性指標(HZI)

HZI=(VHIi×Mi)/Mi

Mi

=最大流量環境評估指標-基本指標能耗指標119環境評估指標-基本指標廢棄物指標．環境負荷參數(ELF)=廢棄物量/產品量(ICI)．廢棄物比(WR)=廢棄物量/(產品量+副產品量+廢棄物量)(3M)

．廢棄物資源化比(WCR)=廢棄物資源化/廢棄物量環境評估指標-基本指標廢棄物指標120清潔生產的稽核-尋找機會與改進

稽核又稱為審計，常用在帳務帳目方面定義:從污染角度對現有的或計畫進行的工業生產活動中物料的去向和轉換所施行的一種分析程序目的:發現問題，制定稽核、評估和執行方案推行清潔生產的行動步驟清潔生產的稽核-尋找機會與改進121清潔生產的稽核步驟清潔生產稽核步驟分為四個階段(見圖4-6):1.準備階段:概念、組織與物質上的準備2.稽核階段:研究廠內已有的技術文件和設計資料，並進行考察、實測和校驗，並與現有同類型材料或產品製程比較，尋找各種改進措施之方案3.優選階段:根據稽核階段提出之各種方案，考慮企業經濟、技術與物質現況，擇選最適合之方案4.執行階段:執行最適合之方案清潔生產的稽核步驟清潔生產稽核步驟分為四個階段(見圖4-6)122清潔生產的稽核

圖4-6清潔生產稽核步驟清潔生產的稽核圖4-6清潔生產稽核步驟123材料的循環再生

廢棄物循環再生對材料工業永續發展的意義1.提高材料工業生態效益與經濟效益

目前廢棄物為原料投入量之70-80%2.廢棄物的循環再生減少資源的消耗和減輕環境污染減少資源消耗

儘量減少廢棄物產生，合理利用資源另一方面儘量將廢棄物返回再生產的循環，以減少資源的擷取。降低環境負荷

對有限的環境容量，儘量將廢棄物返回再生產的循環，將會大大減輕對生態環境的破壞材料的循環再生廢棄物循環再生對材料工業永續發展的意義124廢棄物循環再生的層次

1.再使用(Reuse）在其生命週期以內，可被用來完成相同預定用途一定次數的重複使用(ISO解釋)2.材料循環再生(MaterialsRecycle）廢棄物經過回收、分離後，恢復為原材料形態且再運用於同種或類似用途3.廢棄物的資源化(ResourceCascadening)廢棄物經一定加工且變更用途4.化學再循環(ChemicalRecycle)廢棄物經過化學分解後，成為原料且再運用予製造材料5.取有用成分(Recovery)抽取廢棄物所含之有用成分6.熱能再循環(EnergyRecycle)廢棄物經燃燒產生熱能或轉為電能7.最終處理與掩埋(RestinPeace)廢棄物循環再生的層次1.再使用(Reuse）125廢棄物循環再生的分類

再使用材料循環再生化學再循環資源化抽取有用成分熱能再循環最終處理與掩埋環境負荷變大→↑環境負荷變小廢棄物廢棄物循環再生的分類再使用材料循環再生化學再循環資源化抽取126廢棄物循環再生的途徑和策略

1.政府制定相關的法規要求廢棄物循環再生2.強化環境管理，制訂廢棄物再循環標準運用行政、法律、經濟、技術、教育等手段，進行宏觀指導、統籌規劃、組織協調、監督檢查，並提供服務3.推行和開發先進的回收利用技術廢棄物回收利用的瓶頸之一是經濟合理性，而歸根結底是回收技術的先進性(圖4-8)4.建立和改善回收利用網路和機制5.積極推動提高企業生態效益活動廢棄物循環再生的途徑和策略1.政府制定相關的法規要求廢棄物127循環再生技術

圖4-8推行和開發先進的回收利用技術循環再生技術圖4-8推行和開發先進的回收利用技術128生態材料概論教學大綱(1)

授課教師：余慶仁 0933601801cly@.tw課程概述與目標：

本課程探討材料與環境、資源之關係並介紹各類材料特性、功能與利用，與各類材料之生態化與生態改造方法與實例。教材1.生態材料導論，洪紫萍、王貴公著，魏漣邦校訂，五南書局，民國93年2.教師自編講義

生態材料概論教學大綱(1)授課教師：余慶仁129生態材料概論教學大綱(2)課程簡介緒論材料與生態系統生命週期評估與生態化設計清潔生產與循環再生材料特性木材金屬材料高分子材料陶瓷與建築材料課程大綱生態材料概論教學大綱(2)課程簡介材料特性課程大綱130生態材料概論教學大綱(3)主要參考與指定閱讀書目．生態環境材料，王天民主編，王文雄與白育綸編修，新文京開發，民國93年．機械材料，金重勳著，復文書局，民國91年．產業減廢與資源化，陳有志著，高立圖書，民國89年．工程材料，沈保羅主編，黃振賢審定，新文京開發，民國90年．EngineeringMaterials,Budinski&Budinski,Pearson,2005．MaterialsSelectioninMechanicalDesign,M.Ashby,Elsevier,2005．DesignforEnvironment,J.Fiskeled.,McGraw-Hill,1995．FoundationofMaterialsScienceandEngineering,W.F.Smith,McGraw-Hill,2002(中譯本:劉品均與施佑蓉譯，高立圖書，民國94年)．

MaterialsScienceandEngineering,AnIntroduction,6thEd.

W.D.Callister,Jr.

JohnWiley&Sons,2003(中譯本:陳文照等譯，高立圖書，民國95年)生態材料概論教學大綱(3)主要參考與指定閱讀書目131生態材料概論教學大綱(4)教學方式 教室講述教學成績評量及標準 平時成績包括作業，課堂表現等(佔30%)、 期中考(佔35%)、 期末考(佔35%)生態材料概論教學大綱(4)教學方式132生態材料導論AnIntroductiontoEcomaterials洪紫萍、王貴公編著魏漣邦校訂生態材料導論AnIntroductiontoEcoma133目錄Chapter1概論Chapter2材料與生態系統Chapter3生態材料評估Chapter4生態材料設計、生產、循環再生Chapter5木材Chapter6金屬材料Chapter7高分子材料Chapter8複合材料Chapter9陶瓷Chapter10包裝材料Chapter11建築材料目錄Chapter1概論134生態材料學的產生和發展生態材料發展時期：一、原始生態材料時期

人口稀少，主要以天然資源為衣、食、住、行的材料，人類行為是利用自然界的物質資源屬於原始生態模式，對自然生態系統基本不造成危害。二、準原始生態材料時期人類開始進入農業時代，使用材料依然以天然資源和人工栽培、飼養的生物為主要原料，出現了陶瓷、冶金業，人類只能製造與使用自然資源，進行簡單加工的材料，以提高生活品質。生態材料學的產生和發展生態材料發展時期：135生態材料學的產生和發展三、非生態材料時期人類進入工業文明時代，大量開採地球上的各種資源，加以使用和消費，並排放生物難以分解的廢污。環境污染日趨嚴重，進入80年代，資源、能源變成世界性大流動，生態環境破壞擴展到全球，例如「溫室效應」。社會的成長方式呈指數型，其數學式如下：若成長率為7%，則倍增期為10年。生態材料學的產生和發展三、非生態材料時期若成長率為7%，則倍136生態材料學的產生和發展四、生態材料時期

材料持續利用在於材料應以「社會經濟自然生態效益」的統合為著眼點，隨著材料的使用範圍和生產規模不斷擴大，生態環境依然得到保護，較小的破壞作用，使傳統的材料工業轉變成生態材料工業，進入材料工業永續發展時期。生態材料學的產生和發展四、生態材料時期137生態材料學的產生和發展生態材料概念的產生和研究進展：20世紀80年代以來國際社會關注的焦點從單純注重環境問題逐步轉移到環境與發展二者的關係。美國和歐洲學者也提出綠色材料、生態友善材料、生態製程、生態產品、環保標章、環境友善材料和製程等概念，但均處於發展階段ISO14021—99環保標章和環境宣告中指出「模糊的或不具體的，或泛泛表明產品是對環境有利或環境無危險的環境訴求不應使用生態材料學的產生和發展生態材料概念的產生和研究進展：138生態材料之特性1990年，山本良一教授認為21世紀材料應具有綜合性能: 1.人類活動領域的可擴展性(Expandability) -人類活動範圍更廣；傳統材料的特性 2.生態相容性(co-existability) -材料與自然和諧 3.寧適性(Optimizability) -材料與人和諧(人類生活品質提升)生態材料之特性139生態材料學的研究對象和任務生態材料的定義(屬性)1.具有傳統材料的四大要素，即成分、結構、製程和性能。2.可使用性，可用於社會經濟的各種需求。3.經濟性，傳統上人們可以承受的價格。4.生態屬性，即材料的整個生命週期環境負荷低，可再循環、資源利用效率高的涵義。生態材料學的研究對象和任務生態材料的定義(屬性)140傳統材料的四大要素成分:元素與化合物種類與含量結構:各成分排列方式製程:製造材料之過程性能: 機械-彈性係數、硬度、抗拉強度、延展性等 熱力學-熔點、沸點、熱傳導係數、吸放熱量等 電子性-導電性、介電係數等

光學性-透光度等傳統材料的四大要素成分:元素與化合物種類與含量141材料可使用性工程材料 種類:金屬材料、高分子材料、陶瓷與建築材料、複合材料(兩種以上材料組成)

美國1990年之使用量: 木材-3×1011磅 高分子-3×1010磅 鋼鐵-1×1011磅 鋁-2×109磅 水泥-1×1011磅 銅-1×109磅

汽車1500Kg其中

鋼鐵:50-60%塑膠:10-20%

鋁:5-10%其他材料可使用性工程材料142材料之經濟性材料之經濟性143生態材料學的研究對象和任務材料的生態相容性判定原因:材料對生態環境的壓力(1)直接對人類、生物造成危害(2)生活環境受到壓力(3)破壞可再生資源的循環系統(4)對不可再生資源的大量消耗環境負荷之定義如果有物質排放，就產生了壓力，對此，環境則作出反應而形成某種狀態，這個狀態與物質排放以前的狀態比較，如果判斷者作出狀態惡化的結論時，就將物質排放定義為環境負荷生態材料學的研究對象和任務材料的生態相容性判定144判斷材料生態相容性的必要條件(1)材料生產所需能量低。(2)材料生產過程無污染。(3)原材料可再資源化。(4)不過度消耗資源。(5)使用後或解體後可再利用。(6)可保證原料的持續生產。(7)廢材的最終處理不污染環境。(8)對使用人的健康無害。判斷材料生態相容性的必要條件(1)材料生產所需能量低。1451.探索材料系統和自然—經濟—社會生態系統的相互關係．尋求對材料系統和自然、經濟、社會生態系統之掌握與整合2.材料整個生命週期對生態系統包括地球生態系統、廣域生態系統、地區生態系統的影響，尤其是未來的潛在影響促使建立新的模式．材料整個生命週期在時間與空間上對生態系統的影響生態材料學的主要研究任務(1)1.探索材料系統和自然—經濟—社會生態系統的相互關係生態材料146生態材料學的主要研究任務(2)3.傳統材料的生態化、新型生態材料和生態材料設計、生產的原則原料製造過程加工處理材料(較原始)材料產品使用後回收資源化廢棄考量點:資源、能源、污染、使用性、經濟性、需求量封閉循環系統，以降低環境負荷生態材料學的主要研究任務(2)3.傳統材料的生態化、新型生態147生態材料學的主要研究任務(3)1.現有材料生態化的再設計現有材料生態化的再設計是以降低資源、能源消耗，降低環境負荷，經由環保標章標準等為主要目的之設計2.新型生態材料的生態設計需要建立完善材料生態設計的數據庫和知識庫，以人工智慧、模式識別、電腦模擬等技術作為設計支援系統生態材料學的主要研究任務(3)1.現有材料生態化的再設計148生態材料之類型1999年原田幸明提出生態材料的三種類型（廣義的生態材料化），見圖1-1。圖1-1生態材料的三種類型（廣義的生態材料化）生態材料之類型1999年原田幸明提出生態材料的三種類型（廣義149生態材料學的研究內容1.材料的經濟、技術、生態環境調和研究2.材料生命週期評估3.材料的生態設計、可循環再生設計、產品可拆卸設計4.材料的清潔生產5.生態材料物質流和能流循環再生及相關技術包括以下兩個方面：(1).開路技術:例如生物合成(2).閉路技術:包括可再生材料設計生態材料學的研究內容1.材料的經濟、技術、生態環境調和研究1506.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術：(1)採用新製程、新技術，提高資源、能源效率。(2)提高材料壽命有關技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「壽命延長的產品」定義為「根據壽命提高或某種品質改進的特徵，使用資源或廢棄物減少而延長使用時間的產品」。(3)生產過程儘可能使用循環再生材料技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「再循環材料」定義為「藉由一個製造過程由回收的材料加工而成，並製成最終產品或構成一種產品的部分材料」。生態材料學的研究內容(續)6.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術：生態材料學的151生態材料學的研究內容(續)(4)生產過程無廢污排放技術（Zero-Emission）。(5)使用容易後處理的代用材料技術（Refine）。(6)儘可能減少材料生命週期各階段廢污排放的技（Reduce）。(7)材料生命週期各階段產生的廢棄物能得到有效利用的技術（Recycle與Recovery）。(8)材料能夠再重新使用的技術（Reuse)生態材料學的研究內容(續)(4)生產過程無廢污排放技術152生態材料學的研究內容(續)7.新型生態材料及其相關技術(1)環境修復和淨化材料。(2)根據環境和使用條件變化，自行調整的智慧型材料。(3)超導材料，沒有電阻，無疑節省了大量資源和能源。(4)奈米技術和材料，可使產品小型化、節能、省資源。(5)仿生材料，仿生材料就是從天然材料尋求啟發和模擬製造新型生態材料。其他低環境負荷相關新技術，低資源、能源消耗的技術，例如無紙辦公、無線微波輸電、微型化技術等。生態材料學的研究內容(續)7.新型生態材料及其相關技術153生態材料學的研究內容(續)小結:人類使用材料與自然之互動層次生態化污染預防與清潔生產減廢回收再利用污染控制(管末處理)廢棄生態材料學的研究內容(續)小結:人類使用材料與自然之互動層次154生命週期之物質流．生命週期分為生物生命週期和非生物生命週期．ISO14040將生命週期定義為「一個產品或服務系統的連續和互相關聯的階段，從天然資源的開採到最終處理。」．材料和產品生命週期物質流大致可分為三種類型，見圖1-2。1.集約型:由各式各樣組件裝配成產品，集中匯總再循環的類型。2.擴散型以材料為中心，經過分離開採副產物後，對應於多種目的生命週期類型(材料的生命週期基本上是擴散型的)。3.相關型工業部門之間相互依存、相互關聯宏觀的物質流類型。生命週期之物質流．生命週期分為生物生命週期和非生物生命週期155生命週期之物質流(2)圖1-2材料和產品生命週期的三種物質流集約型擴散型生命週期之物質流(2)圖1-2材料和產品生命週期的三種物質156圖1-2材料和產品生命週期的三種物質流(續)相關