第一章环境友好材概论精简版课件

环境友好材料陈大柱深圳大学材料学院dzchen@2023/6/51第一章环境材料概论1.1环境材料概念的建立重新认识和评价过去人类研究材料、开发材料、使用材料的活动是解决环境问题的要求2023/6/52材料的环境影响

大气层中的某些微量组分，如CO2、CH4、N2O、CFC（氟氯烷烃）等，能使太阳的短波辐射透过，加热地面，而地面增温后所放出的热辐射，却被这些组分吸收，使大气增温，这种现象称为温室效应。造成全球气候变暖的主要原因是由于人类活动造成空气中二氧化碳、甲烷等温室气体的含量在逐渐增加。1、全球气候变暖2023/6/532.臭氧层的破坏

大气层是指包围在地球表面并随地球旋转的空气层。

臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，主要作用是吸收短波紫外线。2008年形成的南极臭氧空洞的面积到9月第二个星期就已达2700万平方公里，而2007年的臭氧空洞面积只有2500万平方公里。2023/6/54氯氟烃，为化学惰性物质，对生物不存在毒性和其他有害影响。然而惰性意味着其无处可去，在大气中只有一直上升到平流层，才会发生紫外光解：

CF2Cl2+hν→Cl+CF2ClO3+Cl→ClO+O2O+ClO→Cl+O2Cl和ClO形成催化循环。一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子2023/6/55（1）臭氧的减少使皮肤癌和角膜炎患者增加，诱发非常危险的皮肤病--恶性黑瘤，也会损害人的免疫系统，使传染病的发病率猛增。臭氧层破坏的后果2023/6/56（2）破坏地球上的生态系统。过量的紫外线影响植物的光合作用，使农作物减产。紫外线还可能导致某些生物物种的突变。（3）引起新的环境问题，过量的紫外线能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，结果又带来新的环境污染——光化学大气污染2023/6/573生物多样性减少在过去的两亿年中，每27年中才有一种植物从地球上消失，每100年有90多种脊椎动物灭绝。地球上究竟存在多少物种？我们目前仍不知晓，大约为1000万～3000万，其中有140万已经被命名或被简单地描述过。

世界上每年至少有5万种生物物种灭绝，现在物种灭绝的速度是自然灭绝速度的100-1000倍！2023/6/584酸雨煤炭、天然气、石油燃烧以及金属冶炼等产生的二氧化硫、二氧化氮大量排入空气中，经过复杂的大气物理和大气化学过程最终转化为硫酸和硝酸等，与水气或雨雪相遇，形成酸雨。2023/6/59酸雨带来什么？危害生态系统水生生物不能存活土壤酸化建筑等受损2023/6/5105森林锐减森林是人类的摇篮“树木撑起了天空，如果森林消失，世界之顶的天空就会塌落，自然和人类就一起死亡。”

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森林锐减的危害森林平均每年消失4000平方公里一、绿洲沦为荒漠二、水土大量流失三、干旱缺水严重四、洪涝灾害频发五、物种纷纷灭绝六、温室效应加剧涵养水源，保持水土，吸收二氧化碳，提供资源能源

森林的作用2023/6/5126土地荒漠化据联合国统计，荒漠化已影响到全世界1／5的人口和全球1／3的陆地，成为导致贫困和阻碍发展中国家经济与社会持续发展的重要原因之一。

沙漠化每年埋没许多村庄、铁路、公路，造成越来越多的沙尘暴侵袭，给我国经济建设和人民生活造成巨大经济损失。

2023/6/5137大气污染粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等大气污染物气溶胶状态污染物气体状态污染物硫氧化合物氮氧化合物碳氧化合物碳氢化合物2023/6/5148水污染

水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象称为水污染。

2023/6/515水污染对人体健康的影响1.污染的水体含有致病的微生物和病毒等。这些病毒微生物会引起各种肠道传染病的蔓延。2.水中的有毒有害物质会引起人中毒或慢性中毒。

2023/6/5169海洋污染联合国海洋法公约1982年将海洋污染定义为:人类直接或间接把物质或能量引入海洋环境,其中包括河口湾,以至造成或可能造成损害生物资源和海洋生物、危害人类健康,妨碍包括捕鱼和海洋的其他正当用途在内的各种海洋活动、损坏海水使用质量和减损环境优美等有害影响。

海洋——生命的摇篮2023/6/517①赤潮频发②石油污染严重③废弃物污染剧增海洋污染的主要表现2023/6/518

大量城市工业废水和生活污水排入海洋中，氮、磷等营养盐类，铁、锰等微量元素以及有机化合物的含量大大增加，赤潮生物大量繁殖。造成鱼、虾、贝类大量死亡，海龟、海豚也不能幸免。

海洋污染带来的危害赤潮生物包括浮游生物、原生动物和细菌等，其中有毒、有害赤潮生物以甲藻居多，其次为硅藻、蓝藻、金藻、隐藻和原生动物等。

2023/6/51910危险性废物越境转移

危险性废物是指除放射性废物以外，具有化学活性或毒性、爆炸性、腐蚀性和其他对人类生存环境存在有害特性的废物。

美国在资源保护与回收法中规定，所谓危险废物是指一种固体废物和几种固体的混合物，因其数量和浓度较高，可能造成或导致人类死亡率上升，或引起严重的难以治愈疾病或致残的废物。

2023/6/5201989年3月签订的“控制危险废物越境转移及其处置巴塞尔公约”规定，应加控制的废物有：医药废物、木材防腐化学品、废焦油、爆炸废物、含铍、砷、镉、汞、碲、铊、铅的化合物，含氰、酚、醚的化合物，多氯苯及二噁英同系物、多氯苯并呋喃同系物，有机溶剂及有机卤化物等。

2023/6/521一般工业产品的链式生产流程示意图2023/6/522

冶炼吨

钢材的输入和输出参数2023/6/523，20世纪初的资源环境问题主要是局部的污染和废弃物等问题；进入20世纪90年代后，全球气候变暖、沙漠化、臭氧层破坏、食物短缺等危及全人类的生态环境和健康的问题日益突显出来；到2050年，地球上的人口将达到100亿左右，许多矿物资源将面临枯竭；到2070年，石油与天然气资源将枯竭，届时人类的能源结构将发生观念性的变革；到2100年，地球上的人口将超出整个地球所能承载的能力。同时，由于气候变暖，海

平面将上升。人类面临的资源环境问题示意图2023/6/524地球面临着人口膨胀和资源过度消耗，大气、水质的污染，有毒废物的排放，温室气体导致的全球气候变暖，生物物种的大量消失等一系列危机。面对如此困境，脆弱的地球还能承受吗？

2023/6/52520世纪中期，资源能源过渡消耗，环境恶化，环境问题引起重视。2023/6/5261970年4月22日

第一个世界地球日

哈佛大学学生丹尼斯·海斯发起并组织的环境保护活动,全美有2000万人参加，呼吁拯救地球。2023/6/527

20世纪80年代由单纯重视环境保护问题转移到环境与发展的主题，体现了人类社会高速发展和社会进步的内在需求.各国已普遍认识到，环境的保护与治理只有与社会发展问题共同考虑，才能获得最终的解决。2023/6/528

材料的生产、处理、消耗、使用、回收和废弃的过程中也带来了沉重的环境负担。这促使各国材料研究者从头审视材料的环境负担性，研究材料与环境的相互作用，定量评价材料生命周期对环境的影响，研究开发环境协调性的新型材料。所谓‘环境协调性’是指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用率高。2023/6/529环境材料基本性能示意图2023/6/530

材料只有赋予其环境性能、使用性能和经济性能，才可以称之为环境材料。

即环境材料是指那些具有满意的使用性能和可接受的经济性能，并在其制备、使用及废弃过程中对资源和能源消耗最少，对环境影响最小且再生利用率最高的一类材料。2023/6/531环境对材料的作用材料的性能在很大程度上决定于环境的影响，环境包括社会环境和自然环境。社会环境是推动材料科学发展的动力，正确的材料生产、加工和使用，体现了人们的认识过程。自然环境是材料生产的基础，而以落后的技术，大量消耗资源和污染环境为前提的材料生产和加工，最终必然会导致资源的枯竭，使材料的生产难以持续发展。因此，发展循环经济，促进资源的循环再生利用，无论对企业还是于国于民都大有好处，可以将废物转化为商品产生经济效益，减少环境污染，节约成本，提高资源效率，降低能源消耗。2023/6/5322023/6/5332023/6/534生态环境材料概念的提出

1992年，日本东京大学的山本良一教授等提出了“生态环境材料”的概念（Ecomaterials，由EnvironmentalConsciousMaterials或EcologicalMaterials缩写而成）。按英文字面含义可理解为环境意识的材料或生态材料，也即环境友好型材料或环境协调性材料。（绿色，环境友好，生态，环境协调，生态环境材料）山本良一RyoichiYamamoto

2023/6/535环境材料的各种表示方法2023/6/536材料的使用对环境损害的必然性：大规模的生产和人类生存活动所必须的材料总是意味着一定程度上损害生态环境。为了人类的持久生存和发展，人们所面临的迫切课题，即如何设计和生产将环境负荷减至最低，再生率增至最大的材料。要考虑材料“生命过程”的完整性，从原材料开采到产品最终废弃的一个全过程。

2023/6/537定义：环境材料是指在加工、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材料。既包括经改造后的现有传统材料，也包括新开发的环境材料。环境材料学的核心思想是在材料的四大要素，即成分、结构、工艺和性能的基础上，加上材料的环境指标或环境负荷，强调了材料的环境协调性2023/6/538环境负荷：是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，以及其向环境体系排放的各种废弃物（如气态、固态和液态废弃物）的总和。即

材料的环境负荷＝{资源，能源，排放物}

2023/6/539环境负荷主要包括

资源摄取量；能源消耗量；污染物排放量及其危害；废弃物排放量及其回收、处置的难易程度等因素。2023/6/540（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）舒适性（9）有毒、有害替代（10）环境清洁、治理功能环境材料的主要特征：2023/6/541环境材料绿色工艺特征节约能源节约资源降低污染净化环境2023/6/542低碳经济今年3月，温家宝总理在政府工作报告中提出：“中国要努力建设以低碳排放为特征的产业体系和消费模式。”发展低碳经济，转变经济发展方式、促进经济结构调整正成为中国社会的共识。中国正式签署哥本哈根协议，并积极采取各项行动，在节能减排、绿色能源、低碳城市等领域取得了令人瞩目的成就。但同时，在低碳发展的道路上，仍然面临着理念、机制、技术等各方面挑战。2023/6/543所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色GDP的问题，核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。

2023/6/5441.2环境材料的分类2023/6/545按照环境材料的性质和功能分类：天然资源环境材料金属材料类环境材料无机非金属材料类环境材料高分子生态环境材料生态环境功能材料2023/6/546环境材料的研究目标:发展阶段目标主要内容治表末端治理治理现在的污染，改善生态环境治本始端治理预防污染，减少污染发生量回归环境协调所有过程和产品与生态环境相容1.3环境材料的研究目标和内容2023/6/547材料的经济、技术、生态环境协调研究材料工业的可持续发展要求三者达到综合平衡。材料的生命周期评价材料的生态设计

生态设计的宗旨是把生态环境意识贯穿或渗透于产品和生产工艺的设计之中。材料的清洁生产技术，

又称为零排放与零废弃加工技术。就我国目前状况来看，环境材料学的主要研究内容和方法：2023/6/548材料流和能流循环再生及相关技术由于资源和环境容量的有限性!未来的材料应当是可循环再生的。

传统材料的环境友好加工及制备技术

传统材料在现代国民经济中占有重要地位，处于大量生产#大量消费和大量废弃中。新型生态环境材料及相关技术

主要包括：环境修复和净化材料，自行恢复和修复，延长寿命的智能材料，超导材料，纳米技术和材料，仿生材料及无纸办公，无线微波输电，微型化技术等。2023/6/54921世纪的环境问题逐渐呈现以下新的特点：

环境问题全球化环境问题政治化环境问题综合化１.4研