生态环境材料第三章

生态环境材料第三章第一页，共五十页，编辑于2023年，星期三1、质量判据：材料的质量则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据。由于性能或功能是所有材料的共同要求,有时将质量判据简称为性能判据。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。利用资源判据一方面要大力开发材料再生循环设计技术,尽量减少资源消耗,延缓资源枯竭速度和进度,另一方面还需研究材料的分离技术,

提高材料的再生循环能力。第二页，共五十页，编辑于2023年，星期三

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、用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、排放和处置,遵守国际和国家的环境保护法令。第三页，共五十页，编辑于2023年，星期三表3-1各种材料的力学性能和能耗

注

:表中σb′=P′/σb,G′=P′/G,σ-1′=P′/σ-1

材料力学性能/MPa能耗(P)/kW·h·kg-1能耗(P′)/kW·h·m-3单位体积m3及单位强度MPa的能耗kW·hσbGσ-1

σb’

G’

σ-1’

铸铁件400450001504.0～16.029.2～116.873～2920.65～2.60194～776EN1易切削钢3607700019316.0125.6348.91.63650.7EN24NiCrMo钢10007700049516.0125.3125.31.63253.1304不锈钢板5108600025032.0252.8495.72.941011.260Cu/40Zn板4003730014027.6230.7564.36.051612.1铝

板300260009081.0218.7729.08.412430.0杜拉铝板5002600018081.0218.7437.48.411215.0镁合金棒19017500950115.0195.51028.911.172057.96Al-4V钛棒96045000450200884.0920.819.641964.4尼龙66A-100棒8628502045.051.3596.518.002565.0PVC(R)板50168012.527.538.572022.923080.0钢筋水泥梁3810000233.157.56198.90.76328.7玻璃10030000--3.308.2582.50.28--硬木材14450060.50.3625.70.0860.0软木材5200030.50.2856.00.1493.3第四页，共五十页，编辑于2023年，星期三二、常见的环境指标及其表达方法1、能源评价法：在材料的生产过程中,单纯用所耗能源的多少来衡量材料对环境的影响。举例来说,如生产同样1t重的钢、铝、水泥材料时,分别要消耗掉31.8、36.7、142.4百万焦耳的能量,显然生产水泥对环境影响要比生产钢、铝时对环境影响要大。2、环境影响因子评价法(environmentalassessmentfactorEAF)：将在生产某种产品时对环境影响各种因素给以综合考虑的方法,

EAF=F[资源、能源、污染物、生物影响、区域作用……]第五页，共五十页，编辑于2023年，星期三3、环境负荷单位法(environmentalloadunit,ELU)：指每生产一个单位的产品时(如1kg),它的EAF值的大小。表

3－2某些材料的环境负荷单位比较材料ELU/kg材料ELU/kg铁O.38锡4200锰21.0钴12300铬22.1铂42000000钒42铑42000000铅363石油0.163镍700煤0.1钼4200

第六页，共五十页，编辑于2023年，星期三4、生态指数（eco-point，EP）：指对某一过程或产品,根据其污染物产生的量及其他环境作用的大小,综合计算出该产品或过程的生态指数,判断其对环境影响程度,如依据此种方法求算的玻璃生态指数为148,而在同样条件下,聚乙烯的生态指数为220,显然后者要比前者环境影响要大许多。5、环境商值(EQ)：环境商值是综合考虑废弃物的排放量和废弃物在环境中的毒性行为,用以评价各种生产对环境的影响。EQ值越大,废弃物对环境污染越严重。

EQ=E×Q,式中:E为每生产1kg期望产品的同时产生的废物量,E=废物量/产品质量；Q为废物对环境的毒性。第七页，共五十页，编辑于2023年，星期三6、生态因子法(eco-indicator，ECOI)：主要考虑材料生产时对环境影响的影响量（environmentalimpact,EI）与材料在使用过程中的使用或服务性能（serviceperformance,SP）。

ECOI=（EI）/(SP)对环境的影响包括资源消耗、能源消耗、排放的污染物(如废水、废气、废渣等)加上由污染物所引发的一些环境效应,如温室效应、区域毒性水平,甚至噪声等因素；材料的使用性能包括强度、韧性、热膨胀性、电导率、电极电位等力学、物理和化学性能等。

7、生命周期评价法(LCA)：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。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。第八页，共五十页，编辑于2023年，星期三矿物开采、原材料加工和冶炼、材料半成品加工、产品生产使用等各个环节都会向我们居住的地球或大气层排放污染物。第九页，共五十页，编辑于2023年，星期三第二节LCA方法的起源与概念一、LCA的起源

LCA起源于20世纪60年代化学工程中应用的“物质－能量流平衡方法”，对产品生产和使用过程中的物质或能量的使用和消耗进行平衡计算。到20世纪80年代，欧美从事工艺研究和环境评价的一些大学和顾问公司研究并发展了这一方法，把“物质－能量流平衡方法”引入到工业产品整个寿命周期分析中，以分析工艺过程的各个环节，即从原材料提取、制造、运输与分发、使用、循环回收，直至废弃的整个过程对环境的综合影响。该分析方法也被称谓“从摇篮到坟墓”(fromcradletograve)的生命周期评价技术。第十页，共五十页，编辑于2023年，星期三

生命周期的概念，在不同的研究机构和企业中使用了不同的名称，例如，环境设计（designfortheenvironment）、环境意识设计与制造(environmentallyconsciousdesignandmanufacturing)、绿色设计(greendesign)、寿命全程没计(lifecycledesign)、产品责任意识(productresponsibility)、环境质量设计(environmentalquality)、产品完整性设计(productintegrity)等等。

第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三

LCA作为正式的环境评价术语是由国际环境毒理和化学学会(SocietyofEnvironmentaltoxicologyandChemistry,SETAC)在1990年8月提出的，并且给出了LCA的三要素，为LCA构筑了基本框架。其后,国际标准化组织(InternationalStandardizationOrganization,ISO)开展了大量的研究工作，将LCA方法在全世畀范围内进行了标准化的推广。二、LCA的基本概念

所谓生命周期(lifecycle)：又称为生命循环或寿命周期,是指产品从自然中来再回到自然中去的全部过程,即从“摇篮到坟墓”(fromcradletograve)的整个生命周期各阶段的总和,具体包括从自然中获取最初的资源、能源,经过开采、原材料加工、产品生产、包装运输、产品销售、产品使用、再使用以及产品废弃处置等过程,从而构成了一个完整的物质转化的生命周期。第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三图3－1材料从摇篮到坟墓的一般流程

生命周期评价(LifeCycleAssessment,LCA)方法又称为环境协调性评价、生命周期评估、寿命周期评价等,

第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三SETAC的定义：LCA是通过确定和量化相关的能源、物质消耗、废弃物排放，来评价某一产品、过程或事件的环境负荷，并定量给出由于使用这些能源和材料对环境造成的影响；通过分析这些影响，寻找改善环境的机会；评价过程应包括该产品、过程或事件的寿命全程分析，包括从原材料的提取与加工、制造、运输和分发、使用、再使用、维持、循环回收、直至最终废弃在内的整个寿命循环过程。1993年。ISO的定义：LCA是对某一产品系统在整个寿命周期中的输入、和环境影响进行评价。这里的产品系统是指具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合，该产品系统既包括产品的生产过程，也包括服务过程。寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶段，从原材料的获得或天然资源的投入一直到最终产品的废弃为止。1997年。第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三SETAC给出的LCA的定义：LCAisaprocesstoevaluatetheenvironmentalburdensassociatedwithaproduct,process,oractivityby

identifyingandquantifyingenergyandmaterialsusedandwastesreleasedtotheenvironment;toassesstheimpactofthoseenergyandmaterialusesandreleasestotheenvironment;andtoidentifyandevaluateopportunitiestoaffectenvironmentalimprovements.Theassessmentincludestheentirelifecycleoftheproduct,process,oractivity,encompassingextractingandprocessingrawmaterials;manufacturing,transportationanddistribution;use,reuse,maintenance,recycleandfinaldisposal.第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三最近的关于LCA的定义:所谓生命周期评价技术是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。具体地说，LCA是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗、废物排放、环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。

生命全程评价法是评价材料的环境负荷的一种主要方法。其优点在于环节概念清楚,且将材料的生命过程作为一个整体进行分类研究。第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三原料获得材料制造与加工产品生产使用流通消费废弃再生循环投入排出原料能源作用,有用的产品排往大气排往水中排往其他环境固态废弃物在整个寿命周期中物质和能量的平衡情況第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三第三节LCA的方法学框架及评价过程图3－2SETAC三角形模型图3－3LCA的评估过程及技术框架一、LCA的方法学框架第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三制造商批发商用户回收组织适当的处理原材料材料零件废弃物设计者LCA用于材料的设计、生产与循环再生第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三二、评价过程

一个产品完整的生命周期评价的实施方案可归纳为如下流程: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：

(goalandscopedefinition)，LCA评价目标主要包括界定评价对象、实施LCA评价的原因，以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。第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期三范围定义: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，由于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:确定了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。第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三数据:指在LCA评价过程中用到的所有定性和定量的数值或信息，这些数据可能来自测量到的环境数据，也可以是中间的处理结果。数据要求包括说明数据的来源、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。

第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三表3－4LCA编目示意表输入项目标和范围定义输出项水木材煤石油及天然气矿产资源金属矿产其他能源生态系统

原料开采制造、加工和成型分配、运输使用、再使用、维修回收废弃物处理温室气体效应酸雨有机挥发物臭氧层破坏大气污染物水污染物废渣排放固体有害废物光、声、电磁波污染清单分析中包含的几个过程或步骤：(1)系统和系统边界定义(2)系统内部流程

(3)编目数据的收集与处理第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三图3-4聚乙烯塑料饮料瓶的主要生产流程清单分析中要注意处理好以下3类问题:（1）分配问题：当从系统中得到多个产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,就产生了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。尽管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。第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三

（2）能源问题:在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。第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三3、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。其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。

目前环境影响分析评价的方法有许多种,基本上包含4个步骤：即分类、表征、归一化和评价,第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三图3－5环境影响评价示意图第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三(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3类,即资源消耗、人体健康影响和生态环境影响。然后进一步细化为全球变暖、酸雨破坏作用、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。

第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三表3－5常用表征指标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（2）表征表征：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,这时就要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。通常在表征中都用计算“当量”的方法。第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三(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。这一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,应该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。第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期三4、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,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。第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三第四节LCA评价方法与应用实例一、LCA评价方法

1、输入输出法

输入输出法是在评价中仅考虑系统的输入输出量,定量计算出该系统对环境所产生的影响。系统的输入量主要包括整个过程完成所需要的能源和资源消耗量,如煤、石油、天然气、电力及原料的投入等。系统的输出包括有效产品,该系统在生产和使用过程中产生的废弃物排放量和系统完成过程中对生态环境产生的对人体健康影响、温室气体排放、区域毒性作用以及光、磁污染的影响。图3－6材料生产和使用过程的LCA评价输入输出法框架图第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三二、评价应用实例1、建筑瓷砖的环境影响评价

图3-7某瓷砖生产工艺示意图图3-8某瓷砖生产线的输入输出法评价模型该瓷砖生产线的年产量为30万m2，所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等，消耗一定的燃料、电力和水，排放出一定的废气、废水、废渣等。

第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三

目标定义：对该瓷砖生产过程的环境影响评价的目标定义为只考察其生产过程对环境的影响；

范围界定:直接原料消耗和直接废物排放，不考虑原料的生产加工过程以及废水、废渣的再处理过程。对该瓷砖生产过程的环境影响LCA评价的编目分析，主要按资源和能源消耗、各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗则按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废水、废渣等进行编目分析。由于该生产过程排放的有害废气量很小，主要是二氧化碳，故废气排放量可以忽略，而以温室效应指标进行数据编目。另外，在该瓷砖生产过程中其他环境影响指标如人体健康、区域毒性、噪声等也很小，因此在编目分析中也忽略不计。第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三图3-9某瓷砖生产过程的环境影响LCA评价结果

生产1m2瓷砖要向大气中排放19.8kg二氧化碳，对LCA评价结果的解释，通过对该瓷砖生产过程的LCA评价，提出的改进工艺主要有降低能耗、降低废水排放量、减少温室气体效应影响等。

环境影响评价结果

LCA评价结果的解释第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期三2、聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价

图3-11某防水涂料生产工艺示意图图3-11某防水涂料生产过程输入输出法评价模型第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期三

目标定义:为该防水涂料的生产过程对环境的影响，不考虑涂料的施工及使用对环境及人体健康的影响；

范围定义:在直接原料消耗和直接废物排放以及其他因素对环境的直接影响，不考虑原料的生产加工过程及废水、废渣的再处理过程。

编目分析：主要按资源和能源消耗，各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗按原料配比进行数据分类；污染物排放按废气、废渣等进行编目分析。由于是生产涂料的工艺过程，生产中排放大量的有机废气。除二氧化碳以温室效应指标进行数据编目外，还用区域毒性和挥发性有机物来评价有害气体排放对环境和人体健康的影响。相对而言，涂料生产过程中的废水排放量很小，可以忽略。另外，在该生产过程中噪声等影响因素也很小，因此在编目分析中也可忽略不计。第三十七页，共五十页，编辑于2023年，星期三图3-12某防水涂料生产过程的环境影响LCA评价结果

对LCA评价结果的解释：通过对该涂料生产过程的LCA评价，提出的改进工艺主要有提高资源效率、降低能耗、降低总有害物的排放量及减少温室气体效应影响等。环境影响评价结果

第三十八页，共五十页，编辑于2023年，星期三3、火力发电厂锅炉用材料的评价

表3－6超高临界压力火力发电锅炉用材料的评价项

目蒸汽温度/℃发电效率/%燃料消耗量/(kt/a)锅炉材料材料用量/t制造材料CO2排放量/(kt/a)CO2的总排放量/(kt/a)传统型发电538381749Cr-Mo钢Cr-MoV钢327038300925352超高临界压力发电650411621SUS304A2865559919204304960差值+112+3-128

+338-392第三十九页，共五十页，编辑于2023年，星期三4、包装材料

图3－14HDPE洗衣粉包装桶的生产使用全过程示意图第四十页，共五十页，编辑于2023年，星期三表3－8HEPE洗衣粉包装桶的LCA编目分析结果

过

程大气污染物水污染物固体废弃物能耗kg%kg%m3%MJ%原油开采8.3121.111.5435.320.0030.11707.572.50加工28.4272.212.5458.260.1023.7326343.3493.10运输2.135.41O.235.28001000.653.54废弃0.501.270.051.152.62896.19242.830.86合计39.361004.361002.73210028294.39100纸包装12.762.360.26610955.78纸包装HDPE0.320.540.100.39第四十一页，共五十页，编辑于2023年，星期三环境负荷45*钢>QT600-3A>ZG310-5705、不同材料比较

第四十二页，共五十页，编辑于2023年，星期三能耗、排放物等投入、产出量单位塑料高密度聚乙烯聚丙烯氯乙烯树脂聚乙苯烯发泡体能耗MJ16.9418.4711.8832.68自然资源消耗原油kg1.161.260.461.26水kg9.503.101.7610.4其他g4.75.915.1大气污染物煤灰g2.02.05.4CO2kg0.91.11.21.9SOXg6.011.06.6148.9NOXg10.010.01.045.7碳氢化合物g21.013.0Negl23.4其他g0.60.72.5水质污染物BODmg10060128CODmg2004002873悬浮粒子g2.11.94.1固态废弃物淤渣、灰、其他产物g5.05.04.3废弃物g27.026.021.91Kg塑料LCA调查数据第四十三页，共五十页，编辑于2023年，星期三能耗、排放物等投入、产出量单位购物袋备注高密度聚乙烯无漂白牛皮紙袋子尺寸长x宽x高cm27x13x4923x12x39容量相等每个袋子重量g6.8521.0能耗kcal9930(1449.7/g)126000(6000/g)含回收的焚化能自然资源消耗主要材料kg原油7.03(1.03/g)木材43.3(2.06/g)水kg20.6(3.0/g)2310(110/g)大气污染物质CO2kg28.1(4.1/g)49.9(2.38/g)SOXg38(5.55/g)126(6/g)NOXg13(1.9/g)204(9.7/g)碳氢化合物g144(21.0/g)-水质污染物BODg50(2.38/g)CODg5.36(0.78/g)130(6.19/g)固态废弃物灰kg0.2(0.001/g)淤渣等kg0.2(0.03/g)0.8(0.04/g)购物袋LCA调查数据（单位：每1000袋）第四十四页，共五十页，编辑于2023年，星期三第五节LCA方法的主要问题及其发展前景一、LCA方法的局限性与困难

1、LCA的局限性(1)应用范围的局限性：LCA诞生本身是为环境服务的,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