材料科学与人类文明课件

材料科学与人类文明

第十章材料与环境的关系及环境材料材料科学与人类文明人类的环境环境(environment)，指周围所在的条件对生物学来说，指生物生活周围的气候、生态系统、周围群体和其他种群对文学、历史和社会科学来说，指具体的人生活周围的情况和条件对建筑学来说，指室内条件和建筑物周围的景观条件对企业和管理学来说，指社会和心理的条件，如工作环境等对热力学来说，指向所研究的系统提供热或吸收热的周围所有物体从环境保护角度，环境是人类的家园地球《中华人民共和国环境保护法》，从法学角度对环境概念进行阐述“环境是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、目然遗迹，人文遗迹、风景名胜区、自然保护区、城市和乡村等”人类的环境环境(environment)，指周围所在的条件从人类的环境亦称地理环境，指人类周围的自然界，是人类赖以生存和发展的物质基础包括大气、水、土壤、生物和各种矿物资源等在自然地理学上，分为大气圈、水圈、生物圈、土圈(岩石圈)等自然环境(naturalenvironment)原生环境(primitiveenvironment)天然的、未受人为活动影响，或影响较少的自然环境生物地球化学性疾病某些地区原生环境的水、土壤中某些元素含量过多或过少，导致居民体内这些元素过多或过少，产生疾病次生环境(secondaryenvironment)在人类活动的影响下发生重大变化的自然环境这种变化可产生有利或有害的影响社会环境(societalenvironment)在自然环境基础上，人类为不断提高生活水平，通过长期有计划、有目的的发展，逐步创立起来的人工环境，如城市、农村、工矿区等人类的环境亦称地理环境，指人类周围的自然界，是人类赖以生存和人类活动对自然环境的影响

原始人类，从事狩猎和采集食物人类和其他动物一样，在生态系统中占一席位置人类会使用工具，节约食物，用有限食物维持日益壮大的种群

畜牧业和农业阶段，创造了人工生态系统随人口数量增加，人工生态系统不断扩大，自然生态系统不断缩小，许多野生生物灭绝从开采矿石、使用化石燃料以来，人类活动侵入岩石圈工业革命以来，大规模开采矿石，破坏了自然界的元素平衡自20世纪后半叶，工农业蓬勃发展，大量开采水资源、化石燃料

向水体和大气中排放大量废水废气，大气圈和水圈质量恶化现在，人类活动已延伸到外层空间几千件垃圾废物，在外层空间围绕地球的轨道上运转人类的环境人类活动对自然环境的影响

人类的环境生物圈(biosphere)指地球上出现并感受到生命活动影响的地区。海平面以下约12公里~海平面以上约10公里在自然环境中，和人类生活关系最密切的是生物圈是地表有机体(包括微生物)及其自下而上环境的总称是人类诞生和生存的空间是行星地球特有圈层地球上最大的生态系统人类的环境生物圈外层热层中间层平流层对流层水圈土壤圈硅铝层硅镁层地幔外核内核大气圈地壳生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是由生命物质与非生命物质构成的自我调节系统其形成，是生物界与水圈、大气圈、岩石圈(土圈)长期作用的结果生物圈存在的基本条件是可获得来自太阳的充足光能存大量液态水(可被生物利用)有适合生命活动的温度条件有生命所需的营养元素，如O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe、S生物圈(biosphere)指地球上出现并感受到生命活动影人类活动对生物圈的影响人在生物圈中占统治地位，能大规模改变生物圈，使其为人类服务然而，人类毕竟是生物圈中一员，必需依赖生物圈提供一切生活资料人类对生物圈的改造应有一定限度；过度就会破坏生物圈的动态平衡人类出现后约300万年间，人类与周围生物和环境处于合理的平衡之中约1万年前，人类学会栽培，不再局限于采集食品，而能够从事更多的创造性活动随生产力提高，人口逐渐增加并向城市集中，手工业日益发展，人类活动对环境的影响和冲击日益增加产业革命后，开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等规模迅速扩大，生物圈发生极大变化20世纪60年代来，人口膨胀、世界资源相对短缺、大范围环境污染，迫使人类从生物圈的角度考虑问题和解决问题人类的环境人类活动对生物圈的影响人在生物圈中占统治地位，能大规模改变生由近及远、由小到大，可分为聚落环境、地理环境、地质环境、星际环境聚落环境，是人类利用和改造自然环境而创造出来的生存环境，与人类生产和生活的关系最密切在聚落环境中，人工环境因素占主导地位人类的聚落环境，从自然界中的穴居和散居，直到形成密集栖息地乡村和城市人类的环境人类的环境地理环境，下起土壤圈，上至对流层顶，厚约10~20km，其范围大致与水圈、生物圈相当直接影响到人类衣、食、住、行地质环境，指地表以下的坚硬地壳层(岩石圈)，含岩石及其风化产物-浮土岩石是地球表面的固体部分，平均厚度约30Km浮土是包括土壤和岩石碎屑组成的松散覆盖层，厚为几十米至几公里宇宙环境(星际环境)，指大气圈以外的宇宙空间环境太阳辐射能，为地球上人类生存提供主要的能量太阳辐射能量的变化、对地球的引力作用，会影响地球的地理环境(降水量、潮汐、风暴和海啸)人类活动已经延伸到大气层以外的空间，飞行器本身失效和遗弃的废物，将给宇宙环境带来新问题人口过度集中、人类对自然资源和能源超负荷索取，聚落环境乃至周围生态环境受到巨大压力，造成局部、区域、以至全球性的环境污染地理环境为人类提供生活资料，即可再生资源地质环境为人类提供生产资料，即难以再生的矿产资源外层热层中间层平流层对流层水圈土壤圈硅铝层硅镁层地幔外核内核由近及远、由小到大，可分为聚落环境、地理环境、地质环境、星际人类与环境的关系人与环境物质的统一性人与环境之间不断进行物质和能量交换人体元素组成及含量，与地壳和海水中的分布丰度明显相关人对环境的适应性人体生理生化调节，与环境因素保持动态平衡如海拔4000m以上青藏高原，人体会加速制造血红蛋白以获得更多氧气

血红蛋白的过度生产会导致血液黏稠，进一步造成慢性高原疾病人类与环境的关系人与环境物质的统一性生态系统(ecosystem)

生物群落与无机环境构成的物质、能量和信息的统一整体生态平衡生态系统各个环节的质和量相对稳定、相互适应，形成一种动态平衡人类与环境的关系大量燃料燃烧森林砍伐CO2增多，温室效应物种减少生态系统的破坏全球气候变暖：海平面上升，各种疾病发病率增多臭氧层破坏：皮肤癌、白内障增多酸雨：人呼吸道疾病增加，肺功能下降生物多样性锐减：物种灭绝速度加快，人类固有生活方式、生存面临严峻挑战生态系统(ecosystem)生物群落与无机环境构成的物质环境污染(environmentalpollution)大量有害物排入环境，破坏生态平衡、影响人体健康，造成资源破坏和经济损失公害(publicnuisance)人为造成的广泛的环境污染，严重危害居民健康、破坏生态人类与环境的关系包括大气污染、水体污染、固体废弃物污染、噪声污染等近年来，电磁波污染、光污染已引起人们的重视重金属污染对生态系统造成的累积效应等问题受到关注环境污染物及来源

自然污染来源

人为污染来源生产性污染工业生产三废、农业农药、化肥滥用等生活性污染垃圾、污水、粪便，室内空气污染(燃烧产物、烹调油烟、香烟烟雾、装饰材料的挥发性有机物、建筑材料中的氡及空调场所的微生物等)其他污染交通运输、电磁辐射波、放射性废气物等环境污染(environmentalpollution)广泛性污染影响范围大，人口多，对象广泛长期性可长时间作用于人群，甚至终生多样性特异性的、非特异性的局部的、全身的急性的、慢性的近期的、远期的复杂性各种因素的联合作用环境污染对健康的影响人类与环境的关系广泛性污染影响范围大，人口多，对象广泛长期性可长时间作用于人材料生产、使用、废弃，是将一种大量资源提取出来，又将大量废弃物排回自然环境的循环过程人类在创造社会文明的同时，也在不断破坏人类赖以生存的环境空间传统材料追求良好的使用性能，不重视材料生产、使用、废弃所消耗的能源和资源、所造成的环境污染1979，美国材料科学与工程调查委员会定义“材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与用途之间的有关知识的开发和应用的科学”传统的材料四要素体系，没有考虑材料的环境协调性问题。或者说，环境协调性在当时不突出传统材料材料生产、使用、废弃，是将一种大量资源提取出来，又将大量废弃当今使用的材料中，金属占主导地位2000，世界钢产量8.43亿吨

我国1.28亿吨，居世界第1位世界5500万吨/年铝、铜、锌、铅、镍、镁、钛、锡、锑、汞等10种常用有色金属我国775万吨，居世界第2位有色金属以非常分散的形式存在于地球上，原矿品位普遍很低在采、选、冶、加工过程中，消耗大量资源、能源、药品

排放出大量有害气体、液体、固体地球上最丰富的铜矿，含铜量仅3%世界年产1100万吨铜，须使用大量化学药品，消耗极大能量，扔掉近10亿吨废矿土传统材料金属材料1996，我国10种有色金属产量523万吨消耗能源3102万吨标煤排放废水2.71亿吨(世界平均水平的5倍)

SO257.42万吨固体废弃物7310万吨氟化物6278吨粉尘8.2万吨1996，世界有色金属产业排放工业废水4.96亿吨工业废气7180亿标m3固体废物6亿万吨是高消耗、重污染行业当今使用的材料中，金属占主导地位传统材料金属材料1996，我生产量和使用量最大，在国民经济和高新技术领域占有重要地位主要是指大宗无机建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷与建筑(墙体)材料等，其产量占无机非金属材料的绝大多数在制备过程中，一般要经过高温过程，是能源消耗大户水泥工业，消耗标煤9106万吨/年，电力650亿度/年中国水泥生产能耗>>世界先进水平，世界先进水平为117Kg标煤，中国为173.5Kg标煤环境污染严重水泥工业，排放温室气体CO2约5.55亿吨/年、SO268.6万吨/年、NOx约206万吨/年粉尘排放，先进国家<1Kg/吨熟料，我国为13Kg

全国水泥生产排放粉尘>1000万吨/年无机非金属材料传统材料生产量和使用量最大，在国民经济和高新技术领域占有重要地位无机从上世纪60年代，塑料进入广泛应用阶段塑料有很多优点，一问世便深受欢迎，迅速渗入到社会生活的方方面面，创造了巨大的社会和经济效益塑料被列为20世纪最伟大的发明之一，被誉为白色革命随着塑料产量不断增大，成本越来越低，大量农用薄膜、包装袋、一次性塑料餐具被抛弃在环境中，给环境带来巨大破坏世界塑料废弃物约占其产量的60~70%橡胶废弃物约占其产量的40%我国，橡/塑废弃物共计约700万吨/年塑料包装物大多呈白色，所造成的环境污染被称为白色污染高分子材料传统材料70%以上高分子原材料来源于石油以生产1kg高分子材料平均消耗3升石油计，700万吨/年高分子废弃物，意味着浪费21亿升石油/年从上世纪60年代，塑料进入广泛应用阶段随着塑料产量不断增大，视觉污染，指塑料废弃物散落于环境，影响环境美感，给视觉带来不良刺激潜在危害是多方面的一次性发泡塑料饭盒和塑料袋盛装食物，严重影响身体健康地膜使土壤环境恶化，影响农作物的生长残膜中的某些有毒添加剂，会通过土壤富集于蔬菜、粮食、动物体废塑料直接焚烧，排放各种有毒物质，给环境造成严重的二次污染填埋是我国处理城市垃圾的主要方法塑料密度小、体积大，很快填满场地，降低填埋场处理垃圾的能力填埋后，地基松软，垃圾中的细菌、病毒等有害物质易渗入地下，污染地下水，危及周围环境白色污染存在的2种危害：视觉污染和潜在危害高分子材料白色污染传统材料高分子化学稳定性好，难以分解，日积月累，会污染环境、危害生态视觉污染，指塑料废弃物散落于环境，影响环境美感，给视觉带来不20世纪90年代，在可持续发展理论和应用推动下，出现环境材料(Ecomatarial)要深刻认识到自然资源的有限性，既要追求良好的使用性能，又要尽可能降低废弃物排放量，在材料提取、制备、使用，直到废弃与再生的整个过程中，尽可能减少对环境的影响生态环境材料同时具有满意的使用性能、优良的环境协调性对资源和能源消耗少、对生态和环境污染小、再生利用率高，或可降解化和可循环利用从材料制造、使用、废弃，直至再生利用，整个寿命周期必须具有环境协调性生态环境材料赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性环境材料内涵材料的环境协调性评价生态环境材料的设计材料制备加工中的环境协调性技术，如零排放、零废弃加工技术材料使用过程中的环境协调性技术，如制备环境协调性制品设计思路在追求优异使用性能的基础上，充分考虑资源有限性，尽可能降低环境负担，使材料具有再生、循环利用的特性在保证良好的使用功能的前提下，其生产、使用、回收过程对资源的利用率高，且在上面的三个过程中对生态环境无副作用20世纪90年代，在可持续发展理论和应用推动下，出现环境材料再生利用型材料，包括可再生的可降解塑料，在家电中可回收利用的电路基板，在生产/使

用过程中污染较少且能够回收再生的纸张等可降解材料，天然高分子材料等，能经自然界微生物分解或者能够自动降解具有净化环境/防止污染功能的材料，如不释放有害气体的墙体材料，高吸油性树脂替代传统有污染的材料，如冰箱内的全无氟制冷剂洁净能源材料，如燃料电池中的储氢材料环境材料分类特点①先进性：能为人类开拓更广阔的活动范围发挥优异性能在这一点上，环境材料与传统材料是相同的②环境协调性(优先目标)：材料及技术具备环境协调性能够减轻地球环境负担，使枯竭性资源可循环利用减少生产环节中资源、能源消耗，减少温室效应气体，废弃后易于再生循环③舒适性：使人类生活环境更加舒适，人们乐于接受和使用再生利用型材料，包括可再生的可降解塑料，在家电中可回收利用的在整个寿命周期中，产品对环境带来的负荷小、枯竭性资源再生循环利用率高、易于拆卸和分解在设计上，有以下特点净化环境、防止污染、有害物的替代无公害生产、废物量减少易拆卸、再资源化、可再次使用、可再生循环耐久性自然能源的利用、节能、省资源、节水可土肥化、可分解环境材料环境协调型产品评估方法

包括材料的环境协调性评估(材料的环境平衡、再生率的评估及表示方法等)、材料和产品的再生设计分为４部份资源耗费(成本、寿命、所耗资源在地球上的储量等)制造阶段(对环境的污染程度、耗能情况)使用阶段(产品对环境的污染程度、替代产品的可能性、产品寿命)废弃、回收、再生利用阶段(废弃后的社会危害性、资源再生化的难易程度、可拆卸性、可分解性等)在整个寿命周期中，产品对环境带来的负荷小、枯竭性资源再生循环发展简史原始生态材料时期(原始生态模式)以天然资源为材料，很少有意识地改造自然，基本不危害自然生态系统准原始生态材料时期(农业时代)对自然资源进行粗浅加工，出现制陶业、冶金业。生产规模不大，生态系统整体仍可长期维持环境材料非生态材料时期(工业文明时代)18世纪初，人口迅速发展，大量开采资源，大规模生产、大量使用和消费材料，大量排放“三废”20世纪50年代，能源消耗从世纪初10亿吨煤当量，猛增到25亿吨煤当量，石油消费量增至5亿多吨环境污染日趋严重，但主要出现在发达国家资源、能源流动限于局部地区，污染来源尚不复杂20世纪80年代后，资源、能源呈世界性流动，出现全球性“温室效应”、臭氧层破坏和酸雨，污染源分布广、来源复杂生态环境的破坏，威胁到全人类的生存和发展

地球所能提供的能源和资源、所能容纳的环境污染物、所能供养的人口是有限的，无限增长方式将导致自然生态系统崩溃材料的大量生产、消费、废弃与自然生态系统出现尖锐的矛盾发展简史原始生态材料时期(原始生态模式)以天然资源为材料，生态材料时期(后工业化社会)材料持续发展的出路，在于材料的“社会、经济、自然生态效益”的统一人类不能无视客观的自然规律，随意处理自然人类社会是整个生态系统中的一个子系统，其活动一方面破坏大自然中旧的平衡，另一方面又建立有益于人类的新的平衡人类活动对生态系统的冲击和干扰，应限制在其再生循环能力和自净能力的合理限度内建立生态系统使材料循环对外部支持系统有较小的破坏作用使传统材料工业转变成生态材料工业发展简史环境材料生态材料时期(后工业化社会)材料持续发展的出路，在材料的生态设计、可循环再生设计、产品可拆卸设计。设计阶段，就综合考虑材料整个生命周期减少原料使用量尽可能使用可再生原料尽可能使用再生原料生产和使用过程能耗较低使用后易于回收、再利用使用安全、寿命长材料的清洁生产。将环境策略贯彻于生产中节约原材料和能源不使用有毒原材料使用再生原料尽可能减少生产排放物尽可能减少废弃物的数量和毒性生态材料物质流和能流循环再生及相关技术开路技术以可再生资源为主，如生物合成、天然材料复合技术闭路技术以不可再生资源为主，包括可再生材料设计，回收技术，代用技术环境材料对策环境材料材料的生态设计、可循环再生设计、产品可拆卸设计。设计阶段，就传统材料的生态化及其相关技术提高材料寿命。材料寿命决定资源使用量、废弃物排放量，与固体废弃物总量成反比使用循环再生材料。由回收材料加工成最终产品，或构成产品的一部分环境材料对策环境材料“1Z4R”技术生产过程无三废排放技术(zero-emission)使用易后处理的代用材料技术(refine)

减少材料生命周期各阶段排放废弃物的技术(reduce)材料废弃物能够有效利用的技术(recycle)材料能够再生重新使用的技术(reuse)钢铁产业。直接还原铁工艺，只用铁矿石、煤和石灰石3种物料省去高炉炼铁工艺的烧结、焦化工序，缩短炼铁工艺流程降低生产中的环境负荷水泥工业。利用可燃废料(包括废轮胎、废塑料)替代部分煤来煅烧熟料显著降低生产能耗防治污染、保护环境掺加以工业废渣为主的活性细料，使材料发挥高性能优势，减少水泥和混凝土用量传统材料的生态化及其相关技术环境材料对策环境材料“1新型生态材料及其相关技术。包括可循环再生以外的降低环境负载的材料和技术环境修复和净化材料智能材料，根据环境和使用条件变化，自我调整，自行修复，延长寿命超导材料，节省大量资源和能源纳米材料和技术，精确控制原子或分子，不产生废物和副产品，实现产品高强度、长寿命仿生材料，从天然材料寻求启迪，模拟制造新型生态材料环境材料对策环境材料新型生态材料及其相关技术。包括可循环再生以外的降低环境负载的许多天然材料(天然无机矿物、天然生物资源高分子)

具有极好的环境协调性天然矿物环境材料的功能包括防治污染、修复环境环境净化(杀菌、消毒、分离等)环境替代(如替代环境负荷大的材料等)等环境功能体现在矿物表面吸附性、孔道过滤性、层间离子交换作用、热效脱硫除尘作用天然高分子是地球上最丰富的可再生资源之一，最显著的特点是生物可降解性自然环境中降解，进入良性循环，微生物使其结构、形态破坏，最终分解为水、CO2和其它小分子环境材料对策环境材料采用天然材料改性的新型环境功能材料、以废治废和资源化技术，来解决资源短缺及环境污染难题用沸石分子筛、硅胶、泡沫陶瓷等作为活性吸附剂来治理大气污染用污水过滤材料、沸石及吸附树脂、离子交换树脂来治理污水用黏土、铁矿石等天然矿物材料来吸附剂水中重金属用黏土矿物治理土壤中重金属污染用多孔材料、隔声材料及消声器实现噪声污染控制用电子屏蔽材料治理电磁污染许多天然材料(天然无机矿物、天然生物资源高分子)具有极好的废物循环再利用“废物循环再利用”，又称“资源综合利用”，主要包括：矿产资源开采过程中，对共生、伴生矿，进行综合开发与合理利用对生产过程所产生的废渣、废水(液)、废气、余热、余压等，进行回收和合理利用对社会生产和消费过程中产生的各种废旧物资，进行回收和再生利用对城市垃圾、农林水产废弃物等，进行综合利用环境材料对策环境材料是实现资源永续利用的重要措施可减少对原生资源的开采，提高资源综合利用水平节约大量资源，推动经济增长方式由粗放型向集约型转变是治理污染、改善环境的必然要求我国垃圾累计量达60多亿吨，占用土地5亿m3，对土壤、地下水、大气造成现实和潜在的污染相当严重；推进再生资源的回收利用，是治理污染的重要措施人们对城市环境质量的要求越来越高，加大环境污染综合治理的力度，为资源回收利用的发展创造有利的条件和良好的社会环境再生资源回收利用废物循环再利用“废物循环再利用”，又称“资源综合利用”，主要废钢铁3500多万吨，

回收率88%废有色金属175万吨，

回收率80%废塑料300~400万吨，回收率15~20%废橡胶40多万吨(不含废轮胎)，回收率47%废纸浆1200万吨，占国内纸浆总产量的41%利用废纸1500万吨(含进口370万吨)煤矸石综合利用量6600万吨，利用率43%粉煤灰综合利用量7000万吨，利用率58%近十年来，全国公用火电厂粉煤灰综合利用量累计达2.5亿吨，相当于节约土地4万亩，节约灰场建设投资和运行费用30亿元人民币新型墙体砖产量达2100亿块，占墙体材料砖总量的28%，实心粘土砖由1995年6300亿块减少到2000年5400亿块，累计节能6000万吨标准煤，利用废渣2亿吨，节约土地近40万亩2000，全国5大类废旧物资年回收量分别为：环境材料对策环境材料中国资源综合利用产业现状煤灰化身环保轻质砖废钢铁3500多万吨，回收率88%2000，全国5大类对资源综合利用的重要性和迫切性，还缺乏足够的认识“资源意识”有待加强法规不完善某些地区难以落实资源综合利用的优惠政策资源回收率低，不易回收利用的再生资源丢弃现象严重年约500万吨废钢铁、20万吨废有色金