环境材料第三章 材料的环境影响评价

环境材料学广西大学环境学院王东波是环境科学与材料科学的交叉学科发展迅速培养看问题的观念、方法和意识环境材料是一种概念材料复习要点

参考书目1.山本良一，环境材料，化学工业出版社2.刘江龙，环境材料导论，冶金工业出版社3.段宁，清洁生产论文集，环境科学出版社4.李志东等，中国能源环境研究文集，环境科学出版社5.Mann，M.K.，生物质气化联合循环发电系统寿命周期评价，环境科学出版社6.冯玉杰，环境功能材料，化学工业出版社7.比尔劳森，建筑材料、能源与环境：朝向生态可持续发展，环境科学出版社8.左铁镛，聂祚仁，环境材料基础，科学出版社，20039.孙胜龙，环境材料，化学工业出版社，200210.肖定全，王洪涛，拯救地球——从环境材料说起，科学出版社，200211.翁端，环境材料学，清华大学出版社，200112.王天民，生态环境材料，天津大学出版社，2000概念的提出日本东京大学山本良一教授在1992年提出一个全新的研究领域“环境材料”Ecomaterials（EnvironmentalConsciousMaterials）或EcologicalMaterials1.1环境材料定义指具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料。定义与判别标准的性质概念或定义应当是确定的或不变的而判别环境材料的标准是随科学技术的进步而发展或变化材料不断更新，性能不断提高对材料的认识也在变化（发泡餐盒的使用？）

评价一种材料是否为环境材料，首先必须确定评价标准。

先进性：满足功能需求环境协调性（优先争取的目标）舒适性：经济性、可接受性1.2它研究什么内容？

研究材料对生态环境的作用及生态环境对这种作用的反应和行为；研究与材料生产、使用和废弃密切相关的环境问题

手段：定量评价材料寿命周期中（LifeCycleAssessment）的环境负荷，研究材料的环境问题或材料的环境负荷值及其特征。研究什么内容?目标：如何对材料和物质进行再利用和再生循环利用，从根本上解决资源日益短缺，大量废弃物所造成的生态环境日益恶化等问题。主要研究3个方面：基础研究、应用研究、评价系统基础研究材料的开发、应用、再生过程与生态环境相互作用和相互制约的关系的理论研究。a.人类的材料需求活动引起的生态环境的变化及规律；b.环境恶化对人类生存所需材料的质量和数量的影响；c.与环境协调并适应环境发展的材料开发、应用和再生理论；d.低环境负担的合金理论，无机材料理论和高分子材料理论；e.可循环性的材料自分解和分离理论；f.材料再生循环难易程度的热力学和动力学应用研究：

a.清洁的无污染的材料生产、加工和制造技术基础b.具有最低环境负担的材料工程新技术和新工艺c.可循环性的功能材料或结构材料的分解和分离技术基础d.废弃材料的综合再生技术基础e.现用材料中有害元素的替代技术f.自然资源中枯竭性金属元素的替代技术评价系统：包括使用性能和环境性能两方面的评价。a.生态环境与材料相互作用的度量标准和基准b.现有材料的合理性评价c.人类活动废弃的可再生资源的核算体系d.各种材料的环境负担的基础数据库e.“绿色标志”材料的评价体系、方法及其标准f.自然资源的容量评价和环境容量的评价主要研究课题：环境材料与产品的环境设计材料与生态环境的关系和相互作用材料与产品的再生循环设计及工艺技术材料的超长寿命化技术替代材料与替代工艺技术（如替代氟氯碳化物、石棉、铅基陶瓷的材料等）环境分解材料（生物降解塑料及树脂等）主要研究课题（续）环境净化材料（如废油固化剂、二氧化碳固化剂、用于分解氮氧化物和硫氧化物等有害气体的新型高效触媒材料）可再生材料，生态资源材料生态环境负担性低的工程技术废物再资源化技术材料中杂质的无害化技术与环境有关的先进材料（新型建筑材料、能源材料、汽车材料、陶瓷化木材等）材料及产品的环境影响的定量评估方法及其数据库发展趋势材料的环境性能将成为21世纪新材料的一个基本性能；在21世纪，结合ISO14000标准，用LCA方法评价材料产业的资源和能源消耗、三废排放等将成为一项常规的评价方法；结合资源保护、资源综合利用，对不可再生资源的替代和再生资源化研究将成为材料产业的一大热门；各种环境材料及绿色产品的开发将成为材料产业发展的一个主导方向。

研究环境材料应该注意的几个问题

在环境材料的定义中规定，材料的环境负荷相对较低，它是一个相对观点，是判定环境材料的标准时动态变化的根源所在。标准主要参照国家或国际的生产技术水平，即制定的环境污染标准和等级而制定。环境材料的研究从某种意义上讲是在材料的环境负荷、目前经济与材料的性能之间寻找合理的平衡点。第三章

材料的环境影响评价（LCA）

环境影响评价的概念环境影响评价，是指对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法与制度。——来自《中华人民共和国环境影响评价法》主要内容3.1常见的环境指标3.2材料的环境影响评价方法与标准3.3LCA的技术框架及评价过程3.4常用的LCA评价模型3.5LCA样例说明3.6.LCA的局限性3.7材料的环境性能数据库3.1常见环境指标1、能耗表3-1一些材料生产过程的能耗比较材料钢铝水泥能耗31.836.7142.43.1常见环境指标2、环境影响因子（Environmentalaffectfactor,EAF)EAF=[资源,能源,污染物,生物影响,区域性]3.1常见环境指标3环境负荷单位（Environmentalloadunit,ELU，无量纲)

表3-2环境负荷单位比较元素ELU/kgFe0.38Mn21.0Cr22.1煤0.1石油0.1683.1常见环境指标4、耽误服务的材料消耗（Materialsintensityperunitofservice,MIPS)5、生态指数(eco-point)例：玻璃148聚乙烯2206、生态因子（Eco-indicator，ECOI）ECOI=EI/SPEI-------材料的环境影响；SP------材料的使用性能。3.2材料的环境影响评价方法与标准1、LCA起源：最初始于70年代初美国开展的一系列针对包装品的分析、评价，当时称为资源与环境状况分析（REPA）。物质流+能量流从摇篮到坟墓国际环境毒理和化学学会+国际标准化组织北京大学环境学院 特征：(1)主要由工业企业发起，秘密进行，研究结果作为企业内部产品开发与管理的决策支持工具。如：可口可乐包装的研究结果，使得公司抛弃了过去长期使用的玻璃瓶，转而采用至今仍然使用的塑料瓶。而这项研究直到1976年4月才在《科学》（SCIENCE）杂志上发表了一篇文章。(2)大多数研究的对象是产品包装品。(3)采用能源分析方法。由于能源分析方法在当时已比较成熟，而且很多与产品有关的污染物排放显然与能源利用有关，因而能源分析方法被广泛地应用于(REPA)环境状况分析。方法日益成熟目前生命周期评价在方法论上还不十分成熟。ISO14040标准《生命周期评价——原则与框架》已于1997年颁布，相应的标准ISO14041《生命周期评价——目的与范围的确定和清单分析》，ISO14042《生命周期评价——生命周期影响评价》，ISO14043《生命周期评价——生命周期解释》也已正式公布。欧洲、美国、日本等国家和地区还制定了一些促进LCA的政策和法规，如“生态标志计划”、“生态管理与审计法规”、“包装及包装废物管理准则”等。这一阶段出现了大量LCA案例，如日本已完成数十种产品的LCA，丹麦用3年时间对10种产品类型进行了LCA等。1996年，国际上正式出版了有关LCA评价的专业刊物《国际生命周期评价学报》（Internationaljournaloflifecycleassessment），表明生命周期评价研究在国际上已占有很重要的位置。5.2.1.4LCA在中国的发展在中国，LCA研究起步较早，发展也非常迅速，已成为学术界关注的焦点和研究热点。。1999年，国家质量技术监督局发布等同于ISO14040的《生命周期评价——原则与框架》国家标准（GB／T24040），2000年发布等同于IS314041的《生命周期评价——目的与范围的确定和清单分析》国家标准（GB／T24041）。2002年，又发布了分别等同于ISO14042和ISO14043的《生命周期评价——生命周期影响评价》国家标准（GB／T24042）与《生命周期评价——生命周期解释》国家标准（GB／T24043）。LCA在中国的发展在国内的LCA研究方面，材料生命周期评价（MLCA）的研究及应用是目前最主要的研究方向之一，也一直是环境材料研究中的重要组成部分。1998年起，国家“九五”高新技术研究计划（863计划）支持了首项“材料的环境协调性评价研究”课题，由北京工业大学牵头主持，重庆大学、北京航空航天大学、清华大学、西安交通大学和四川大学等联合承担，与国内一些主要材料企业合作，对国内几大类主要基础材料进行了全面的MLCA评估。该项目对我国钢铁、水泥、铝、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等7类典型的量大面广的代表性材料进行了生命周期评价研究，初步获得了以上代表性材料的环境负荷基础数据。在大量系统工作的基础上，总结了材料环境负荷分析的方法，创新地提出了上述典型材料生命周期评价的新方案和定量方法，构建和设计了材料的环境负荷基础数据库框架，并自主开发了数据库管理软件和材料的生命周期评价软件。3.2材料的环境影响评价方法与标准2、定义：生命周期评价技术（LifeCycleAssessment，缩写为LCA），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。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。3.2材料的环境影响评价方法与标准国际环境毒物学与化学学会（SETAC）定义：通过对能源、原材料消耗及废物排放的鉴定及定量化来评估一个产品、过程或活动对环境带来的负担的客观方法。联合国环境规划署的定义：生命周期评价是评价一个产品系统生命周期整个阶段（从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置）的环境影响的工具。LCA主要研究学术流派与机构国际环境毒理学与化学学会(SETAC)联合国环境规划署（UNEP）LCANET与CHAINET美国环保局（EPA）国际标准化组织(ISO)荷兰的莱顿大学环境技术中心(CML)另外一些国际上著名的大企业集团（e.g.AT&T,IBM）Motorola）也都积极关注LCA的研究与应用，分别针对其产品开展相关研究。LCANETLCANET全称为“欧洲策略型LCA研究网络”是根据欧盟环境和气候计划建立的。其任务是描述最新的LCA方法学。LCANET的目标是:向欧洲的大学、研究机构、企业、非政府组织和欧盟提供LCA信息交流和LCA研究与开发场所:识别和描述最新的LCA方法学和应用，通过广泛交流，提出LCA的研究需求和研究议题;起草策略型LCA研究计划。作为欧盟环境和气候计划研究的输入。它的第一阶段工作从1995年3月开始，为期15个月。CHAINET全称为“欧洲环境决策支持的链分析网络”，是LCANET的后续行动，1997年12月，正式启动，为期2年。

CML荷兰的莱顿大学环境技术中心(CML)一直致力于LCA的方法学研究，其物质与产品部着重于生态产业方法学研究，研究方法主要基于物流分析(SFA)、产品流分析(LCA)和货币流(经济投入产出分析)分析。其研究特点注重实用和应用，在其网站可以下载到许多LCA方面的研究文献。

LCA和其他几种环境管理工具的比较项目环境影响评价风险评价LCA目标具体工程或项目环境影响综合评价预告目标生物的危险性全球生态系统变化的预警方法论综合评估查汇分析溯源分析内容结构范围界定，影响识别，影响度量、影响预测，减轻措施，评价和监测接触评价，危害识别，风险描述，风险管理目标定义，清查分析，改善评价评价对象具体的工程或项目潜在的有害物产品及产品系统时空特性局地和地域的短期影响局地性的，短时影响全球性长期影响局限性a.局限于具体区域的具体项目b.不考虑全球环境影响c.方法论不统一a.仅限于小地域的人类健康b.忽略持续性风险c.极少分析自然环境a.无法分析偶然性排放b.对数据高度综合的结果，忽略对局地的影响生命周期评价LCA的应用

LCA用于产品设计

LCA用于废弃物管理

LCA用于评价污染预防措施

LCA用于工艺设计

有关产品设计的LCA研究

最典型的例子包括：

婴儿可重复使用的布尿布和一次性纸尿布的比较研究；塑料杯和纸杯的比较；汉堡包聚苯乙烯包装和纸包装的对比研究；美国纤维制造商协会完成的一种聚酯女式衬衫的生命周期评价。生命周期评价LCA的应用荷兰政府从1989年起，开展“国家废弃物管理计划”，对固体废弃物进行生命周期评价。英国环境部也采用LCA方法支持废弃物管理决策。基于生命周期的评价的废旧家电资源化研究及其案例分析曾敏广东工业大学2006.5城市生活垃圾处理系统生命周期评价郭颖杰大连理工大学，20033.3、生命周期评价的基本框架与评价过程（a）目标定义与范围的确定（b）清单分析（编目分析）（c）生命周期影响评价（d）生命周期解释（a）目标与范围的确定是生命周期评价研究的第一步，也是最关键的部分。它为研究的范围、前提和限制性条件提供了一个前期的界定。研究目标应阐明：依据研究结果将做何种决定，需要什么信息，达到何种细节水平和为了什么目标，特别还要考虑生命周期评价的结果是用于公司内部提高系统的环境性能，还是外部使用，例如影响公共政策。在研究范围的界定中，要考虑以下要素并做清楚的描述：产品系统的功能与功能单元，所研究的产品系统及系统边界，分划程序，环境影响类型，影响分析方法及后继的解释，假设条件与限制条件，原始数据质量要求，批评性评议类型，研究所需的报告类型和格式等。在确定研究范围时还应足以保证研究的广度和深度与要求的目标相一致。

北京大学环境学院 根据环境材料的概念，环境材料的评价必须以材料的完整寿命周期为研究范围。

能源生产↓↓———————↓———————↓———————↓———————↓原料开采→原料加工→材料制造→材料使用→回收利用→废弃

↑———————↑———————↑———————↓在材料评价和比较中，需确定其比较基准，可规定其基本功能相同的一定重量或体积的材料为基准。（b）清单分析是进行生命周期评价的数据收集和初步处理阶段，是生命周期评价中承上启下的一个重要组成部分，也是四个部分中发展最完善的一个部分。清单分析中，任何产品和服务都应作为一个系统来描述。产品生命周期所有过程要包括在系统的边界内，系统边界外的所有区域都是系统环境。系统环境是系统所有输入的源泉，也是系统所有输出的场所。清单分析范围图（c）生命周期影响评价是生命周期评价中辨识并评价产品系统的潜在环境影响的大小及重要性的阶段。其目的在于通过运用影响类别以及与生命周期影响结果相关的类别指示，从环境的角度检测产品系统。生命周期影响评价也为生命周期解释阶段提供信息。生命周期影响评价的框架一般由若干法定要素构成，它们可将生命周期影响结果转化为类别指示结果。此外生命周期影响评价还包括一些选择性要素。生命周期影响评价阶段的要素构成图1、法定要素（1）影响类别、类别指示和特征化模型的选择生命周期影响结果是指包括跨越系统边界的物流、能流在内的生命周期清单分析的输出，如温室气体、二氧化硫、氮氧化物（NOx）等能导致某种环境影响的因素。影响类别是指用来表述上述输出可能导致的环境影响的种类，如气候变暖、酸雨、臭氧层破坏、富营养化等。类别指示是用来评估某个影响类别的量化指标，如气候变暖的评估指标可选用“红外线辐射强度”。类别端点是用以鉴别环境影响类别的自然环境、自然资源、人类健康的方面或性质，如珊瑚礁、森林、庄稼等。特征化是用特征化模型通过描述生命周期影响结果、类别指示及类别端点间的关系来反映环境结构。特征化因子往往可从特征化模型中获得。（2）结果分划（也称结果分类）分划（分类）是将清单分析中的输入输出数据分配到各影响类别中，恰当的分划（分类）是评价正确性和有效性的保证。当生命周期影响结果与多个影响类别相关联时，应进行生命周期影响结果的区分。其中包括：并行结构的区分，如二氧化硫在酸雨及人类健康两个影响类别间的划分；串行结构的区分，如氮氧化物可同时分配到地表臭氧形成和酸雨两个类别中。（3）类别指示结果的计算（特征化）指示结果的计算包括以下两个步骤：第一，选取并使用特征化因子，将生命周期影响结果转化为普通单元；第二，将转化为指示结果的生命周期影响结果进行集合化。2、选择性元素

（1）标准化（2）分组（3）定量（4）数据质量分析1）权重分析2）不确定性分析3）敏感度分析（d）生命周期解释生命周期解释是清单分析与影响评价二者结合的生命周期评价阶段，目的在于分析结果，得出结论，解释局限性并提出建议，且以一种明晰的方式来汇报生命周期解释结果。生命周期解释由三个要素构成：对生命周期影响及其评价结果中重要结果的验证；评估完整性、敏感度和一致性的检查；结论、建议和报告。1、重要结果的验证目的在于通过生命周期影响评价结果的结构化，进一步对重要结果加以确定。验证由信息识别与结构化、重要结果的最终确定两部分构成。生命周期影响评价阶段所得结果应包括四类信息：1）影响评价结果应与数据质量信息汇总，并将结果以恰当方式加以结构化。2）方法的选择，如生命周期影响评价中的类别指示及模型，生命周期影响中的分配原则及产品系统边界。3）研究中的价值选择。4）不同的团体的职责和作用。具体确定重要结果时可选用下述分析工具：

1）贡献分析：其目的在于检验生命周期各阶段或过程组对于总体结果的贡献。贡献值可用百分比表示。2）重要因素分析：通过统计工具或定量、定性排序等技术来确定优先级。3）影响分析：把生命周期评价输入输出基于单元过程组的影响程度排序。影响程度分别以A、B、C代表。4）异常评估：以先前经验为基础得到的异常结果相对于预期或常见结果的偏离值。2、评估评估与验证是两个同步的过程，评估的目的是形成并增强前期阶段（生命周期影响评价和生命周期解释的第一阶段）结果的可信度及可靠性。评估由三部分构成：完整性检查、敏感度检查、一致性检查。（1）完整性检查目的在于确保解释阶段所需的信息及数据具有完整性、可用性。完整性检查需使用一个核对清单，清单中应包括清单参数，如能源、材料来源、废弃物、生命周期阶段和过程、类别指示等内容。

（2）敏感度检查是指证实敏感度分析所得信息与最终的结论、建议相关联的过程。其目的是通过确定最终结论是否受数据、分划方法等因素的不确定性影响，进而评估最终结果的可靠性。敏感度检查一般用于下述的假设、方法或数据：分划原则、边界设置与系统定义，影响类别的选择、分类、物征化、数据质量等。

（3）一致性检查是证实贯穿于整个产品生命周期或几个选项之间的假设、方法、数据是否相一致，并对假设、方法、数据与目的、范围的一致性加以验证的过程。一致性检查需核实以下内容：1）数据源的区别：如选项A的数据来源于文献，而选项B的数据源于原始数据，则二者不一致。2）数据精确度的区别3）技术范围的区别4）数据时效的区别5）地理范围的区别3、结论和建议

（1）结论应与生命周期解释阶段的其他要素互动地得出结论，此阶段应包括下述内容：1）重要结果的验证；2）评估完整性、敏感度和一致性，所用的方法及所得的结果；3）作出预备性结论并检验预备性，结论与研究目标、范围要求的一致性；4）如果预备性结论满足一致性，则将其作为完备结论加以报告，否则返回重要结果的验证。

（2）建议建议应立足于最终结论且其结果应是合理的、符合逻辑的。3.4、生命周期评价模型（一）二维矩阵分析方法定性分析产品生命周期中主要环境污染阶段，以及污染严重阶段所造成的环境问题，针对削减这些环境影响而制定环境标志产品标准。一般采用8×5矩阵，由行业专家、环境保护专家依据每个矩阵元素对产品的生命周期的原材料获取、生产、销售、使用、处置五个阶段的主要环境影响因素（如有害物质、固体废物、水污染、大气污染、土壤污染等8种），按照三个不同的污染等级（无污染或可忽略污染、中等污染、重污染）进行评价，得到评价结果。（二）产品生命周期简式评价矩阵方法此法是半定量产品生命周期简式评价矩阵方法，用于评价环境标志产品。此评价系统也是采用8×5二维矩阵，其中一维代表产品生命周期的5个阶段，另一维代表环境要素，与二维矩阵分析方法相同。评价者需研究分析产品生命周期从原材料获取、产品生产、销售、使用、以及回收或处置全过程的环境影响状况，并根据每个元素对环境影响程度不同划分的五个等级（0，1，2，3，4），对每个元素给予一个数值，对环境影响最大的予以否定值0，对环境影响最小的予以肯定的数值4。对矩阵中的每一个元素取值后，按照每个元素所得的数值求和作为评价环境标志产品的评