环境材料第二章

第二章材料产业与生态环境

第一节生态环境基础

《人类环境宣言》----人类既是他的环境的创造物,又是他的环境的创造者”。一、生态系统与生态平衡

(见书P13)1、生态系统

（1）生态学与生物圈：

生态学：是研究生物与其环境之间、生物与生物之间相互关系的一门科学。这里所指的生物包括动物、植物和微生物。

生物圈：地球上所有的生物及其生活领域的总和。（2）生态系统：在一定的空间范围内,生物群落与其生存环境之间通过物质循环和能量流动所构成的综合体就叫做生态系统,它是构成生物圈的基本结构单位。生态系统=生物群落+环境条件。

任何生物群体与其生存环境所构成的占有一定空间的自然实体叫生态系统。自然界生态系统多种多样,一个池塘、一片森林、一块草地、一个水库、一个城市,都是一个生态系统。无数个不同的生态系统有机地组合起来,便构成了生物圈。可见,生物圈是地球上最大的生态系统。（3）生态系统的组成：一个完整的生态系统由生产者、消费者、分解者和非生物环境四个部分组成。生产者是指生态系统中能以简单的无机物制造有机物的自养生物。消费者是指直接或间接利用生产者制造的有机物的各类异养性动物。分解者是指生态系统中起分解作用的异养生物。非生物环境是指生态系统中无机环境的构成因子,它由有机物、无机物以及自然因素共同组成。

生态系统中的生产者、消费者、分解者与非物质环境在生态系统中缺一不可,各自在生态系统的物质循环和能量流动中发挥着重要的作用,它们相互关联,相互适应,使整个生态系统趋向于达成协调一致或呈现相对稳定状态。2、生态系统的功能

生态系统的四大基本功能：生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。在生态系统中,物质循环与能量流动这两大基本功能是密切相关的。能量蕴于物质之中,在物质吸收、转移、储存与释放的过程中,总是伴随着能量的变化。在生态系统中,物质循环与能量流动同时进行,二者相互依存,不可分割。但二者也存在根本的差别:

能量在生态系统中的流动是一种单向流失的过程,要保持体系的运转就必须由太阳不断地供给能量；而物质在生态系统中流动是一种周而复始的循环运动,物质能被反复地吸收利用。见书P133、生态平衡

（1）生态平衡及其特征生态平衡(自然平衡)：整个生态系统始终处于不停地运动和变化之中,经过长时间的演变过程,生态系统趋于完善成熟,系统内各因素间能够相互适应、相互协调,生物的种类和数量、结构和功能以及物质和能量的输入、输出等可在长时间内处于相对稳定的状态,并在外来干扰下通过自我调节恢复到初始的稳定状态。

生态平衡的特征：结构平衡、功能平衡、输入和输出物质在数量上的平衡。只有三者同时具备,生态系统才能是一个相互适应和相互协调的平衡系统。因此生态平衡是有条件的,同时它也是动态的相对的平衡。因为生态系统是一个开放系统,系统内不断地有物质的输入与输出,各因素都处于不停的运动之中。但物质与能量的输入、输出只是大致相等,完全相等的平衡是没有的。（2）影响生态平衡的因素：影响生态平衡的因素有自然因素和人为因素。自然因素：是指自然界所发生的异常变化。例如火山爆发、地震、台风、山崩、海啸和水旱灾害等等。自然因素对生态系统造成的破坏是严重的,甚至是毁灭性的,并具有突发性的特点。但这类因素常常是局部的、暂时的,出现的频率并不高。

人为的因素：是指人类对自然资源不合理的开发和利用,以及工农业生产造成的环境污染。人类对资源不合理的开发和利用,以及“三废”排放对环境所造成的污染则是大面积的、持久的,因而人为因素使生态平衡破坏的问题更为严重。

（3）生态平衡的恢复：采取各种措施（包括技术的、政策的）使已遭到破坏的生态平衡恢复原来的平衡状态或重建新的平衡的过程。环境保护的基本任务是维持生态平衡使之不受破坏,使生态系统正常、健康、持续地发展。二、环境与环境科学基础1、环境的含义

《中华人民共和国环境保护法》中所称的环境,是指“影响人类生存和发展的各种天然和经过人工改造的自然因素的总体,包括大气、水、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。

人们通常所说的环境是以人为中心的环境,即人类的生存环境,它是指围绕着人群的空间及其可以直接或间接影响人类生活、生产和发展的各种物质与社会因素、自然因素及其能量的总体。它包括自然环境和社会环境两个方面。

自然环境是由空气、水、土壤、阳光和各种生物所构成,在环境科学中常常把这些自然要素描绘为大气圈、水圈、土圈和生物圈,这是人类赖以生存的物质基础。

社会环境是指人们生活的社会经济制度和上层建筑的环境条件,是人类在物质资料生产过程中共同进行生产而形成的生产关系的总体。它是人类物质文明和精神文明的重要标志,并随着人类社会的发展不断丰富和演变。2、环境的基本类型

(1)按环境的形式分类：★可把环境分为自然环境和人工环境。(2)按环境的功能分类：可把环境分为生活环境和生态环境。(3)按环境范围的大小分类：可把环境分为居室环境、庭院环境、街区环境、城市环境、区域环境、全球环境等。(4)按环境的要素分类：可把环境分为大气环境、水环境(包括海洋环境、湖泊环境)、土壤环境、生物环境(如森林环境、草原环境)、地质环境等。3、环境的基本特征

整体性与区域性：环境的整体性：是指环境是一个系统，自然环境的各要素间存在着紧密的相互联系、相互制约的关系。

环境的区域性是：指环境（整体）特性的区域差异,具体说就是不同（面积不同或地理位置不同）区域的环境有不同的整体特性。(2)变动性与稳定性：

环境的变动性：是指在自然的和人类社会行为的共同作用下,环境的内部结构和外在状态始终处于不断的变化之中。环境的稳定性：是指环境系统具有一定的自我调节能力。人类生产、生活行为对环境的影响不超过环境的净化能力时,环境可以借助自身的调节能力使这些变化逐渐消失,其结构和状态得以恢复。(3)资源性与价值性：环境的资源性：是指人类社会生存发展都是环境不断提供物质和能量的结果。环境的价值性：是指人类生活在环境中,没有环境就谈不上人类社会的发展。环境具有不可估量的价值。环境的价值源于环境的资源性。4、环境科学基础

环境科学:是一门研究人类社会发展活动与环境（结构和状态)演化规律之间相互作用关系,寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学。环境科学的基本任务:揭示人类与环境这对矛盾的实质,研究人类与环境之间存在的对立统一关系,掌握发展规律,调节与控制人类与环境之间的物质交换与能量传递过程,找出解决矛盾的途径与方法,以便调整人类的社会行为,保护、发展和建设环境,从而使环境永远为人类社会持续、协调、稳定地发展提供良好的支持和保证,促使环境朝着有利于人类的方向演化。

环境科学的性质:介于自然科学、技术科学与社会科学之间的边缘科学,是一门新兴的、综合性很强、由多学科到跨学科的庞大科学体系,它的研究内容在不断地充实和发展。

环境科学的分支学科:

属于自然科学方面的有环境工程学、环境材料学、环境地学、环境生物学、环境化学、环境物理学、环境数学、环境水利学、环境系统工程、环境医学等；

属于社会科学方面的有环境社会学、环境经济学、环境法学及环境管理学等。

正在形成的新的分支学科如环境伦理学、森林环境学、资源学等。第二节环境材料学

一、环境材料学的概念环境材料学（环境协调材料学）：是关于材料成分、结构、工艺和它们的性能与用途以及它们与环境的协调性之间的有关知识的开发和应用的科学。

不同特征的材料多面体a传统材料四面体；b环境材料六面体

环境材料的研究目的：寻找在加工、制造、使用和再生过程中具有相对最低的环境负荷的材料,以满足人类文明社会的持续发展需要。

学科的最重要特征：在于从环境保护的角度重新考虑和评价过去的材料科学与工程学,并指导新材料的研究和开发及传统材料的改造和相关加工和制备技术的发展。

环境负荷：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,以及其向环境体系中排放的各种(气态、固态和液态)废弃物之总量。

环境负荷={资源,能源,排放物}={环境因子1,环境因子2,环境因子3}

环境因子1(EF1)代表n过程中输入的各种形式的资源量之和。即原料量和辅料量之和。环境因子2(EF2)代表n过程中输入的各种形式的能源量之和,可以标准煤为其度量单位。环境因子3(EF3)代表n过程中输出的各种形式的排放物之总和。材料在第n过程中的环境负荷示意二、环境材料学的主要内容环境材料学的内容主要包括三个层次：基础理论研究应用研究评价系统研究

(1)环境材料学的基础理论研究:◆材料需求与自然环境的变化及其规律；◆材料的系统设计理论和方法；◆与环境协调的材料开发理论；◆低环境负荷的合金理论、无机材料理论和高分子材料理论；◆材料再生循环的热力学和动力学；◆材料的环境负荷数据库。(2)环境材料学的应用研究:◆低环境负荷材料的开发技术；◆循环再生材料的开发技术；◆功能性环境材料的开发技术；◆废弃材料的综合再生技术；◆现有材料中的有害元素和枯竭性元素的替代技术；◆材料中的杂质无害化技术；◆低环境负荷的工程制备技术和加工技术。(3)环境材料学的评价系统研究:◆材料的环境负荷评价系统；◆材料对自然环境的作用程度评价；◆现用材料的合理性评价；◆环境材料的论证体系及其标准；◆材料再生的合理性评价。第三节

材料对生态环境的影响一、材料生产和使用带来的环境和资源问题

1.材料生产和使用对环境的影响从能源、资源消耗和造成环境污染的根源分析,材料及其产品的生产是造成环境污染、能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭的主要原因之一。

随着世界经济的快速发展,对资源的消耗速度在成倍增长。导致地球上有限的一次金属资源量锐减。例如Cu、Mn金属已开采了全球总储存量的50%；Zn、Au、Ag等金属已开采了其总量的70%～80%；Co、Fe、Ni、W等金属已开采了总储存量的30%～40%。

人类文明社会目前所依赖的许多金属资源预计还能开采20～50年

目前可供开采的金属资源的品位越来越低,

如铜矿石的可开采品位已从1900年的3%下降到现在的0.5%左右。矿石的品位越低意味着同样生产1t金属材料所要求投入的矿石量和能源量更多,与此同时,产出的废弃物亦越多。生产1t金属，矿石品位与矿渣的关系矿石品位/%矿渣/t

金属材料的回收利用率较低也是引起金属资源枯竭一个重要的原因。仅以生产量和消费量很大的汽车、家用电器等几类产品为例,除了消费大量的钢铁、铜、铝等金属外,还使用了镍、铬钨、钼等20多种稀有金属。大量的产品废弃之后,许多稀有金属很少或几乎没有得到回收。由此造成的稀有金属资源的浪费十分惊人。几类机电产品中所含的稀有金属产品名称稀有元素

元素种类汽车Ni,Cr,W,Mo,Mn,V,Sr,Sb,Pt,Pb,Ti,Be,In,Te,Ba,Tl16彩色电视机Ni,Cr,Mn,Nb,Sr,Sb,Ta,Ge,Ga,B,In,Ba,Bi,Re14家用电器Ni,Cr,Sr,Sb,Ta,Pb,Ti,Be,Ga,B,In,Ba,Bi,Re

14光学仪器Nb,Sr,Ta,Ge,Be,Ga,B,Rb,Zr,Te,Cs

11材料种类能耗/万t标准煤占工业总能耗比重(%)矿产采选业1419.141.54化学纤维制造业1705.021.85橡胶制造业645.870.70塑料制造业658.830.71非金属矿物制造业9980.8710.81黑色金属冶炼17136.3318.56有色金属冶炼3892.764.22金属制品业1129.401.22材料产业合计39.60工业总能耗92346.68

1002001年我国主要原材料工业的能源消耗统计2001年我国主要原材料工业污染物排放统计材料产业工业废水/万t工业废气/亿m3(标准状态)固体废物产生量/万t矿业125804408935903化学纤维工业596952811355橡胶制品业707043172塑料制品业258824633非金属矿物制造业其中：水泥制造业4619434062196028055279751071黑色金属冶炼1917452501511858有色金属冶炼3745199584477金属制品业1174248776合计51034410507455805占工业排放总量百分数(％)25.1965.3262.812.面临的环境和资源问题(1)环境问题：人类的材料生产和使用是从自然环境中获得物质资源,然后又将使用过的材料及废弃物质还给自然环境,从而参与了自然界的物质循环和能量循环,不断影响着自然环境。由人类生产活动引起的环境问题具体表现为以下两个方面:

一是由于不合理的开发和利用资源所引起的环境衰退、资源耗竭,破坏了生态平衡；二是由于工业发展,排出的废水、废气、废渣和噪声给环境带来的污染问题。这类环境问题所造成的危害多是潜在的、积累的、慢慢产生影响,所以在短时期内不大容易引起人们的足够重视。预测到2090年全球平均气温将上升3℃，海平面将因此上升60cm，届时各国大面积的沿海发达地区大部分将被淹没。再加上人口无节制地增长，可能近在本世纪中叶，地球生态环境就不得不迎接一场宣大危机，面临全球变暖、大气臭氧层破坏、酸雨、森林破坏、荒漠化等全球性环境问题的挑战。

酸雨：由工业生产、燃煤及汽车尾气排放出来的NOx、SOx等进入大气后产生，其主要危害是破坏森林生态系统,改变土壤的性质与结构,破坏水生生态系统，腐蚀建筑物和损害人体的呼吸道系统和皮肤。酸雨的危害遍及欧洲和北美,分布地区较广。酸雨有时飘越国境影响别国,造成跨国污染。所以酸雨问题不仅被视为区域性环境污染问题,甚至被列入全球性环境问题。

臭氧层损耗：大气中的臭氧每减少1%,照射到地球表面的紫外线就会增加2%,人类皮肤癌的发病率就会增加7%,白内障患者就会增加6%。紫外线辐射增强对动植物的生存也是灾难性的。它可能使地球上三分之二的农作物减产,从而导致粮食危机。另外还可导致某些海洋生物的灭绝。

温室效应：人类大量使用石油、煤和天然气等化石燃料,释放到大气中的二氧化碳等温室气体的含量愈来愈多,导致全球气候逐渐变暖。它将会导致海水变暖和膨胀,加速极地冰川和冻土的融化,造成海平面上升等，使沿海生态系统被破坏,对农业生态系统也有影响。目前世界上大约有1/3的人口生活在海岸线6OKm的范围内,如果全球变暖,海平面升高,一些城市和乡村可能被淹没。此外,气候变暖会打破原有的生态平衡，引起物种灭绝。

水体污染：是指对自然环境有恶劣影响的水质恶化。材料生产过程中的工业废水含有多种污染物，水体污染不仅妨碍工农业生产，影响水生生态系统，还直接和间接地危害人体健康。水中污染物质的主要来源污染物质主要来源镉及其化合物金属矿山、冶炼厂、电镀厂、镉电池厂、化工厂铅及其化合物金属矿山、冶金厂、汽油、电池厂、油漆厂、铅再生厂铬及其化合物金属矿山、冶炼厂、电镀厂、合金制造厂、催化剂制造厂汞及其化合物炼汞厂、化工厂氰化物焦化、电镀厂、金属清洗厂、化工厂砷及其化合物铜矿厂、冶炼厂、油漆厂20世纪10大环境公害事件20世纪70年代以来发生的重大公害事件一些材料生产过程对环境的影响材料大气水土壤/土地纸、纸浆排放含SO2、NOx、CH4、CO2、CO、硫化氢、氯化物、二英等废气(1)水资源消耗(2)排放悬浮性固体物、有机物、有机氯、二垩英

水泥、玻璃、陶瓷排放含砷、钒、铅、铬、硅、氟化物粉尘及SO2、NOx、CO2、CO、等废气排放含油、重金属离子废水(1)矿物资源及土地消耗(2)排放固体废弃物金属及矿物开采排放各种粉尘及有害气体排放含金属离子及有毒化学品废水(1)矿物资源及土地消耗(2)土地退化钢铁(1)排放含砷、镉、铅、铬、铜、汞、镍、硒、锌等颗粒物和粉尘，以及含有机物、酸雾H2S、HC等废气(2)紫外线辐射(1)水资源消耗(2)排放含无机物、有机物、油、金属离子、悬浮性固体物废水(1)矿物资源及土地消耗(2)排放固体废弃物有色金属排放含铝、砷、镉、铅、铬、镁、锰、铜、汞、镍、硒、锌、碳黑、气溶胶、SiO2等颗粒物和粉尘，以及含SO2、NOx、H2S、CO氯化物、氟化物、有机物等废气排放含金属离子及有害化学品废水(1)排放固体废弃物(2)土地退化(2)资源问题：自然资源是国民经济与社会发展的重要物质基础,是人类生存和生活的重要物质源泉,是维护环境和生态平衡的核心。目前人类所面临的资源问题主要表现在：矿物资源迅速耗竭,水土流失和荒漠化加剧,淡水资源不足,森林资源砍伐严重,愈来愈多的物种濒临灭绝。目前我国资源的主要矛盾表现在资源供给不能满足经济发展的需要。我国经济发展速度对资源的需求已达到前所未有的程度。但是,现有资源的利用效率不高,资源浪费严重。矿产资源的开发总回收率只有30%～50%,比发达国家平均低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤,为发达国家的10倍。在我国资源的开发和利用中存在严重的“高投入、低效率、高污染”的问题。我国平均能量效率为33％，而先进工业国家则超过50％。我国矿物资源平均利用率为40％～50％，钢材利用率为60％，木材利用率为40％～50％。加上资源的再生利用率低，社会最终产品只是原料投入的30％，大部分原材料变成了废弃物。几种材料的能耗比较人口面临的资源环境问题图2-5世界能耗增长趋势图2-6全球一次能源需求量表2-7全球矿产资源枯竭时间的预测

年代21世纪50年代21世纪70年代21世纪80年代22世纪20年代矿产资源一般矿产资源金属矿产资源石油、天然气资源煤资源表2-8我国几种原材料的单位GNP（国民生产总值）资源消耗率与世界平均水平的比较材料钢材铜铝铅锌我国消耗率3.63.72.42.72.2世界平均水平11111

化学物质通过各种冶炼、加工制造、储存运输及使用消费等进入环境，也以废弃物的形式被人们直接排放到环境中。目前,环境中存在的化学物质约有55000种以上,有相当多的人造化学物质难以分解,很难转变为无害物质。这类物质在环境中逐渐积累,当积累的含量较高时,就会导致环境质量下降,甚至对生物和人类造成危害。目前,研究较多的是那些与人类生活关系最密切的物质,如医药、食品添加剂、日用品等。

添加剂中只有少数来自天然物质,大部分是人工合成的化学物质,它们进入人体后会发生潜移默化的作用。有些添加剂虽然本身无害,但在使用过程中发生某些化学反应后,就有可能生成有毒、有害的物质。常用防腐剂亚硝酸盐和环境中的二级胺和三级胺作用生成亚硝胺化合物。而亚硝胺是一种重要的致癌性污染物。

二、材料中化学物质对环境和人体的影响

大量化工产品的制造和使用,同样带来环境问题,并对人体造成危害。在发达国家,大量的化学合成品在使用之后都作为废物而抛到环境中,常常成为令人头痛的污染问题。堆积则污染土壤,焚烧则污染空气。日用化工制品是环境化学物质重要的污染源。

此外,有机溶剂如涂料、粘结剂、干洗剂、印刷用的稀料、有机合成等都离不开有机溶剂,常使劳动环境、生活环境受到污染。

广泛存在于环境的化学污染物有些具有较强的致癌作用。化学污染物对人体健康的影响问题已成为环境医学、环境生物学以及环境化学的重要研究课题。第四节

材料中主要元素的环境和资源特征一、化学元素的环境分布特征

自然界的物质循环,使构成物质的化学元素在环境中不断地迁移转化，由于化学元素的迁移转化,使其在环境中的分布体现出普遍性、富集性和共生性三大特征。1、普遍性在自然界中,构成物质的90多种元素,不仅广泛存在于宇宙中,而且均存在于地壳层中由矿物、岩石和土壤等构成的各种地质体中,体现出化学元素分布的普遍性。用“丰度”概念来定量表示各种化学元素在地壳中的平均含量,

它表示地壳中各化学元素的相对平均含量,也称之为元素的“克拉克数”。如果以重量百分数表示,则称为重量克拉克数。如果以原子百分数表示,则称为原子克拉克数。丰度的概念：化学元素在地壳中的平均含量称为丰度。克拉克值：为纪念美国科学家克拉克在计算地壳中元素平均含量所做的贡献，将各元素在地壳中含量的百分比称为“克拉克值”，如以质量百分比表示，称为“质量克拉克值”，简称“克拉克值”；如以原子百分数表示，则称为“原子克拉克值”。表

2-9地壳中化学元素的克拉克数

顺序元素符号原子序数元素含量/%顺序元素符号原子序数元素含量/%1O846.6021Cr240.012Si1427.7222Rb370.0093Al138.1323Ni280.00754Fe265.0024H300.00705Ca203.6325Ce580.00606Na112.8326Cu290.00557K192.5927Y390.00338Mg122.0928La570.00309Ti220.4429Nd600.002810H10.1430Co270.002511P150.10531Sc210.002212Mn250.09532Li30.002013F90.062533N70.002014Ba560.042534Nb410.002015Sr380.037535Ga310.001516S160.02636Pb820.001317C60.02037B50.001018Zr400.016538Pr590.0008219V230.013539Th900.0007220Cl17O.01340Se340.000602、富集性

化学元素在地壳中的含量分布不仅相差很大,且很不均衡。由于某些地质条件的作用,如风化、沉积、火山爆发、岩浆活动等促使有用的化学元素发生富集现象,出现了地壳中化学元素分布的第二个特征——富集性。 由于地质成矿作用极少发生,元素富集需要相当漫长的岁月,因而具有工业开采价值的矿床数目和数量是极其有限的。地壳中元素富集形成过程所需时间是以亿年为单位的,而人类大规模开采矿石是以10年为单位,两者相差108年。如果人类将具有开采价值的矿床采空,就会导致金属资源枯竭。表2-10主要金属元素的开发技术指标

顺序金属元素在地壳中所占比例/%矿石开采品位/%富集系数1Al8.24052Fe5.6254.53Ti0.571.52.64Mn0.095252635VO.01350.5376Cr0.0104040007Ni0.00751.01338Zn0.00702.53579Cu0.00550.59010Co0.00250.28011Pb0.001253240012U0.000270.013713Sn0.000200.5250014Mo0.000150.166615W0.000150.3200016Hg0.0000080.11250017Ag0.0000080.00562518Pt0.00000050.000240019Au0.00000040.00012503、共生性（复合性）

地壳中的化学元素具有富集性,但这种富集是一种多组元的共生富集,即共生性或复合性。世界上尚不存在具有工业开采价值的单一化学元素形成的矿床,很多常见矿产都具有多种有用伴生元素。因此,开采某一矿床时必然涉及多种元素的综合利用。表

2-12铜矿物的种类及其组成矿

物

名组

成理论铜品位/%种类名称英文名自然铜NativecopperCu100.00氧化铜赤铜矿CupriteCu2O88.8孔雀石MalachiteCuCO3·Cu(OH)257.3硅孔雀石CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2O56.0硫化铜黄铜矿ChalcopyriteCuFeS234.5斑铜矿BorniteCu5FeS463.3辉铜矿ChalcociteCu2S79.8铜蓝CovelliteCuS66.4硫砒铜矿EnargiteCu3(As·Sb)S448.3

表

2-11某些矿产的有用伴生元素矿产名称有用伴生元素铁

矿Co、Ni、Cu、Mo、Pb、Zn、Sn、Ti、V、Ge、Ga、P锰

矿Fe、Co、Ni、稀有金属铬

铁

矿Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh、Co、Ti、V、Ni铜

矿Fe、Pb、Zn、Co、Sb、Au、Ag、As、Cd、Se、Te、Ge、Ga、Re铅

锌

矿Cu、Au、Ag、Ge、Cd、Sb、Bi、Sn、In、Ga硫化镍矿Cu、Fe、Cr、Co、Mn、Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh钨

矿Sn、Mo、Bi、Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Sb、Be、Li、Nb、Ta、As锡

矿Cu、Pb、Zn、W、Bi、Mo、Ag、Sb、Nb、Ta、S、As、Fe钼

矿W、Sn、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、Be、U、Re、S汞

矿Sb、Cu、U、Mo、As、Bi、Au、Ag、Tl锑

矿Hg、Au、W铂

矿Cu、Ni、Co、Au金

矿Cu、Ag、Pb、Zn、Sb、Mo、Bi、Y铍

矿Nb、Ta、Li、W、Sn、Pb、Zn锂

矿Nb、Ta、Be、Rb、Cs铝

土

矿Ga、V、Ti、Co钾

盐

矿B、Li、I、Br、Cs、Rb、Mg煤

矿U、Ge、Ga、In、S磷

矿U、Mn、Li、Be、Ce、La、Y、Ti、V、Fe、Pt、稀有元素二、金属资源的储量及其寿命1、金属元素的生物、植物效应金属元素进入生物体或人体后将产生一系列的生物效应。按金属元素对人体的作用不同,分为三个大类：即必需元素、有害元素及有毒元素。但即使是某一必需元素,其在人体内的浓度也有一个最大极限。一旦超过这个极限,必需元素也将转化成有害元素。

表2-13各种纯金属元素的人体生物效应及其特征

金属元素性质作用体内含量/mg摄人量/mg.d-1过量反应Fe必需元素促进代谢、构成蛋白4×10315铁中毒、损害肝肾A1有害元素干扰代谢、骨髓病变10045干扰磷吸收、影响神经Mo必需元素参与代谢、构成酶类90.2钼中毒、骨质异常Mn必需元素促进代谢、构成酶类85.0锰中毒、损害神经Cu必需元素促进代谢、维持发育1003铜中毒、溶血症Zn必需元素参与代谢、构成酶类2×1032.2锌中毒、致癌Cr必需元素促进代谢、协助胰岛素60.1铬中毒、致癌Cd有毒元素抑制酶、取代酶中Zn400.05损害肺、肾、骨骼软化Pb有害元素干扰生化、生理反应

0.04损害各系统和器官Ni必需元素增加胰岛素、降低血糖10400损害呼吸道、鼻癌Co必需元素参与酸类活动1.10.3影响心脏功能V必需元素参与氧化-还原反应0.3×10-42钒中毒、损害肾、肝Li必需元素药理作用

2锂中毒、损害神经表2-14金属元素对植物的效应及其特征金属元素性质过量效应欠量效应Cd有害元素抑制根系发育、影响生长

Pb有害元素影响代谢、形态异化

Cr必需元素毒害作用,抑制生长影响正常发育Cu必需元素褪绿、阻碍Fe的吸收发育受阻、缺Cu症Zn必需元素损害根系光合作用减弱、缺Zn症Co非必需元素褪绿、阻碍Fe的吸收

Mo必需元素未发现影响固氮、缺Mo症Fe必需元素很难发现失绿、枯萎、缺Fe症Mn必需元素在酸性土中Mn中毒影响光合作用,缺Mn症Al非必需元素抑制根系生长

2、储量及寿命

人类社会所需要的各种金属元素均以矿产的形式存在于地壳之中。这种金属矿产资源称之为一次资源。金属储量是指由于地质作用的结果,在地壳中某些地段内形成金属矿物的富集,其质量能够满足工业要求,并在当前经济技术条件下能够开采的自然堆积体的总量。金属资源的可开采年限又称为金属资源的静态寿命,即某金属资源的当年总储量与其当年总产量之比。表2-15各种金属资源的储量和可开采年限元素1976年1984年1988年1990年1994年储量/t可开采年限储量/t可开采年限储量/t可开采年限储量/t可开采年限储量/t可开采年限Felx10121096.5x10101301.53x10111671.51x10111756.5x101071All.2x1093502.Ox10112502.18x10112242.18x10102002.3x1010216Mn

1x109125

8x10840Til.47x108511.7x10860

1.7x108

2x10856Cr7.75x1081121.1x109100

4.19x108

1.4x109128Ni

5.2x107705.4x107654.9x107524.7x10755Mo5.4x106365.4x10650

5.5x10657Co

2.7x10680

3.3x106

4x10688W

2.8x10662

2.35x106

2.3x10673Cu3.08x108245.0x108713.5x108413.2x108363.1x10833Pb

1.46x1010507.5x107227.Ox107216.3x10721Zn1.23x108182.43x108401.47x108211.44x108201.4x10819Ag2x105142.6x10520

2.8x105203、影响寿命的因素

影响金属寿命的因素主要包括三个因素,即某一金属元素在地球上的总储藏量、金属资源的消耗量或生产量以及该元素物质的再生量。前两个因素构成了某一金属资源的静态寿命,

它取决于当年的科学技术发展水平及其已探明的储藏总量。

动态寿命（循环寿命）为某一资源的当年储藏总量与其当年总产量和再生总量之差的比。某一物质的再生总量越大,其资源的循环寿命或可供开采的年限越长。在讨论金属资源的寿命时,应该树立开源节流的观点。开源就是开发新的可代替的资源,节流即指资源的循环再生。前者是环境材料学的研究重点之一。表2-16某些金属资源的动态可开采年限(以1994年为基准)再生率0%10%20%30%40%50%60%70%Al216240270308360432540720Fe717989101118142178237Cu33374147556683110Mn404450576780100133Cr128142160183213256320427Ti5662708093112140187Ni5561697892110138183Mo5763718195114143190Co8898110128147176220293W738191104122146183243Zn1921242732384863Ag2022252933405067Pb2123263035425370Sn424753607084105140Sb96107120137160192240320Pt族199221249284332398498663Ta62697889103124155207Zr61687687102122153203表

2-17各种新的可代替资源

材

料可能的代替资源铝高岭土、橡胶、塑料矸石斜长石、煤炭铬镍、钼、钒钴镍铜铝、塑料钼钨、钒、锰、钽、硼锡铝、塑料钨钼、钛、铝、陶瓷锌铝、塑料、镁镍铝、铬、钼、钒、钨、锰、钛、陶瓷、塑料铌钒、钛、钼、钽锆铝、铌、钒、二氧化铁第五节

材料流与资源效率和环境影响一、材料流

材料流（MaterialsFlow）又称物质流（MassFlow）,也称材料链(substancechain)。材料流也可以说是材料背负的生态负荷或称生态包袱(EcologicalRucksack)。指从材料的采矿开始，包括生产加工、储运、销售、使用，直至废弃的全过程。图2-7典型材料流循环过程示意图钢铁材料：8t矿石1t钢700Kg型材500kg金属制品

材料流分析(MaterialsFlowAnalysis,MFA)是指用数学物理方法，对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量的一种定量分析的理沦。它通过对自然原始物质在开采、生产、转移、消耗和废弃等过程的分析,揭示物料(包括能源、水资源等)在特定范围内的流动特征和转化效率,找出环境压力的直接来源,进而通过技术措施,提出相应的减少环境压力的解决方案,提高资源效率,作为评价该地区、产业和行业及产品等发展的可持续性指标,为实现可持续发展的近、中期目标提供科学依据。材料流理论是一种方法学，其理论基础就是物质不灭定律和能量守恒定律。主要用于研究、评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。

（一）、材料流（理论）分析（1）4倍因子理论

4倍因子理论是德国Wupperdal研究所的所长Weizsaecker教授于90年代首先提出的。其宗旨是在社会经济和生产活动中,通过采取各种技术措施,将能源消耗、资源消耗降低一半,同时将生产效率提高一倍,即在同样能源消耗和资源消耗的水平上,得到4倍的产出。1995年,出版专著《4倍因子:半份消耗,倍数产出》。

4倍因子理论对有效利用资源、改善生态环境、实现社会和经济的可持续发展具有指导性意义。即从资源效率角度减少原材料消耗、增加产品的有效产出,从源头上实现减少排放,保护了环境,是治本之道。式中：R——资源效率；P——产品产出量；

I——原材料、能源投入量。

（2）10倍因子理论

10倍因子理论是由德国Wupperdal研究所副所长Schmidt-Bleek教授于1994年率先提出。其核心思想是：为了保持现有的生态环境水平,必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏,必须继续减小全球的物质流量。据推测到2050年,地球上的人口将是现在的2倍,同时,世界各国的国内生产总值(GDP)将增长3～6倍,取平均值为5,则二者之积为10,按现在的水平发展对环境的影响将增加10倍,因此必须将资源效率和能源效率提高10倍。这样才能让人类的子孙后代在地球上继续生存下去。式中：I——环境影响；

P——人口；GDP——国内生产总值。

Schmidt-Bleek教授还在法国创建了国际10倍因子(Factor10+)俱乐部,旨在推行10倍因子理论和实践。该俱乐部向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的1997卡诺勒斯宣言,提出了在一代人之内,将资源和能源的生产效率提高10倍的目标以及实现这个目标应采取的技术措施。宣言指出,进入经济活动的所有物质或迟或早都要被消耗或排放进入环境,到头来是环保费用的持续增长。因此,要降低环保费用,首先需要降低和减少物质从自然界(即环境)流入经济活动圈的进入量,从而减少污染物排放量。通过减少污染物的处理量,最后使环保投资费用降低。（3）极值理论

极值理论指出：对一定的原材料投入，有效产品的产出率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，就是要求最大的产出率和最小的废物排放率。可用等式表示：式中：I——物质总投入量；P1,P2——有用产品产出量；

W1,W2——废物产出量；R——资源效率，即有用产品产出量除以物质总投入量；O——废物产出率,即废物产出量除以物质总投人量；

求极大值,即,则可获得最大资源效率。同时，求极小值,即,则可获得最小废物产出率。

对经济活动中的任何一个生产过程或流通过程，若求得了最大资源效率，同时也就得到了最小的废物产出率。即在这个条件下，该过程对环境的影响最小。若要进一步降低环境污染，则需要通过技术措施，提高有用产品的产出量，即提高资源效率，才有可能进一步降低废物排放量。材料流理论分析是生态环境材料研究的一个有效工具。

通过材料流分析，了解物质和能源的走向，对最初和最终的物质总量进行极值分析，使该经济活动的资源效率、环境污染状况一目下然。因此，极值理论将资源和环境之间的关系进一步简单化、定量化。而在应用极值理论时，对过程的材料流分析显得必不可少。（二）、材料流理论的应用实践

全球环境的恶化主要是经济活动引起的，而资源效率是经济活动能否实现可持续发展的关健。针对如何提高资源的利用效率、节约能源、减少环境污染，许多国家组织和企业都借助于材料流分析进行下改善资源效率的实践。设在美国首都华盛顿的世界资源所1997年曾与德国WUPPERTAL气候、能源和环境研究所，日本国立环境研究所，荷兰房屋、土地规划和环境保护部等单位合作，联合发表了一份关于材料流的调查报告，列举了德国、荷兰、日本等国的材料流年度调查结果。图2-81991年德国全国材料流分析示意图图中数据的单位均为亿t

图2-91991年荷兰全国材料流分析示意图图中数据是平均每人的年材料流量（单位为t/人），按1991年荷兰人口1500万人估计,当年荷兰的材料流总量约在12亿t左右。

图2-101990年日本全国材料流分析示意图图中数据的单位均为亿t

图2-11我国某钢铁企业材料流分析示意图利用材料流理论分析方法，计算得出该材料生产的总资源效率为30.7%。三、材料生产的资源效率1、资源概述

现代社会里，关于资源可理解有自然资源、入力资源、社会资源、信息资源、旅游资源、物质资源等。其中自然资源可分为矿产资源、水力资源、海洋资源等；物质资源可分为自然物质资源、人工物质资源及废弃物质资源等。

在一般意义上，资源是指人类可以直接从自然界获得并用于生产和生活的物质。资源是自然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。自然资源可分为三大类：第一类为取之不尽的资源，如空气、风、太阳能等；第二类为可再生的资源，如生物体、水、森林、草地、海洋、土壤等；第三类称为非再生资源，如矿物、化石燃料等。表2-17矿产资源种类能源煤、石油、天然气、油页岩、铀、钍等金属矿产黑色金属、有色金属、贵金属等非金属矿产冶金辅料：石灰石、萤石、硅石等化工辅料：硫铁矿、磷矿、硼矿、盐、天然碱等其他：石棉、刚玉、水晶、玛瑙等资源具有社会性、自然性和商品性三个特点。资源的社会性指资源随着国家和时代的不同而不同，如16世纪人类对中东地区石油资源的认识远不如20世纪那样深刻。资源的自然性指资源随着地域的不同，其丰饶程度也有所不同，例如全世界的贵金属资源90%以上集中在南非。资源的商品性指资源可以进入市场进行流通，如目前我国钢铁工业所需大量铁矿石从澳大利亚、巴西市场购买。现今，人类所需能源的97%来自非再生的矿物能源。据统计，我国的能源对单位GNP的产出率仅为世界平均水平的1/7，表明我国的能源效率很低。我国90%以上的能源和80%以上的工业原料都取自矿产资源，每年投入国民经济运转的矿物原料超过60亿t。对非再生资源的需求趋向于负荷的极限，引起了严重的资源短缺问题。因此，为了解决经济发展中的资源瓶颈问题，实现我国社会经济的可持续发展，最积极的措施是提高资源效率。资源效率指在某一生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比。环境污染，很大程度上是由于工业生产过程中所投入的原材料没有变成有效产品，而作为副产物排放到环境中，形成环境过量承载的一种现象。显然，材料生产过程的资源效率越低，最终造成的环境污染越重。我国经济规模已居世界前列，发展速度令人瞩目，对资源的需求已达到前所未有的程度。一方面经济发展已受到某些资源短缺的约束；另一方面现有资源的利用效率不高，浪费严重。矿产资源的开发总回收率只有30%～50%，比发达国家平均低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤，为发达国家的10倍。在我国资源开发和利用过程中存在“高投入、低效率、高污染”的问题。

2、资源效率材料FeMnAlCrZnCuTiNi主料2.04.02.52.54020066.7100.0辅料21.625.731.377.3123.610.7785.7614.5资源效率4.24%3.37%2.96%1.25%0.61%0.47%0.18%0.14%表2-19生产1t纯金属材料所消耗的资源及资源效率表2-20我国材料生产的资源消耗与国际平均水平的比较材料能源钢铁木材水泥橡胶塑料化纤铜铝铅锌国际水平11111111111中国水平7.03.65.012.06.01.59.03.72.42.72.23、资源保护和综合利用

(1)资源保护广义的资源保护指人类在维护自然的生态系统及其综合体过程中，对开采和利用资源采取的平衡观念和行动；狭义的资源保护一般指对资源进行有效的综合利用，提高资源效率。资源保护的措施：主要有评价、管理、利用和监督等几个方面。资源评价包括对资源价值、开采价值、开采目的等方面进行综合评价，最后根据资源效率来决定资源利用的意义；资源管理包括在资源使用过程中的资源回采率、贫化率、加工回收率等方面进行综合管理，以保证资源效率；资源利用包括资源的开采技术、分选水平和资源的综合利用水平等方面；资源监督主要是保证资源利用过程中的经济效益、社会效益和环境效益要统一，而不是矛盾和对立的。从资源效率的角度，特别要注意提高资源加工水平，拓宽资源用途，加强资源的再回收利用程度等。

关于资源的有效利用，从技术方面来考虑：首先是节约自然资源，提高单位资源利用的效率。其次是发展替代资源，包括生产中的替代和消费中的替代。科学技术的发展，使人类在采用替代资源的同时，能保证产品的用途和质量等不受影响。第三是延长产品的生命周期，使用寿命的延长，意味着同种产品的原材料消耗降低，产生的废物减少。

关于资源保护，从管理上说：要