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QINGDAOUNIVERSITY生物质材料学生物质材料第一章绪论AreYouReady?QINGDAOUNIVERSITY31.1环境、资源与材料1.1.1环境环境：指与人类密切相关、影响人类生活和生产活动的各种自然（包括人工干预下形成的）力量或作用的总和。分为自然环境和社会环境。自然环境：由水、土、气、矿藏、热、动物、植物、微生物等各种自然要素构成，主要包括大气环境、水环境、土壤环境、地质环境、生态环境等；社会环境：人类与自然要素在长期共处所产生的各种依存关系。主要包括居住环境、生产环境、文化环境、交通环境等。QINGDAOUNIVERSITY4环境对人类的功能主要表现在两方面：一方面，它是人类生存与发展的终极物质来源；QINGDAOUNIVERSITY5另一方面，它承受着人类活动产生的废弃物和各种作用结果。QINGDAOUNIVERSITY6全球十大环境问题全球气候变暖极地冰川融化，海平面每10年将升高6厘米，使一些海岸地区被淹没。影响降雨和大气环流的变化，使气候反常，易造成旱涝灾害QINGDAOUNIVERSITY7臭氧层的耗损与破坏紫外线辐射能破坏生物蛋白质和基因物质脱氧核糖核酸，造成细胞死亡；使人类皮肤癌发病率增高；伤害眼睛，导致白内障而使眼睛失明；抑制植物如大豆、瓜类、蔬菜等的生长，并穿透10米深的水层，杀死浮游生物和微生物，从而危及水中生物的食物链和自由氧的来源，影响生态平衡和水体的自净能力。QINGDAOUNIVERSITY8生物多样性减少每年至少有5万种生物物种灭绝，平均每天灭绝的物种达140个QINGDAOUNIVERSITY9酸雨蔓延酸雨是指大气降水中酸碱度（pH值）低于5.6的雨、雪或其他形式的降水水中的生物生活土地质量建筑物（特别是古迹）QINGDAOUNIVERSITY10森林锐减森林正以每年4000平方公里的速度消失。森林的减少使其涵养水源的功能受到破坏，造成了物种的减少和水土流失，还加剧了温室效应QINGDAOUNIVERSITY11土地荒漠化全球陆地面积占60%，其中沙漠和沙漠化面积29%。每年有600万公顷的土地变成沙漠。经济损失每年423亿美元。QINGDAOUNIVERSITY12大气污染大气污染的主要因子为悬浮颗粒物、CO、O3、CO2、氮氧化物、铅等。大气污染导致每年有30-70万人因烟尘污染提前死亡，2500万的儿童患慢性喉炎，400-700万的农村妇女儿童受害。QINGDAOUNIVERSITY13水污染如此水还是生命之源吗？水是我们日常最需要，也上接触最多的物质之一，然而就是水如今也成了危险品QINGDAOUNIVERSITY14海洋污染赤潮石油泄漏QINGDAOUNIVERSITY15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。QINGDAOUNIVERSITY16面对未来的地球，我们真的值得迷茫...我们的地球在几千万年的进化中始终保持着美丽的面貌，可现在，人类“掌管”地球才这么短的时间，他就满面疮痍QINGDAOUNIVERSITY17QINGDAOUNIVERSITY18QINGDAOUNIVERSITY191.1.2资源一、定义广义的资源：指人类生存发展和享受所需要的一切物质的和非物质的要素。既包括一切为人类所需要的自然物，如阳光、空气、水、矿产、土壤、植物及动物等等，也包括以人类劳动产品形式出现的一切有用物，如各种房屋、设备、其它消费性商品及生产资料性商品，还包括信息、知识和技术、人类本身的体力和智力等无形的资财。QINGDAOUNIVERSITY20狭义的资源：仅指自然资源联合国环境规划署（UNEP）的资源定义：“所谓自然资源，是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的、以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称”。包括太阳能、土地、水、大气、岩石、矿物、森林、草地、矿产、海洋、生态系统的环境机能、地球物理化学的循环机能等。QINGDAOUNIVERSITY211.可耗竭资源定义：在任何对人类有意义的时间范围内，资源质量保持不变，资源蕴藏量不再增加的资源称为可耗竭资源。二、自然资源分类QINGDAOUNIVERSITY22(1)可回收的可耗竭资源资源产品的效用丧失后，大部分物质还能够回收利用的可耗竭资源称为可回收的可耗竭资源。主要指金属等矿产资源，例如汽车报废后，汽车上的废铁可以回收利用。资源的可回收利用程度是由经济条件所决定的。只有当资源的回收利用成本低于新资源的开采成本时，回收利用才有可能。影响可耗竭资源开采量的因素有两个：价格因素和技术进步。QINGDAOUNIVERSITY23(1)可回收的可耗竭资源可回收的可耗竭资源最终仍无法逃脱被耗竭的命运，但耗竭的速率是可变的，它取决于市场需求、资源产品的耐用性和回收利用该产品的程度。需要强调的是：可回收的可耗竭资源不可能100%地循环利用。根据化学热力学第二定律，“在一个封闭的系统内，无限的内循环是不可能的”。QINGDAOUNIVERSITY24(2)不可回收的可耗竭资源使用过程不可逆，且使用之后不能恢复原状的可耗竭资源称为不可回收的可耗竭资源。其主要指煤、石油、天然气等能源资源，这类资源被使用后就被消耗掉了。由于不可回收的可耗竭资源使用过程的不可逆性，决定了使用机会只有一次。QINGDAOUNIVERSITY252.可更新/可再生资源能够通过自然力以某一增长率保持或增加蕴藏量的自然资源是可更新资源。例如太阳能、大气、森林、鱼类、农作物以及各种野生动植物等。QINGDAOUNIVERSITY26(1)可更新商品性资源财产权可以确定，能够被私人所有和享用，并能在市场上进行交易的可更新资源是可更新商品性资源。例如，私人土地上的农作物、森林等。QINGDAOUNIVERSITY27(2)可更新公共物品资源不为任何特定的个人所有，但是却能为任何人所享用的可更新资源是可更新公共物品资源。如公海鱼类资源、物种、空气等。特征：消费具有不可分性或无竞争性，是指某人对某物品的消费完全不会减少或干扰他人对同一物品的消费；再是消费无排他性，指不能阻止任何人免费消费该物品。QINGDAOUNIVERSITY28公共物品的可更新资源的非专有性属于公共物品的可更新资源是非专有的，非专有性是财产权的一种减弱，它将导致低效率。这种配制的结果是可更新资源过度开发，以及在管理、保护和提高生产能力方面投资不足。QINGDAOUNIVERSITY29三、自然资源的蕴藏量1已探明储量已探明储量是利用现有的技术条件、资源位置、数量和质量可以得到明确证实的储量。又分为：（1）采储量：为在目前的经济技术水平下有开采价值的资源。（2）待开采储量：定义为储量虽已探明，但由于经济技术条件的限制，尚不具备开采价值的资源。QINGDAOUNIVERSITY30QINGDAOUNIVERSITY312.未探明储量未探明储量是指目前尚未探明但可以根据科学理论推测其存在或应当存在的资源，分为：（1）测存在的储量：可以根据现有科学理论推测其存在的资源。（2）应当存在的资源：今后由于科学的发展可以推测其存在的资源。QINGDAOUNIVERSITY323.蕴藏量资源蕴藏量等于已探明储量与未探明储量之和，是指地球上所有资源储量的总和。因为价格与资源蕴藏量的大小无关，所以蕴藏量是一个物质概念而非经济概念。对于可耗竭资源来说，蕴藏量是绝对减少的；对于可更新资源来说，蕴藏量是一个可变量。这个概念之所以重要，是因为它代表着地球上所有有用资源的最高极限。QINGDAOUNIVERSITY334.三个重要的物质循环自然界内处于千变万化中的物质欲维持质量——能量守恒，只有通过物质的循环来实现。一旦物质循环的程序局部发生故障，即发生环境污染，则整个自然系统就要遭到破坏。其中碳循环、氮循环、氧循环是三个最重要的循环。QINGDAOUNIVERSITY34(1)碳循环：碳是构成有机物质的中心元素和构成地壳岩石及矿物燃料（煤和石油）的主要成分，也是构成各种材料，例如钢铁材料、高分子材料或陶瓷材料的基本元素之一。碳在钢铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料的一个重要化学元素和强化元素。QINGDAOUNIVERSITY35(1)碳循环：在自然环境内，碳的循环主要是通过二氧化碳来进行的。由动物呼吸或矿物燃料的燃烧生成二氧化碳并放出热量。在生物圈中二氧化碳的循环（亦构成氧循环的一部分）主要表现在光合反应中。反应：6CO2+6H2O+2822J→C6H12O6+6O2QINGDAOUNIVERSITY36(1)碳循环：碳循环始于CO2经绿色植物光合作用固定，以各种碳化物的形式储存，经过营养级的传递、分解，有一部分经过动植物的呼吸作用及动植物尸残体的分解转变为CO2，回归到大气中去；另一部分转入土壤或地下深层，经过漫长的演化转变成矿物。由于矿物燃料的燃烧，人类已经在全球尺度上影响CO2的生物地球化学循环，每年排放到大气中的CO2总量与日俱增，导致了地球表面热量不断积累，破坏了原来的热量平衡，形成“温室效应”。QINGDAOUNIVERSITY37北京大学环境学院(1)碳循环：QINGDAOUNIVERSITY38(2)氮循环氮是构成蛋白质的主要元素，而所有生物体内均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到自然界的各个领域。氮在材料工业中也起着重要作用。例如氮在铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料中的一个重要强化元素。同时氮还是金属基复合材料的一个强化相的组成元素，如AlN，TiN等等。QINGDAOUNIVERSITY39(2)氮循环氮与碳不同，氮是一个变价元素，它有多种价态，如：+5，+3，+1，-1，-3等。这使得氮的循环通过各种价态化合物组成复杂的途径。QINGDAOUNIVERSITY40(2)氮循环尽管大气圈中的分子态氮N2约占大气组成的79%（v/v），但是分子态氮对于生命是无效的。只有通过各种反应将N2转化成其它形态后，氮才能显示出生命活力。因此，氮与人类的生存密切相关。QINGDAOUNIVERSITY41(2)氮循环在生物圈中氮的循环基本模式是植物吸收N2经生物固氮作用形成硝酸盐、亚硝酸盐、氨、氨基酸，进而合成蛋白质和核酸，并和其他化合物进一步合成为植物有机体。除生物固氮以外，闪电和宇宙射线也能使氮被氧化成硝酸盐。食物链中成员的分解产物、排泄物在细菌的作用下转变成氨，亚硝化细菌把氨转化为亚硝酸盐，硝化细菌又进一步将亚硝酸盐转化为硝酸盐，在循环的末端，反硝化细菌把硝酸盐转变为分子态氮，又重新返回大气。QINGDAOUNIVERSITY42(2)氮循环在自然界中，氮的化合物倾向于还原状态，常常存在于和氢化合的物质中，而较少存在于氧化状态。然而由于工业生产和人为原因带进环境中的氮几乎都是氧化状态，如NO，N2O等。QINGDAOUNIVERSITY43(2)氮循环保持环境中氮氧化物的低浓度，对于自然界的平衡和生态系统的安全是非常重要的。由于矿物燃料燃烧及工业生产活动强度的日益剧增，使氮的循环受到了严重的干扰。目前，大气中的NO2以每年0.2～0.3%的速度增加，NO2的净增量每年达到了4×1012mol。QINGDAOUNIVERSITY44(2)氮循环QINGDAOUNIVERSITY45(2)氮循环氮在自然循环中的不平衡，将给生态系统带来极其严重的恶果。首先是因硝酸盐过量而污染天然水体，造成水体的富营养化，藻类过量繁殖。其次是硝酸盐对人类和动物生存的潜在危害。硝酸盐被人或动物摄取后，在细菌的作用下可能转化为亚硝酸盐。而亚硝酸盐除了能同血液中的红血球结合而破坏血液的输氧能力之外，还会同食物中的某些有机化合物起反应生成有致癌作用的亚硝胺化合物。气态的氮氧化物几乎都是剧毒性物质，在太阳辐射下还会与碳氢化物反应形成