5-环境材料

环境材料20世纪以来，社会生产力的极大提高、经济规模的空前扩大、经济总量的大幅度增加，创造了前所未有的物质财富，大大推进了人类文明的进程；自然资源的过度开发与消耗，以及各种生产废物和污染物的大量排放，导致全球性的资源短缺、环境污染和生态破坏；面对日益恶化的生态环境，可持续发展得到了世界的共识。资源（能源）、环境与材料的关系•材料是推动人类文明和社会进步的物质基础，是现代高新科技发展的三大支柱之一。随着社会的进步和科学技术的发展，高质量、高性能的新材料日新月异层出不穷。•材料产业及其相关产业和行业是资源、能源的主要消耗者。•材料产业及其相关产业和行业又是造成地球环境问题的主要责任者。材料生产：要从地球索取大量资源材料在生产、运输、使用、再生、废弃等整个寿命周期的各个阶段要消大量能源材料在生产、运输、使用、再生、废弃等整个寿命周期的各个阶段：要产生大量三废：废气（CO2、CO、SO2、NOx）、废水（水污染）、废物（固体废弃物），造成环境污染。大冶铁矿硬岩绿化复垦基地废轮胎：约80万吨/年电视机：约500万台/年洗衣机：约500万台/年电冰箱：约400万台/年全国城市垃圾：1.3亿吨/年中国目前废旧资源利用率相当于世界先进水平1/4～1/3污染物排放量比较几种材料的能耗比较材料排放量（公斤/吨产品）比值中国先进工业国家水泥、粉尘150.437.5电解铝、氟化物13.50.5～2.55.4～27材料能耗（吨标准煤/吨产品）比值中国先进工业国家钢材1.641.001.64水泥0.2010.1131.78纸1.200.592.04玻璃0.046（吨标煤/箱）0.02（吨标煤/箱）2.30电解铝14916（kw·h/t）12956（kw·h/t）1.15解决环境问题的必要性和紧迫性全球气温显著变暖(气温升高3℃，海平面上升60cm)全球气温变暖（气温上升1℃，海平面上升20cm）石油和天然气枯竭矿物资源枯竭废弃物问题食物短缺1990200020502100世界人口(100亿)1999年世界人口(62亿)国家人数中国3千万印度3千万孟加拉1千5百万埃及1千4百万其它三角地区和沿海地区1千万岛国1百万农业贫困地区5千万移民总数1.5亿据测算，到2050年，部分国家因环境恶化不得不移民的人数是惊人的!★环境难民★人类生存面临危机基里巴斯位于太平洋中部，由33个大小岛屿组成，分属3大群岛，陆地面积812平方公里，人口大约10.3万，超过半数住在塔拉瓦环礁。基里巴斯许多岛屿仅高出海平面数米。一些研究人员推算，太平洋洋面正以每年大约2毫米的速度上升。环境问题解决方法：末端治理（治标）源头控制（治本）:提高资源（能源）利用效率，综合思维，综合利用从材料研制和生产角度看，便是力求提高材料的利用率：○要求材料具有优异的使用性能（长寿命）；○要求材料和制备技术具备良好的环境协调性（省资源、少污染）；○力求材料和产品的再生循环利用。这正是环境材料的基本内涵治标将积累下来的污染问题，利用材料学与技术进行末端治理，恢复环境对污染物的容纳能力和消化吸收功能，改善生态环境。如治理造纸污水排放造成的污染，治理机动车尾气排放的污染，处理冶金、化工行业大量排放的废渣，其实是将废料变成原料，生产新的原材料产品，使废物被再循环利用，提高资源效率。治本将材料科学与技术用于环境保护，即在清除积累的环境污染问题的同时，开展初始端治理，在设计阶段即考虑减少生产过程对环境的影响。如通过提高资源利用效率、减少废物排放、改革生产工艺、实现清洁生产技术、从源头控制污染物的产生和排放，可以有效的改善生态环境。钢铁冶炼钢铁冶炼回归将制备的材料和产品能够与环境尽量相容和协调，使人类社会真正回归大自然。使大量的材料及产品都具有环境协调性、环境兼容性、环境降解性等环境性能，实现材料产业的可持续发展。环境材料的定义有不同说法，可归纳为：对资源和能源消耗尽可能少；对生态环境影响尽可能小；再生循环率尽可能高或可降解使用；具有良好的使用性能等。生态环境材料是在生态设计思想的指导下研发出的集功能特性、环境特性及经济性为一体的材料。日文：环境调和型素材中文：★环境意识材料★生态材料★环境协调性材料★环境材料★生态环境材料国内基本取得了共识——生态环境材料或环境材料。EnvironmentConsciousMaterialsEcologicalMaterialsEcomaterials英文EconomicMaterials所谓环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染低，再生循环利用率高。环境材料是人类充分考虑材料在其整个生命周期中对生态环境影响的基础上，在生态设计（Ecodesign）思想和原则的指导下，采用革新的低环境负荷工艺（或者说绿色制造工艺）开发出来的新材料。环境材料不仅是从源头治理或减轻环境污染的实体材料，而且应当是新时代材料研制与生产的发展方向。环境材料应具有的特性1）先进性能为人类开拓更广阔的活动范围和环境。2）环境协调性使人类的活动范围同外部环境尽可能协调（资源和能源、污染和废弃、循环再生率）3）舒适性使活动范围中的人类生活环境更舒适。•在环境材料的应用中，强调材料与环境的相容性、协调性是主要的研究目的，使材料在完成特定使用功能的同时，减少资源和能源的用量，减低环境污染。•开发环境相容性的新材料及其制品，并对现有的材料进行环境协调性改性。如开发天然材料、仿生物材料、绿色包装材料和绿色建筑材料等。对材料的环境协调性、经济性和功能性等主要的几个方面进行标准指标的定量化。评价原则：1.质量判据2.经济判据3.资源判据4.能源判据5.环境判据环境材料评价质量判据（性能判据）质量是材料的一个重要技术判据。材料的质量包括内在质量和表面质量两种。内在质量反映材料的成分、组织、结构、宏观缺陷等是否满足或超过技术标准的要求；表面质量包括表面缺陷、表面粗糙度、尺寸公差等。如生产某一产品而达不到使用的质量，而成为废品，造成了材料与能源的浪费，它就不是环境材料。经济判据材料的生产，必须进行成本分析和经济核算，从而计算人类活动的经济成本。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。对材料的生产进行成本分析，从中可以找出降低成本的环节，然后寻找改进措施。例如，对于生产高合金钢，铁合金的费用在成本中所占的比例很高，因而合理开发和选择某种替代产品，制造成特殊钢，将会产生重大的经济效益。又如寻找一种持久性的产品替代那些易损、易坏的产品，其本身就具有节省能源、节省资源、节省经费等效益。资源判据材料的生产和制造涉及到资源，由于地球资源的有限性，因而要求单位重量或单位产品的材料由最少的资源量构成或尽量多用再生资源，这就是材料的资源判据。利用资源判据，一方面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；另一方面还需要研究材料的分离技术，提高材料的再生循环能力。例如，金属材料往往以合金的形式使用，如何从合金中分离出纯金属则是一个困难的问题，这也是材料资源判据所要解决的问题。能源判据为了降低成本，材料的生产和使用都需要考虑能耗问题。能源判据不仅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。一方面可以减少污染物的排放，另一方面达到经济可持续发展。环境判据在环境评价工作中大多注重生产的排污评价工作，而很少对项目中使用的材料，从它的开采、加工、使用、废弃等过程中对其进行评价。采用的方法是生命周期评价（LCA），即对一种产品从加工制造到废弃的全过程进行全面的环境影响分析和评估。材料的生命周期评价方法也被称为LCA方法。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”，利用能量守恒和物质不灭定律，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计算。20世纪80年代从事环境研究的学者发展了这一方法，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，以考察工艺过程的各个细节，即从原料的提取、制造、运输与分发、使用、循环再利用的各个环节进行综合考虑，以考察其总体对环境的影响程度。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影响进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负载的大小，建立环境性能数据库，并寻求改善的可能。以一个塑料瓶进行生命周期分析为例，首先考虑原材料的来源，比如原料取得、精炼、裂化、制成塑料小球，然后吹制，加盖喷射成型，成为塑料瓶；其次考虑它们的再利用问题，瓶子可以反复利用，可以被恢复成新瓶子，也可以通过再循环变成其它替代产品，最终可以用多种形式处理等。橡胶塑料尼龙涤纶环氧以高分子聚合物（或称合成树脂）为主要成分。为了改进塑料的性能，在聚合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等。分类：按理化性能•热塑性塑料：PS、PE、PP、PTFE等•热固性塑料：酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃、聚硅醚等按使用特性•通用塑料：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯并称为四大通用塑料•工程塑料：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等•特种塑料塑料可降解塑料生产过程中加入一定量的添加剂（如淀粉、改性淀粉或其它纤维素、光敏剂、生物降解剂等），稳定性下降，较容易在自然环境中降解的塑料。四大类可降解塑料：1.光降解塑料，在塑料中掺入光敏剂，在日照下使塑料逐渐分解。2.生物降解塑料，在微生物的作用下，可完全分解为低分子化合物的塑料。3.光/生物降解光降解和微生物相结合，同时具有光和微生物降解塑料的特点。4.水降解塑料，在塑料中添加吸水性物质，用完后弃于水中即能溶解掉。不可降解的塑料具有稳定的化学性质，其安全性已被证实是可靠的。与通用塑料相比，可降解塑料的性质是不稳定的，如生物可降解塑料具有生物不稳定性，在微生物环境下可被分解，导致细菌的滋生。使用可降解塑料有四个不足：一是多消耗粮食；二是使用可降解塑料制品仍不能完全消除“视觉污染”；三是由于技术方面的原因，使用可降解塑料制品不能彻底解决对环境的“潜在危害”；四是可降解塑料由于含有特殊的添加剂而难以回收利用。可降解塑料不足之处１、开发汽车用新合金材料环保汽车２、航空航天用有色金属材料３、深海和超高层大厦用有色金属材料４、绿色技术环境材料研究举例在降低汽车对环境污染的努力中，最实际而有效的途径是通过材料的轻质化来降低汽车燃料消耗。（1）铝基复合材料（2）钛合金（3）高强度钢板环境材料研究举例开发汽车用新合金材料环保汽车航天材料主要用于运输系统（火箭、宇宙飞船）、卫星系统、太空基地。其研究的主要方向是如何利用金属系高比强结构材料、大型一体化复合材料、超耐热结构材料、超低温结构材料和轻质耐久性的防热材料。（1）铝合金（2）钛合金（3）金属基复合材料环境材料研究举例航空航天用有色金属材料铝合金在固体火箭中使用高强铝合金不多，而液体火箭的推迚剂罐则使用了超低温、高韧性和可焊性好的铝合金，今后还在此环境条件下积极开发Al-Li等高比强、可焊性好的铝合金材料，这种材料可作为大型高速飞机的重要机体材料。钛合金在火箭上段、固体火箭的电动机壳体和卫星的高压储气器壳体等部件大量使用了轻质化、良好耐高温性能的钛合金。金属基复合材料金属基复合材料，同铝合金、钛合金相比，比强度和比刚性高，高温特性和耐环境性也很优良，有望成为新一代超音速飞机和带翼航天器的机体材料。JSF战斗机使用的F120发动机海洋环境和深海中使用的材料必须具有良好的耐蚀性、水密性、轻质性和防止生物附着性，这些都为新金属材料的应用提供了可能。特别是人们希望在海洋中设置固定性站点，为此就需要能在深海中应用的各种传感器、机器、工作站的结构材料，这些材料中有许多是在宇宙航空环境中应用的铝合金、钛合金。环境材料研究举例深海用金属材料环境材料研究举