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(1)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环境材料六面体合成与制备成分环境指标结构使用性能结构合成与制备成分使用性能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,Re14光学仪器Nb,Sr,Ta,Ge,Be,Ga,B,Rb,Zr,Te,Cs11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92346.681002001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11742