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1、第四部分：天然资源环境材料、环境替代材料及净化材料 第四部分:天然资源环境材料、环境替代材料及净化材料 4.1天然资源环境材料一、木材的开发和利用1、 木材的结构和成分 木材是利用土壤中的水分、空气中的二氧化碳以及太阳能通过光合作用而成良的有机体,具有各种各样的年轮结构、组织结构、细胞形态、空隙结构及化学组成。其大致结构及成分如表4-1所示。从结构上看,木材主要由管状细胞结构和软组织构成;从成分上看,木材主要成分是纤维素、半纤维素和木质素组成。 木材是森林的主产品,是一种可以永续利用的再生资源,除了可以做建筑、家具、乐器、枕木、桥梁外,还可制成各种多功能的人造板。木材的易胀缩、易腐朽、易蛀蚀、
2、易燃等缺陷,可以通过改性、防腐、防虫、阻燃等处理,提高其利用价值。 表4-2是木材与钢材和水泥的部分性能比较。可见木材的密度较小,大约只有钢材的1/20、水泥的1/4。而且,木材的导热性最小,吸水串较大,具有钢材和水泥所不具备的特点,作为室内结构和装饰材料有明显的优势。2、 木材的环境特性 近年来越来越多的研究表明,作为一种天然材料,木材具有优异的环境性能,在树木的生长、木材的加工和使用过程中对环境具有非常友好的特性。 为了利用木材,需要进行干燥、切削、粘结等各种加工。表4-3中列出了木材及其他材料加工过程中的一些环境特性数据。可见与钢材、铝合金、混凝土及纸材相比,加工木材的过程中,特别是自然
3、干燥木材的矿物燃料消耗和二氧化碳排放量都是最小的。随着对木材加工程度的增加,其能耗和二氧化碳排放量相应增加。相对来说,三合板和硬质纤维板在加工过程中的能耗和二氧化碳排放量比混凝土加工要高,但也远远低于钢材和铝合金加工过程的环境影响。 下面简述木材的一些典型环境特性,如木材的再生性、固碳作用、调湿性,以及与人类有关的视觉特性和触觉特性等。再生性 作为环境保护的一个重要内容,废弃物的再性利用是提高资源利用率.减少污染物排放的有效途径。与不可再生的矿产资源相比,木材的可再生性是矿产资源不可比拟的,符合人类社会可持续发展的战略构想。 今天,世界上作为可利用的木材资源已发性重要变化,人工林资源正在替代天
4、然林资源。木材是一种最早的、最标准的环境材料。 (2)固碳作用 从1860年到现在,大气中的二氧化碳浓度已由28010-6上升到35310-5,目前正以0.40%的速度继续增长。据专家预测,到2050年以后大气中二氧化碳的浓度将会是现在的两倍。以二氧化碳为主的温室气体累积产生的温室效应,将导致全球气候逐渐变暖。 木材中的C,H,O,N等元素的来源各不相同,以占其中50%的C元素而论,主要来源于大气中的二氧化碳。早期的树木研究就已表明,二氧化碳浓度的增加时植物有“施肥效应”,这非常有利于生物圈对大气中二氧化碳的吸收。通过光合作用,每生长1t木材可吸收1.47t二氧化碳,产生1.07t氧气,将碳元
5、素固定在树木中形成纤维材料,这种固碳作用和造氧机能是其他材料所不能比拟的,对地球生物圈的生态平衡有着重要的作用。 (3)木材的调湿性 材料的调湿特性是指靠材料自身的吸湿或解吸作用,直接缓和环境的湿度变化,使湿度稳定在一定范围内。调湿性是木材的独特性能之一,也是其广泛作为室内装饰材料和家具材料的优点所在,对人体健康和物品保存提供了一种环境调节作用。 判断材料的调湿性通常有两种方法:一种方法是以水蒸气变化为基准判断不同材料的凋湿性,另一种是以温度变化为基准判断不同材料的凋湿性。将这两种方法进行综合来判断常用居室装饰材料的调湿性,结果发现软质纤维板的调湿性能最好,实体木材、胶合板、刨花板、石膏板的调
6、湿性能也属优良。有些材料虽然基材的调湿性好,但若表面用调湿性不好的材料处理,仍然不能得到很好的调湿性能。 (4)木材的视觉特性 产品特点:这款产品古典气息浓厚,纹理逼真自然。地板表面独特的V型槽设计,铺装后使室内的视觉效果更加开阔。并且快步地板可以保证多年使用不出现缝隙。 (5)木材的触觉特性 产品特点:木材具光泽、结构细、纹理漂亮、木材稳定性好、耐腐、抗蚁性强,干燥性能良好3、 木材改性和应用 木材也有许多不足之处,如硬度强度不够高、易腐朽、变色等。为了增加使用的可靠性和避免其缺点,通常要对木材进行加工改性后再使用。改性方式包括整体改性、表面改性及细微复合处理等。 作为传统家具的原材料,我们
7、祖先原来采用的是榆木、松木、榉木,楠木等中度硬度的木材,后来由于材料的短缺才改用热带硬木。既然传统家具已改用硬木,并且已被市场接受,那么,我们应该利用现代的科技和手段,去改变木材的性能,以符合市场的需求。不应该违反国际与国内法,不应该去破坏人类的热带雨林,而应该以人工为材料,进行改性。1 整体改性 木材的整体改性可用于各种功能和各种用途。目前,整体改性主要有物理改性和化学改性等方式。物理改性包括对木材进行外形修饰、形状加工、组合等,如制成叠层木、三合板、复合板等;化学改性包括浸渍处理、减压注入、加热注入、化学修饰等方法,可起到防腐、阻燃、耐磨、抗裂、装饰等作用。例如,一种新型的全天然材料叠压木
8、地板,经过纵横叠压,并配以精制的树脂胶粘结,再经高温、高压处理,具有阻燃、耐磨、防虫蛀、抗静电、抗冲击、防潮湿的性能,即使在沸水中蒸煮十几个小时,也不会脱层开裂,而且,其甲醛释放量几乎为零,对人体无毒、无害。 另一种技术是将木材和无机物组分进行复合处理,改善木材的阻燃性和耐腐蚀性。具体工艺是将木材浸泡在配好的无机盐溶液中,通过阳离子和阴离子交替扩散,使无机组分浸透到木材空隙中发生无机反应,在木材内部形成一些非水溶性盐。这些填充的无机物质可阻止木材的热分解、腐朽真菌丝体的生长和白蚁的侵食等,使木材获得良好的阻燃性、耐腐蚀性及抗蚁性。 浸渍木的技术处理方法如下:木材放入水溶性低分子量树脂的溶液中,
9、让树脂进入木材细胞壁,然后进行干燥。主要使用的材料是酚醛树脂,也可以使用脲醛树脂,糖醇树脂及间苯二酚树脂等。利用浸渍法处理速生杨木,硬度增强了很多。2表面改性 木材的表面改性是传统的方法,包括涂层保护、装饰处理等。最简单的表面改性方法是表面压实处理,主要利用木材在水和热的作用下变软的特性,将水浸透到表面一定深度,利用力学原理,用热压的方法将表面压实,然后对其进行树脂处理、化学修饰、热处理等,使压实的表面固定下来,从而使木材表面的密度和硬度等使用性能得到提高. 还有一种非电解镀膜表面处理方法,将木材表面浸入金属离子和还原剂的混合水溶液中进行镀膜,使木材表面得到一种金属的光泽,具有装饰性,同时也提
10、高抗细菌腐蚀和抗紫外线照射的耐久性。这种处理通常用于高级木材的表面处理,如汽车内箱仪表板等。 用等离子体对木材表面进行处理是一种新的木材表面改性技术。该方法是在真空下通过放电产生等离子体,使某些气体分子在木材表面进行化学结合的一种方法。等离子体表面改性有许多优点,如可以很快地改变表而组成而不影响其内部整体的性质,特别是机械强度、介电性等。还可以通过调整各种工艺参数.如气体成分、压力、功率.时间等,选择最佳处理条件,在木材表面引入各种官能团,进一步提高木材的使用性能,并改善其装饰性能。3细微复合处理 木材表面细微复合处理是在分子水平上的处理技术,目前尚属新课题。简单地说,细微复合处理是使木材表面
11、各个层次都形成具有过渡性的界面.在此基础上既保持木材原有的舒适性和环境协调性,又创造出具有优异性能和高耐久性的复合材料。目前有关木材细微复合处理的研究主要是木材在多成分系统界面上的亲和性、相容性及组分间相互作用等,阐明各个层次中的界面现象及界面结构,理解化学反应过程及机理,以及评价木材经细微复合处理盾的性能改进等。二、木材深加工和应用 除整体改性使用外,对木材进行深加上处理.开拓木材的使用范围,是近年来木材应用的一个研究热点。表4-4列举了一些常见的木材深加工产品的加工工艺及其特点。 一般认为,从自然界中打离出来,在颜色.花纹上具有为人们所欣赏的美感,同时,又能切割加上的石料统称为石材。因此,
12、石材有两电含义.一是它的岩石成因和成分,二是它听具有的装饰性和可加工性,两者缺一不可。 地球上的岩石是各种矿物的集合,无确定的成分、结构及性质。同种岩石产地不同,其性质和成分也有所不同。表4-5是常见的岩石成因及来源。可见岩石主要有3种成因,由岩浆冷却而来的火成岩;由于地表组分在长期的外力作用下,如压固、胶结、重结晶等作用而形成的沉积岩;以及由于地质作用发生再结晶形成的变质岩等。 从材料的环境性能考虑,石材由于其纯天然成分、资源丰富、对人体及生物体无毒无害,而且来源方便、成本低廉,是一类环境性能优异的材料。尤其在现代,环境污染比较严重。石材的应用更加趋向广泛。表4-6列举了一些常用的石材种类及
13、用途,可见石材目前主要是用作建筑结构材料和装饰材料,以及一些化工行业的耐酸材料。 现代人利用的石材主要是经过加工的块材、板材和石制品。块材主要用于砌筑大型建筑的基础、堤坝、桥墩,铺筑路面、桥面或作路边石等,板材和石制品主要作为装饰材料,用于外墙面、柱面、地面、台阶板、楼梯板、窗台板、窗框、门楣及建筑花雕和装饰小品等。三、其他天然材料的开发和利用1、竹材的综合利用 竹为多年生木本,具有致密性好,材质柔韧,结构不均匀,价格低廉等特点。其化学成分与木材相比,含有较高的纤维素、半纤维素、淀粉、糖类及蛋白质等有机物,故比木材更易产生虫蛀,霉变和腐朽等损坏。 一般竹材密度约在0.6-0.8g/cm3。毛竹
14、中间杆材的平均化学成分见表4-7,可见毛竹主要由纤维素、多缩戊糖、木质素及少量蛋白质等物质构成。从表4-8的结果可见,毛竹的抗拉和抗压强度都较好,延伸率也较高。 天然竹材是典型的长纤维增强复合材料,其增强体-纤管束分布不均匀,外层致密,体内逐步变疏。竹纤维中包含多层厚薄相间的层.每层中的纤维丝以不同的升角分布,相邻层间升角渐变,避免了几何和物理方面的突变。竹材的结构符合以最少的材料发挥最大效能的原理。按竹材截面的纤维分布模式制成的碳纤维增强树脂试样.其抗弯能力比增强体均匀分布的试样高81%;按其多层、渐变概念设计碳纤维-铝复合材料,其高温强度比未仿生的高出5倍以上。 竹材主要用于制浆造纸、各种
15、竹质人造板、竹编制品、竹凉席、竹卫生筷等。其中竹浆年产量约25万t,年耗竹材100万t左右。竹材人造板是20世纪80年代后期发展起来的新兴产业,现年产量约27万m2,年节伐木材80万m3以上,对国民经济的发展起到了重要作用。表4-9绐出了常用竹材的加工工艺及其用途。 竹地板实际上属竹材层压板,是一种新的工程结构用材,强度极高。用作铺设地板,装饰效果好。华硕(Asus)竹质外壳笔记本,刨切板采用的背衬是一种纤维素纸,用欧洲D3耐水标准的环保型胶水复合。这种纤维素背衬能够承受摄氏220的高温。 竹材结构致密、质感爽滑、纹理清晰,是很好的装饰材料。但竹材的淀粉、糖类、蛋白质含量均比木材高,且纤维多纵
16、向排列,因此其最大缺点是在20-30温度范围内,30%湿度的条件下发生霉变,导致强度降低,耐久性削弱。目前常用的处理方法是对直接使用的原材进行l0%石灰水浸泡,对二次加工的竹材进行复合改性处理。 2、稻壳 水稻是人类的主要粮食品种之一。除大米外,稻壳的质量占水稻总质量的18%-22%。由于对粮食的需求,每年全世界约产生6000万t稻壳,是一种典型的农业废弃物。 表4-10给出了常见稻壳的主要成分及性质。可见稻壳除含有少量的粗蛋白、角质、粗脂肪及淀粉外,主要由木质素、碳水化台物及无机质组成。其燃点较高,而密度较小。 稻壳来源于农田,若堆积或焚烧,不仅浪费资源,还会污染环境。到目前为止,作为二次资
17、源,已发现稻壳可以生产出许多有用的产品,如加工成木糖醇,生产出高纯s,O:.活性炭,最后将残余物焚烧后还可获得热能等。 关于稻壳的深加工综合利用,目前有各种工艺途径,图4-1是其中一种稻壳综合利用工艺流程;该工艺首先用水解法从稻壳中提取木糖醇,回收率可达10%-14%,若年处理量达2万t,可得本糖醇l000-1500t。相对而言,从稻壳中提取木糖醇比从玉米芯,玉米杆、燕麦等原料中提取木糖醇的回收率要低。 稻壳经水解处理提取本糖醇后,残渣有两种处理工艺,一种是将残渣去水、通氧焚烧,通过燃烧获得热能用于发电或取暖。然后将燃烧后的稻壳灰分进行漂洗,由于稻壳灰分中含96%Si,漂洗后可得高纯SiO2粉
18、,这种高纯SiO2粉最初用于橡胶、塑料工业的防滑和耐磨填料。20世纪80年代后期,由于信息产业的兴起,人们发现这种由生物过程获得的高纯SiO2粉,矿物杂质含最极低,可替代矿物SiO2粉制备计算机芯片。另一种工艺如图4-2所示,是将稻壳残渣加碱反应,经过滤、水洗和酸洗处理后,液体可制备水玻璃,固体经真空干燥、活化处理后制得活性炭。 利用稻壳燃烧进行发电目前也有两种工艺:一种是直接将稻壳残渣送入锅炉通氧燃烧,通过蒸气带动汽轮机发电;另一种工艺是将稻壳残渣送入煤气炉,通过煤气气化工艺驱动发动机发电。 除利用稻壳制备活性炭、高纯硅粉,以及燃烧发电外,将稻壳经简单处理,可制成稻壳砖等生态建材。稻壳内含有
19、20%左右无定形硅石,是制砖的好材料。日本有人将稻壳与水泥、树脂混匀,再经过快速模压就可以得到砖块,这种砖块,具有防火、防水、隔热、质量低、不易碎裂等特点。另外,用稻壳作为原料,生产一次性环保餐具近日已走向市场。由于使用塑料餐具造成了白色污染,许多地方政府发布了禁用一次性塑料餐具的规定。用稻壳制一次性环保餐具,用稻壳与植物型、水溶性、可降解的粘合剂,通过冷压成型即可。从材料成分上看,稻壳可自然降解,对环境无影响;从原料来源看,属于固体废弃物再生利用,提高了水稻生产过程的资源效率;从生产过程看,用稻壳生产一次性快餐盒,是一个冷成型物理生产过程,对环境无污染。3、其他天然资源的综合利用1 纤维素、
20、甲壳素和蛋白质等生物资源的综合利用 从消除和缓解全球性环境问题,如温室效应、有机废弃物的消化等方面看,目前还主要靠生物有机过程来完成。图4-3是碳、氮元素在自然界中的主要循环途径示意图。植物利用太阳能,通过光合作用吸收二氧化碳,释放出氧气,将碳以生物碳的形式固定下来。这种生物过程年固碳量可达5000亿t以上,占整个固碳量99%以上,为减缓温室效应做出了主要贡献。氮的循环是在大气中的氮气、微生物、动物、植物之间通过硝化作用、反硝化作用及固氮作用进行的。植物的年固氮量可达108109t,占全部固氮量的95%以上。 从成分上分析,每年地球上由生物循环过程生产的原料数量远远大于由人工生产的原料数量。大
21、自然中年产量最大的3类原料是纤维素、甲壳素和蛋白质,数量都在100亿t以上。因此,利用这些天然原料,为人类生产制造所需的产品,是环境材料学提倡的一个大方向。 天然纤维京对人体有一种自然的亲和性.是一类典型的环境协调性材料。在合成纤维技术发达的今天,天然棉纤维仍占纤维总产量的一半,比全合成纤维的产量大。目前,在天然纤维索的综合利用方面,纤维素是生产粘胶人造丝及玻璃纸的原料;醋酸纤维素主要用作过滤嘴香烟的纤维束和装饰硬纸板,同时也广泛应用于制造抗燃性电影胶片、清漆、塑料、人造丝及净化分离膜等;硫酸酯纤维素主要用作抗凝血,抗病毒的医用材料。 甲壳素是地球上第二大生物再生资源,也是自然界除蛋白质外分子
22、量最大的含氮天然有机高分子材料。年生物合成量可达上百亿t,产量仅次于天然纤维素。甲壳素广泛存在于无脊椎动物的外壳、昆虫的外角质层和内角质层及真菌的胞壁中。目前甲壳素被广泛用于制造生物医用材料,如外科手术缝合线、人工透析膜、止血剂和伤口敷料、药物释放剂及隐形眼镜等。另外,甲壳索还可用于制造膜分离材料、纤维功能材料及净水絮凝剂等。 淀粉是自然界中蛋白质最主要的存在形式。目前的应用主要是用淀粉制造高性能粘合剂和生物降解膜。淀粉及其衍生物产品巳广泛应用于食品、造纸、纺织、医药、选矿、皮革、涂料,塑料、环保及日用化妆晶等工业部门。2 由辣椒提取天然红色素3 废弃羽毛的综合利用4 由树叶提取香精油、生物医
23、药制剂及食品添加剂5 木糖醇的生产和应用4.2环境替代材料 常见的环境替代材料有替代氟里昂的制冷剂材料、工业和民用的无磷化学品材料、工业石棉替代材料以及其他有害物如水银等的替代材料。还有,那些环境负荷较大的建筑材料,如铝门窗替代材料等。另外,用竹、木等天然材料替代那些环境负荷较大的结构材料事实上也属于环境替代材料的一类。一、氟氯烃化合物替代材料 氯氟烃化合物CFC是广泛应用于制冷、空调、电子清洗和化妆品等行业中的一类化工产品。经使用后释放的CFC最终会上升到大气中的平流层,在阳光中的紫外线照射下分解产生氯原子。这些氯原子与臭氧层中的臭氧发生链式反应,一个氯原子可连续消耗10万个臭氧分子,严重破
24、坏大气臭氧层,造成大气层中的臭氧空洞。例如,在南极周围,有一个非常寒冷的孤立气团,使氯氟烃化合物更易与臭氧反应,形成南极上空一个巨大的臭氧空洞,其面积和美国国土面积相当。 由于臭氧层破坏,来自太阳的紫外线对地球的辐射大大增加,给人类、动物、植物造成很大的危害。例如,降低人体免疫力,使某些传染病如庖疹、疟疾等发病率增加,损伤眼睛。引起白内障,并使皮肤癌发病率增加。据估计,由于臭氧层破坏,诱发眼疾白内障,导致全世界每年将新增3万失明的人。而且,到2000年,即使将CFC排放控制在现有水平上,由于臭氧层破坏,导致北美和西欧皮肤癌新增人数分别为44万和17万。 强烈的紫外线辐射.破坏地面作物和多种材料
25、的性能,使?多农作物,微生物和海洋生物受损.影响到人类食物供应。另外,紫外线辐射增加,使接近地面大气中臭氧浓度反而增加,尤其是在人口密集的城市中心.这些地区臭氧增加,会引起光化学烟雾污染,影响人类身体健康。而且,氯氟烃也是造成全球温室效应的因素之一,其影响正在逐渐增加。 人类为了保护自己的生存环境,防止臭氧层破坏和减小全球温室效应,正从3个方面探索解决CFC问题的途径:一是对现用制冷剂的更新替代;二是扩大现有天然制冷剂的应用;三是研究和采用其他制冷方法。途径一:对现用制冷剂的更新替代 替代制冷剂应符合下列要求: 臭氧消耗潜能值,亦称臭氧破坏能力值ODP和全球增温潜能值,亦称温室效应值GWP应为
26、环境标准所接受; 替代工质应与被禁止工质的性能接近,以便和原工质兼容; 有较好的经济性,能量消耗应在规定的标准之内; 有较可靠的安全性,无毒,不燃烧,在空气中没有爆炸的危险。 目前的CFC替代品有两大类:一类是过渡性替代材料,另一类是永久性替代材料。过渡性替代材料主要有氟代烃类化合物HCPC、丙烷、异丁烷等。永久性替代材料目前开发出来的有环戊烷、R134a等。根据实验结果,目前尚无一种满意的CFC永久性替代品。例如,人们曾认为采用不含氯的R134a制冷剂是长期解决问题的根本途径,但是R134s属于HFC类制冷剂,能阻挡红外辐射能返回天空,对全球气候变暖直接影响较大。途径二:扩大现有天然制冷剂的
27、应用 有3种流体保留应用于常规-40-4的制冷空调蒸发温度范围,即氨、碳氢化合物丙烷及其混合物和二氧化碳等,这些制冷剂适宜于所有制冷空调领域的实际应用。 在1930年前的半个世纪里,CO2是一种常用制冷剂,氧氟烃化合物问世后,CO2很快就被人们放弃。当CFC问题出现以后,人们才重新重视CO2的许多优点,并在国内外开展CO2作为制冷剂的深入研究。CO2能否有效地应用于制冷和空凋,取决于能否找到一种可以在接近和超过临界点完成功耗运行的适当方法。为了使CO2作为制冷系统的制冷剂,需要开发一种能适合CO2热力性能的压缩机。这种压缩机的压力将比常规制冷压缩机的压力高3-4倍,因此必须对现有压缩机进行重新
28、设计,这是应用CO2的主要缺点。CO2能否成功地应用于制冷和空调将取决于全球在这一领域的科技成就。途径三:研究和采用其他制冷方法 其他的制冷方法有吸收式制冷、斯特林循环制冷、电热制冷、磁热制冷和半导体制冷等。电热制冷和磁热制冷的独特之处在于,这两种制冷系统完全没有机械运动邪件,或者只有少量的机械运动部件。实现磁热效应需要强磁场,得到这种强磁场困难较大,而为了以电热效应工作的装置获得强电场却没有什么困难。例如,莫斯科能源研究所研制了一种电热装置的模型,在该模型中展示了带热媒循环的多级制冷装置的结构原理,模型工作稳定,热媒的冷却和加热与计算机的计算值相符。 由于半导体材料没有大的突破进展,故半导体
29、的制冷效率低,且造价昂贵,一时难以普及应用。斯特林制冷机目前仅用于夜间红外线观测的低温冷却,但被认为是有发展前途的制冷装置。吸收式制冷机是当前空调中广泛采用的、有生命力的制冷机,溴化锂吸收式制冷机是其典型的代表。目前,正在开发研制的三效溴化锂吸收式降水机组的性能系数可达1.5,在制冷机领域中颇具竞争力。 总之,CFC问题的彻底解决需要一个相当长的过程,人类在这一环境保护问题上迈出的每一步都将付出很大的代价。为有效保护臭氧层,研究开发新的永久性CFC致冷剂替代材料也是生态环境材料领域今后的一个努力方向。二、无磷洗涤剂的开发与应用含磷洗涤剂污染水体: 磷是一种植物营养素,如果水体中磷的浓度过高,会
30、引起水体的富营养化,水生低等植物(如蓝藻)大量繁殖,消耗水中的氧气,并阻隔空气中的氧气进入水体,引起鱼类及其他水生动物的死亡,动物的尸体和藻类死亡后腐烂变质,对水质造成影响。不久前太湖水发臭变质就和太湖水富营养化、蓝藻爆发有关。如果不采取措施对水体富营养化进行治理,水体中淤泥会逐渐增多,水体将会萎缩、沼泽化。使用无磷的洗涤剂,可以减少水体中磷的含量,防止水体富营养化,保护水环境。 从国内外无磷洗衣粉的开发、应用和发展过程来看,洗衣粉实现无磷化主要采取以下措施: 调整洗衣粉配方,增加表面活性剂比例,由15%增到加25%甚至更高,以提高洗衣粉的去污除垢能力; 用-烯基磺酸盐和醉系表面活性剂替代目前
31、使用的烷基苯磺酸盐,提高产品的生物降解性和去污能力,但产品成本有所增加: 用沸石替代三聚磷酸钠,作为无磷洗衣粉的助剂,主要是通过钠、钙离子交换达到束缚钙离子的目的,实现了硬水的软化。 在无磷洗衣粉开发中,可以采取以下措施来弥补无磷洗衣粉的缺陷:1为了提高去污除垢能力,可以加入少量酶制品;2适当加入其他助剂,使无磷洗衣粉具有多功能化,例如消毒、柔软,防静电等功能。3可以根据某些行业需要,开发专用无磷洗衣粉,例如民用、工业用、医用,等,4在开发中要研究降低生产成本,保证洗涤性能,增强与液体洗涤剂的竞争。三、石棉替代材料 石棉制品对人体有强烈的刺激作用和致癌倾向,石棉的危害主要是长期吸入石棉尘可导致
32、石棉沉着病。石棉沉着病患者的临床改变待征是支气管内膜炎和肺气肿,导致石棉肺。我国早在20世纪80年代初就已禁止生产和销售石棉制品。但是,石棉制品具有理想的保温、隔热、耐磨等性能,如高温防护服。汽车刹车垫、隔热垫等产品,以前大多用石棉材料制成。 根据用途不同,目前市场上已有许多种石棉替代材料。如汽车刹车片现大多用含石墨无机纤维材料制成。日本已有用树皮陶瓷材料制得的汽车刹车片上市。耐隔热垫或其他保温绝热材料,现大多数用硅酸铝、硅酸锌陶瓷纤维材料,原料来源简便,加工成本低廉。对高温防护服,国内外已有用芳族聚酰胺纤维替代石棉纤维制成的高温防护纺织品。这种新材料具有优良的阻燃、耐热性能,其分解温度可达3
33、85,在火焰中不延燃,可用于冶金服、消防服以及特种部队战斗服等。 随着科学技术出发展,新的环境友好型的保温隔热材料不断涌现。特别是许多地方,发挥当地的资源优势,开发了许多就地取材的保温隔热材科,基本替代了石棉制品。 石棉替代品生产和应用发展很快,目前已知有150多种,但最常用的有:玻璃棉、岩棉、渣棉及漂白土纤维、绿坡石、海泡石等,由于其仍具有生物活性和致病力,已受到重视。 1. 石棉替代品的生产使用现状 1.1. 岩棉 岩棉ROCK WOOL是以精选玄武岩或辉绿岩为主要原料,加一定比例的矿渣,经高温熔融制成的人造无机纤维,深加工制成岩棉板、岩棉管、岩棉毡等系列产品。具有绝缘、消音、耐火、导热系
34、数小、隔冷热,自重轻,价格较低,且具有优越的防火性能等特点,广泛应用于石油化工、电力、建筑、冶金等行业,是管道、贮罐、烟道、车船等工业设备理想的保温建筑材料。由于用途广泛,发展迅速,是目前作为石棉替代品之一。 1.1.1. 建筑行业使用岩棉型材种类: (1) 防水保温复合卷材 上海市建筑研究院研制的防水保温复合卷材,采用半硬质岩棉板条与各种新型卷材复合,半硬质棉板条宽约10cm,用热熔型胶粘剂成排粘结于卷材上,以便此复合卷材作为产品可以成卷搬运。 (2) 钢丝网岩棉夹芯复合板 这是一种十分灵活的多功能、多用途复合板材。采用两层钢丝网片为主要骨架,中间填充半硬质岩棉板。两层钢丝网之间用短钢丝联系
35、,组成一个十分稳固的半空间网架体系,运到现场安装后,在钢丝网两外表面分别喷涂或抹涂2.5cm厚水泥砂浆,即成为可作为内、外墙体及屋面的钢丝网岩棉夹芯复合板。 (3) 岩棉彩钢复合板 采用彩钢框架,其芯材采用100kg/m3容重的岩棉板。其厚度为10cm,传热系数仅为0.38W/m2K,每平方米重量只有20kg,十分轻便。 岩棉彩钢复合板因全部为非燃烧材料制作,因此防火性能优越,且可工厂化大批量生产,便于机械化作业施工,是今后工业与民用建筑的发展方向。尤其可实现灵活隔断,便于住宅户型随人口的增减而自由改变。但目前成本还较高,每平方米约近200元,在住宅建设中尚难大量推广。 1.1.2. 噪声控制
36、材料: 岩棉因具有吸声系数高、容重轻、不燃、不腐不蛀、不老化等特性,为当今重要的吸声材料,广泛应用于噪声控制工程中吸声降噪,消声器和轻薄结构隔声,以及厅堂音质中控制混响时间。 上海新型矿物棉制品厂于八十年代中期从国外(日本)引进先进的生产设备和技术,生产的岩棉板质量较高,品种规格齐全,是一种性能良好的强吸声材料。 聚氯乙烯?岩棉复合发泡吸声材料,不仅在高频处保持了良好的吸声性能,而且在中低频处极大地改善了材料的吸声性能。并且这种材料的制作工艺简单,成本低廉,有良好的阻燃性能,在工业和民用建筑中有广阔的应用前景。 1.1.3. 船用防火材料: 由岩棉制作的复合岩棉板是当今国际上最先进的船用内装饰
37、板材,可作为耐火分隔用的围壁板、衬板里子板和天花板“望天”里子板。 1.2. 玻璃棉 玻璃棉是将石灰石、叶腊石、石英砂、硼镁石、萤石等岩石粉碎成粉末,搅拌均匀并配以硫酸钠、芒硝等物质后,在1000?1500下熔融,通过不同技术如拉丝、吹丝、离心等制成的人造无机纤维。 由于玻璃棉作为一种新型的无机非金属材料,具有绝热、隔音、耐高温、抗腐蚀、强度高、密度小、柔软回弹性强、保温性能好、吸声强、防潮性好等性能,深受市场欢迎。其应用范围逐步推广到航空、造船、石油化工、建筑、冶金、电气、医疗等领域。 目前市场对玻璃棉制品的需求主要是离心玻璃棉板,它不仅适用于建筑围护结构的隔热保温与吸声,还可喷、贴饰物作吊
38、顶材料,档次较高,用途广泛。而湿法板、超细玻璃棉的市场需求并不旺盛。由此也可以看出,90年代以来,各类建筑对中高档建筑材料的需求殷切。 从离心玻璃棉的使用来看,主要用于公用设备和管道保温,建筑墙体保温。应用增长的应用领域主要是建筑业。北京地区对采用玻璃棉作围护墙体的保温进行了有益的探索,而目前对玻璃棉的应用仅限于室内吊顶装饰。 3. 石棉替代品的防护措施 由于石棉替代品的生物学作用与石棉相似,但其危害严重度远低于石棉,且在人体内的行为、转移、清除与石棉相似,其致癌机理也相仿。致纤维化和致癌效应的产生,都必须以在组织中积累足够数量的纤维为前提。因此,减少接触是防治石棉替代品职业危害的根本对策。主
39、要防护措施有: 密闭尘源:主要是生产机械的密闭、整体、局部。 通风除尘:在必须敞开处,安装局部排风设备,将纤维粉尘收集后排出。 湿式作业:预先将材料湿润,或喷雾洒水,可大大减少粉尘的产生量。 个体防护:在其它措施达不到要求或不能采取措施时,佩戴合适的防尘面具、防护服。其他替代材料 铝合金是一种环境负担性较高的材科。原料加工的固体废弃物排放量大,冶炼过程能耗高,使用过程中保温隔热效果差。部分地区已明令禁止用铝合金作住宅建筑门窗材料。开发建筑用铝合金替代材料是材料科学工作者的一项任务。目前市场上已有大量的塑钢材料用作住宅建筑材料,替代铝合金门窗,具有保温、装饰效果好等优点。 对于铝合金结构材料的替
40、代,已开发出竹-铝、萱麻-铝等天然纤维增强铝基复合材料。萱麻-铝复合材料板的密度仅为工业纯铝的60%,成本为工业纯铝的2/3,但抗拉强度却是纯铝的1.2倍;竹-铝复合板材料的密度为工业纯铝的44%,抗拉强度和抗弯强度分别是工业纯铝的2.6倍和1.6倍。显然,这两种天然纤维增强铝基复合材料的性能有独到之处,可以替代某些工业铝合金作为结构材料。 萱麻,多年生野草,叶子上长有细细的白毛,人的皮肤一挨上它,就泛起了红疹,火辣辣的发疼,严重的还会引起全身症状。4.3净化材料 常见的环境净化材料有大气污染控制材料、水污染控制材料以及其他污染控制材料防噪声污染和电磁波污染材料 等。大气污染控制材料 大气污染
41、是指大气中污染物浓度达到有害程度,超过了环境质量标准和破坏生态系统和人类正常生活条件,对人和物造成危害的现象。凡是能使空气质量变坏的物质都是大气污染物。 大气污染源可分为天然源(如森林火灾、火山爆发等)(和人为源如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等),且以后者为主,尤其是工业生产和交通运输所造成的。主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。影响大气污染范围和强度的因素有污染物的性质(物理的和化学的),污染源的性质(源强、源高、源内温度、排气速率等),气象条件(风向、风速、温度层结等),地表性质(地形起伏、粗糙度、地面覆盖物等)。防治方法很多,根本途径是改革生产工艺,综合利
42、用。控制方法:从物理化学角度:利用大气中各成分之间不同的物理化学性质,如溶解度.吸附饱和度。露点、泡点、选择性化学反应等,借助分子间和分子内的相互作用来进行分离、转化。从工艺看,处理大气污染物通常有吸收法、吸附法和催化转化法。 从材料科学与工程的角度看,无沦是吸附法,吸收法还是催化转化法,都要借助于一定的材料介质才能实现。因此,在环境工程材料里,相应地有吸附剂、吸收剂以及催化剂等材料介质。可以说,环境净化材料是构成净化处理的主体,是大气污染治理的关键技术之一。 由于各类气态污染物的性质不同,使得每一种气态污染物的净化具有不同的特点,需要综合采用吸收剂、吸附剂和催化剂等不同的处理方式。下面依据目
43、前大气污染的几种主要污染物,如燃煤过程中产生的低浓度二氧化硫烟气以及城市机动车排放的含氮氧化物废气等,介绍国内外控制技术和净化材料的开发与应用现状。(1)低浓度二氧化硫烟气净化 根据大气污染控制技术的原理和流程来分类,烟气脱硫方法大致分为下列3类: 用各种液体和固体物料优先吸收或吸附二氧化硫; 在气流中将二氧化硫氧化为三氧化硫,再冷凝为硫酸; 在气流中将二氧化硫还原为单质硫,再将单质硫冷凝分离出来。(2含氮氧化物的废气净化 氮氧化物主要来自各种大型燃油锅炉的燃烧过程;城市机动车尾气排放,特别是柴油车和柴油发动机;硝酸生产和各种硝化过程;冶金企业中的炼焦、烧结、冶炼等高温过程和金属表面的硝酸处理
44、等。 目前氮氧化物污染的主要防治技术是废气物理化学方法脱硝处理。按处理工艺可分为催化还原法,吸收法,吸附法、等离子体活化法,微生物转化法等。按处理氮氧化物的过程可分为干法脱硝和湿法脱硝。干法脱硝包括非催化还原法、催化还原法、热分解法、吸附法、吸收法、等离子法处理等;湿法脱硝包括酸吸收、碱吸收、氧化吸收、络盐吸收等。 催化法处理含氮氧化物废气 选择性催化还原所用的催化剂是铂、钯系贵金属,以及钒、铬、锰、铁.铜.锌.钴,镍等过渡金属氧化物,或是这些成分的混和物。目前,用于选择性催化还原法处理含氮氧化物废气的催化剂有三大类:以-氧化铝为载体的催化剂、铁铬催化剂和以铜为主要组分的混和催化剂。 吸收法处
45、理含氮氧化物废气 为了提高氮氧化物的吸收效率,可采用氧化吸收法、吸收还原法及配位吸收法。采用氧化吸收法时先将组分中的一氧化氮氧化为二氧化氮,再用碱液吸收除去。常用的氧化剂有浓硝酸、氧气、高锰酸钾等。吸收还原法的原理是用还原剂将氮氧化物还原成氮气。常用的还原剂有硫酸铵、硫酸氢铵、亚硫酸钠等。 吸附法处理含氮氧化物废气 吸附法处理含氮氧化物废气的原理是,利用多孔性固体将废气中的氮氧化物组分进行吸附净化处理。常用的吸附剂有杂多酸、分子筛、活性炭、硅胶及含氮的泥煤等。 吸附法是大气污染净化的一种基本方法。吸附,就是流体混合物与多孔性固体接时,流体中的某些组分可被固体表面吸收,并在固体表面浓集。常用的吸
46、附剂主要有:活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛。活性炭 把木炭、煤等含炭原料经炭化和活化以后,得到活性炭。活性炭具有不规则的石墨结构,比表面积非常大,有的甚至超过2000m3/g是一种优良的吸附剂。粒状炭 维尼纶催化剂载体炭,是用果壳作原料,经水蒸气活化制得的不定形颗粒炭。回收及吸附用炭,是以煤粉为原料,以煤焦油作调和剂,经成型、炭化及活化制得的圆柱形颗粒炭。粉末炭粒度在200目以下,可分为用于糖类、油脂、酒类等脱色用的脱色炭,以及活性碳纤维、氮化活性炭及碳分子筛等。活性碳纤维是将合成纤维或木素纤维经过药剂处理、干燥 ,再经水蒸气活化 等过程制得。 活性炭材料,尤其是活性炭纤维,由于其本身具有分
47、散性极好的微孔活性中心和巨大的比表面积,在氧气和水蒸气存在下,可将二氧化硫连续不断地吸附转化为硫酸。活性炭纤维脱除二氧化硫的能力除与其比表面积和孔结构有关外,还与表面的化学性质密切相关。活性炭吸附特性容易吸附临界温度及沸点较高的物质;容易吸附分子链较长的物质;有利于在低温下吸附;相对来说,蒸汽压较大的物质容易吸附。硅胶硅胶是多聚硅酸经分子间脱水而形成的一种多孔性透明或乳白色粒状固体。化学组成为SiO2.xH2O。其中的基本结构质点为Si-O四面体相互堆积形成硅胶的骨架。堆积时,质点间的空间即为硅胶的空隙。具有开放的多孔结构,吸附性强,能吸附多种物质。如吸收水分,吸湿量约达40%。如加入氯化钴,
48、干燥时呈蓝色,吸水后呈红色。可再生反复使用。一般来说,硅胶按其性质及组分可分为有机硅胶和无机硅胶两大类。硅胶根据其孔径的大小分为:大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不同,因此它们的吸附性能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的吸附量,细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸咐量高于粗孔硅胶,而B型硅胶由于孔结构介于粗、细孔之间,其吸附量也介于粗、细孔之间。大孔硅胶一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。因此应根据不同的用途选择不同的品种。一、硅胶吸附水蒸汽后的再生 硅胶吸附水份后,可通过热脱附方式将水份除去,加热的方式有多种,如电热炉、烟道余热加热及热风干燥等。 二、硅胶吸附有机杂
