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1、第四章 材料的生态设计,环境材料学研究生课程颜学武南京理工大学,全球十大环境问题,气候变暖臭氧层破坏生物多样性减少酸雨蔓延森林锐减,土地荒漠化大气污染水体污染固体废弃物污染海洋污染,第四章 主要内容,材料产业的可持续发展工业生态学材料流分析材料生产的资源效率材料的生态设计,什么是生态？,源于古希腊字，意思是指“家”(house)或者我们的环境。一切生物的生存状态，以及它们之间和它与环境之间环环相扣的关系。1869，德国生物学家Ernst Haeckel最早提出生态学的概念，它是研究动植物及其环境间、动物与植物之间及其对生态系统的影响的一门学科。,（Eco-）,人,自然,社会,材料,材料的生态设
2、计,4.1 材料产业的可持续发展,什么是可持续发展？材料产业如何实现可持续发展？,4.1.1 可持续发展,1972.6.5 Stockholm 联合国人类环境研讨会 界定人类在缔造一个健康和富生机的环境上所享有的权利,(sustainable development),世界环境与发展委员会 Gro Harlem Brundtland发表了一份题为我们共同的未来的报告，提出了“可持续发展”的战略思想，确定了“可持续发展”的概念。,“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展。”,1992.6.3 联合国环境与发展大会 官方对可持续发展讨论的一个高峰 大会通过了里约热内卢环境与发
3、展宣言以及二十一世纪议程,4.1.1 可持续发展,(sustainable development),4.1.2 材料产业的可持续发展,材料产业,可持续发展,原料,工艺,资源、材料流、F-4、F-10,LCA、指标、标准、数据库,评价,产品,污染控制、治理和修复，清洁生产，再利用，再循环,生态设计，绿色材料、环境降解材料、环境协调材料、环境工程材料,影响材料可持续发展的一些因素,4.1.2 材料产业的可持续发展,开发新材料提高资源效率、减少污染排放政策、法律法规，ISO14000 国际环境管理标准体系,4.2 工业生态学,生物圈（动物、植物、人）的生态循环元素的循环工业生态循环？,循环/代谢,
4、4.2 工业生态学,生物圈二号（Biosphere 2）,位于美国亚利桑那州图森市南部的Oracle地区，是爱德华P巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。占地1.3万平方米，大约有8层楼高，为圆顶形密封钢架结构玻璃建筑物。“生物圈二号”建造于1987年到1989年之间，它被用于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作，也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。“生物圈二号”使得人们能在不伤害地球的前提下，对生物圈进行研究与控制。,4.2 工业生态学,化学元素的循环,4.2 工业生态学,社会生活中的水循环,4.2 工业生态学,4.2.1 工业生态学原理,1989年9月
5、美国通用公司的研究部副总裁Robert Frosch和负责发动机研究的Nicolas Gallopoulos在科学美国人杂志上发表题为可持续工业发展战略的文章正式提出了工业生态学的概念工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来看待，认为工业系统中的物质、能源和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关系，而是可以像在自然生态系统中那样循环运行，它们之间相互依赖、相互作用、相互影响，形成复杂的、相互连接的网络系统。工业生态学是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程、组织管理体制以及生产、消费、调控行为的动力学机制、控制论方法及其与生命支持系统相互关系的系统科学。工业生态学通过“供给链网
6、”分析（类似食物链网）和物料平衡核算等方法分析系统结构变化，进行功能模拟和分析产业流（输入流、产出流）来研究工业生态系统的代谢机理和控制方法。工业生态学的思想包含了“从摇篮到坟墓”的全过程管理系统观，即在产品的整个生命周期内不应对环境和生态系统造成危害，产品生命周期包括原材料采掘、原材料生产、产品制造、产品使用以及产品用后处理。系统分析是产业生态学的核心方法，在此基础上发展起来的工业代谢分析和生命周期评价是目前工业生态学中普遍使用的有效方法。工业生态学以生态学的理论观点考察工业代谢过程，亦即从取自环境到返回环境的物质转化全过程，研究工业活动和生态环境的相互关系，以研究调整、改进当前工业生态链结
7、构的原则和方法，建立新的物质闭路循环，使工业生态系统与生物圈兼容并持久生存下去。,工业生态学的起源。什么是工业生态学？,工业生态系统（一级）,无限的资源,无限的废物,一级生态系统,工业生态系统,工业生态系统（二级）,有限的资源,有限的废物,二级生态系统,工业生态系统,工业生态系统（三级）,能源,三级生态系统,工业生态系统,工业生态系统（理想）,能源,理想生态系统,工业生态系统,服务,材料,制造,废弃,消费,4.2.2 生态工业园,生态工业园（eco-industry park）是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取
8、更大的环境效益、经济效益和社会效益。整个企业社区能获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得的效益之和更大的效益。生态工业园的目标是在最小化参与企业的环境影响的同时提高其经济效益。这类方法包括通过对园区内的基础设施和园区企业（新加入企业和原有经过改造的企业）的绿色设计、清洁生产、污染预防、能源有效使用及企业内部合作。生态工业园也要为附近的社区寻求利益以确保发展的最终结果是积极的。比较成功的生态工业园的例子是丹麦凯隆堡（Kalunborg）共生体系,凯隆堡已成为区域不同产业之间链接起来的模版。生态工业园是继经济技术开发区、高新技术开发区之后中国的第三代产业园区。它与前两代的最大区别是：以生态工业
9、理论为指导，着力于园区内生态链和生态网的建设，最大限度地提高资源利用率，从工业源头上将污染物排放量减至最低，实现区域清洁生产。与传统的“设计生产使用废弃”生产方式不同，生态工业园区遵循的是“回收再利用设计生产”的循环经济模式。它仿照自然生态系统物质循环方式，使不同企业之间形成共享资源和互换副产品的产业共生组合，使上游生产过程中产生的废物成为下游生产的原料，达到相互间资源的最优化配置。,4.2.2 Kalundborg生态工业园区,4.2.2 生态工业园区,美国加拿大中国,南海国家生态工业建设示范园区这是中国第一个全新规划、实体与虚拟结合的生态工业示范园区，包括核心区的环保科技产业园区和虚拟生态
10、工业园区。以环保产业为主导产业，将制造业、加工业等传统产业纳人生态工业链体系。重点培育设备加工、塑料生产、建筑陶瓷、铝型材和绿色板材等5个主导产业生态群落。生态工业系统类似于自然生态系统，12个企业将组成一个生产消费分解闭合的循环。广西贵港国家生态工业（制糖）示范园区这是中国第一个循环经济试点。该园区以上市公司贵糖（集团）股份有限公司为核心，以蔗田系统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统、环境综合处理系统为框架建设的生态工业（制糖）示范园区。苏州工业园区,综合类生态工业园区标准（试行）（HJ/T 274-2006）,4.3 材料流分析,材料流理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中按照
11、一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量大小的一种定量分析理论。,(Material flow),Steel,自然界 8t 铁矿 1t 钢 0.7t 金属制品 0.5t 成品 使用 自然界,6.25 实际利用率,自然界,4.3.1 代表性理论,1995，德国Wuppertal Institute的von Weizsaecker教授首先提出专著四倍因子:半份消耗,倍数产出出版，使该理论有了明确的科学含义.其意思是指在经济活动和生产过程中,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.由此,在同样能源消耗和资源消耗的水平上,得到了四倍的产出.,材料流理论几种代表理
12、论,R资源效率P产品产出量I原材料,能源投入量,R 4,P,I,2,0.5,a Factor 4(F-4),4.3.1 代表性理论,1994，德国Wuppertal Institute的Schmidt-Bleek教授首先提出国际F-10俱乐部：专著人类需要多大的世界出版，提出“单位服务的材料消耗”(MIPS)概念1997，F-10俱乐部向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的卡诺勒斯宜言,明确提出了在一代人之内,将资源和能源的生产效率提高十倍的目标以及实现这个目标应采取的技术措施.,材料流理论几种代表理论,资源效率提高10倍：1、缩小贫富差距；2、子孙后代在地球上继续生存,I环境影响P人口GDP
13、国内生产总值,I P,GDP,P,I,GDP,b Factor 10(F-10),4.3.b Factor 10(F-10),德国Schmidt-Bleek于1994年率先提出的.必须继续减小全球的材料流量,在一代人之内将资源效率提高十倍,才能使发达国家保持现有的生活质量,逐步缩小国与国之间的贫富差距,且可以让子孙后代能够在这个星球继续生存.十倍因子的概念与环境保护是直接相关的.Schmidt-Bleek教授用一个方程式将环境影响,人口和一个国家的国内生产总值关联起来,见式(2-2).他推测,到2050年地球上的人口将在现在的基数上增加1倍,即P等于2;同时,世界各国的国内生产总值(GDP)届
14、时将增长36倍,取平均值为5,则二者之积为10.由此,对环境的影响将增加10倍.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.因此,我们必须将资源效率和能源效率提高10倍,才有可能真正实现社会,经济的可持续发展.(2-2)式中:I表示环境影响;P表示人口;GDP表示国内生产总值.在提出十倍因子理论的同时,Schmidt-Bleek教授于1994年在法国创建了国际F-10俱乐部,旨在推行十倍因子理论和实践.1997年,F-10俱乐部向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的卡诺勒斯宜言,明确提出了在一代人之内,将资源和能源的生产效率提高十倍的目标以及实现这个目标应采取的技
15、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)流入经济活动圈的量,从而减少污染物排放置.通过减少污染物的处理量,最后使环保投资费用降低.,材料流理论几种代表理论,4.3.1 代表性理论,材料流理论几种代表理论,I 物质总投入量P1，P2 产品产量W1，W2 废物产出量,I（P1P2）（W1W2）PW,c 极值理论,中国国家中长期科技发展规划,到2020年的重点任务之一：生态建设,环境保护与循环经济科技问题我国环境形势的总体评价：已进入持续性生态资源短缺和大范围复杂性环境污染新阶
16、段,导致本应在不同阶段出现的问题在短期内集中体现和爆发出来.总体环境状况处在局部改善,整体恶化的发展态势.未来我国环境将面临社会,经济的巨大压力和进一步恶化的威胁.2020年我国要实现GDP翻2翻,将进入工业化中期,环境会出现新的恶化趋势,提高资源生产率(4倍)是最迫切的问题战略目标:生态与环境得到改善,资源利用率显著提高,建立适合我国国情的生态与环境科学理论和技术体系.力争2010年环境不再恶化;2020年环境有明显改善,材料流分析的主要指标及计算公式,4.3.2 材料流理论的应用实践,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了改善资源效率的
17、实践,德国全国材料流分析,荷兰全国材料流分析,日本全国材料流分析,中国一钢铁企业材料流分析,总资源效率：30.7,4.4 材料生产的资源效率,“取之不尽”的资源可再生的资源不可再生的资源,4.4.2 资源效率,R资源效率P产品产出量I原材料,能源投入量,R,P,I,”高投入、低效率、高污染“矿产资源开发总回收率3050(5070%)20.5t(标准煤)/GDP，10倍于发达国家,4.4.2 资源效率,4.4.3 资源保护和综合利用,保护资源一次资源的综合利用二次资源的综合利用,物理法、化学法、生物法转化废纸回收；废物发电,经加工处理,矿业、冶金废弃物和化工废弃物的综合利用,4.5 材料的生态设计,生态平衡（工业生态）生态设计再生设计,4.5.2 生态设计,系统设计模块化设计长寿命设计（LCA评价）,先进性、经济性、协调性、舒适性,4.5.3 再生设计,废弃物的直接再利用（一次）零部件的回收再利用（模块设计）废弃物作为原料再利用（二次）生产过程中能源回收再利用（能率）,
