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1、第十二章 废弃材料的循环再生,2,人类圈与材料再生循环 塑料的再生循环技术 有色金属的再生循环技术 简单合金 复合材料的设计 建筑材料的再生循环,3,12.1 人类圈与材料再生循环,4,在人类圈中建立符合自然规律的物质循环系统的方针应遵循如下两条原则：(1)尽可能使用在自然界中可循环的材料，并将自然的循环应用到其废弃和生产过程中为此，需要熟知自然循环系统的性质，并且根据具体情况以自然循环为模型来设计人类圈的物质循环(2)尽可能少地使用在自然界中不可循环的材料对那些非用不可的材料，应事先设计一个再生循环系统，在材料的废弃和再生的过程中，严格控制数量，并使其处于不活泼状态,5,废弃物的回收利用是一
2、个严峻的现实问题就目前的情况来看，两种方法颇引人关注：一是资源的再生利用，二是直接回收、处理废弃物。环境材料所追求的就是材料及相关资源的循环再生利用。,6,7,上图示出了日本日立公司废物回收的主要方法 该公司分四种类型回收利用废弃物例如，将废弃物(如废汽车、废彩电等)回收粉碎后，对其中的金属直接分选再生利用；对于塑料，采用热分解或催化反应等方法，生成供发电或其他动力用燃料；对造成臭氧层破坏和大气污染的氟里昂，则采用催化方法使之分解；对其他垃圾，采用电磁辐射加热，使之熔融、固化。,8,11.2 塑料的再生循环技术,9,如果将分选、清洗方法等处理技术除外，塑料再生技术大致可以分为两类:一是回收使用
3、过的塑料再作为原材料应用(称为材料再生循环)二是分解成塑料的初始原料即单体，重新合成新的塑料(称为化学再生循环),10,材料再生循环:材料再生循环的基本方法是将石油等原料所合成的塑料在其功能丧失以前，多次进行使用。在实际的再生循环过程中，由于杂质的混入、加工过程的变质等原因，不可避免地带来某些性能的劣化；因此由石油原料合成的新塑料主要应用于性能要求特别严格的制品，而将回收材料作为第二次用途的原料时，一般用于特性要求较不严格的制品；再次回收的材料作为第三次用途的原料时，则用于特性更不严格的制品。,例如，新合成的聚乙烯塑料第一次用于电线等电气制品或充气薄膜，第二次用于保护管或型材，第三次则用于模板
4、或内装饰材料等。,11,例如，新合成的聚乙烯塑料第一次用于电线等电气制品或充气薄膜，第二次用于保护管或型材，第三次则用于模板或内装饰材料等。而目前很多场合实际使用的都是新塑料。这就造成了不必要的环境代价,12,进入市场的制品，回收之后作为原料的一部分掺合进去，已有被再利用的实际事例 实际制品用单一成分生产的比较少，多数制品为求商品化外观，表面要涂层为了获得高性能又要制成叠层材料，又有涂层又有叠层的组合情况则更为普遍。作为再生材料利用时，由于涂料和黏合剂起异物(杂质)的作用，所以性能比新合成材料的要低，这常常就是限制再次用于同一用途的原因,13,化学再生循环 将回收材料通过水解或解聚等化学反应，
5、分解成原始材料的单体及低聚物或者它们的母体，然后回收并重新合成原始的初级塑料，或者还原到石油状态以便再生利用。例如，在材料再生循环中，对已多次利用了的塑料，因其功能下降而不能再进行或者很难进行材料再生循环的产品，则适合于采用化学再生循环处理 例如：德国塑料包装材料废弃物再生利用协会将家庭排出的各种塑料包装材料的混合物放在煤的分馏装置中热分解，最终作为石油回收处理，并得到制造塑料的原料,14,可以考虑（研究）在塑料的原料当中预先混入特定的催化剂，这种催化剂在产品使用时并不起什么作用，但在回收后进行化学再生循环加热等处理时产生作用，能有效地回收有用的物质(单体、气体、油)这类加入了用于再生循环的催
6、化剂的材料也属于环境材料之列。,塑料再生技术还应包括保护环境的科学技术。当将塑料进行化学再生循环时，要防止可能对生物及地球环境产生不利影响的副产品排入大气、水等造成环境污染，或者要将其变换为无害物质或有用物质,15,11.3 有色金属的再生循环技术,定义：狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于50%），加入一种或几种其他元素而构成的合金。有色金属可分为四类：1.重金属：一般密度在4.5g/cm3以上，如铜、铅、锌等；2.轻金属：密度小（0.534.5g/cm3），化学性质活泼，如铝、镁等.3.贵金属：
7、地壳中含量少，提取困难，价格较高，密度大，化学性质稳定，如金、银、铂等；4.稀有金属：如钨、钼、锗、锂、镧、铀等。,16,有色金属作为家用电器和计算机使用的功能材料，或作为汽车、建材等结构材料，或作为日常生活用品材料(如饮料罐)而被大量应用。介绍几种典型的有色金属材料的再生循环技术的现状及今后的发展。,17,铝再生技术 铝作为罐装饮料的包装材料应用很广，这些废铝罐回收后首先对其进行热振动分选,废铝过筛磁选除铁高温熔化搅拌打渣合金化处理除气精炼浇注铝合金锭（再生铝合金）该工艺流程的能耗为200kg焦炭/t铝，比用原铝为原料生产铸造铝的能耗大为降低，金属回收率在88%以上,铝锭（再生铝）,18,铜
8、再生技术废铜再生按其来源有两类：一类是新废铜，或新废杂铜，它是铜工业生产过程中产生的废料。另一类是旧废铜，或叫旧废杂铜，它是使用后被废弃的物品，如从旧建筑物及运输系统抛弃或拆卸的。,新废铜,旧废铜,19,铜和铜基材料，不论处于裸露状态，还是被包在最终产品里，在产品寿命周期的各个阶段都可回收再生。直接应用废杂铜具有简化工艺、设备简单、回收率高、能耗少、成本低、污染轻等优点，其前提是严格的分类堆放及严格的分拣。,20,铜产量的40用于制造电线，电线采用烧线处理法、解体处理法、粉碎处理法对涂层材料和铜导体进行分离分选，铜经压块或破碎后被再生利用。,21,现在进行的大部分再生循环利用，并不是将回收废料
9、再生为原来的使用材料，而只是变为低一级的材料，即回收罐不是再用于铝罐，回收废电线不是再用于电线。研究方向应该是从罐到罐或者说从产品到产品的完全再生系统为此，从材料开发、设计阶段就要考虑再生循环性；在技术上推进开发环境协调型材料以及开发有效地除去杂质的工艺,22,11.4 合金的变化简单合金,合金：由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一，在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达；公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进
10、行过热处理)出锋利的剑(钢制品)。常见合金：球墨铸铁、锰钢、不锈钢、黄铜、青铜、白铜、焊锡、硬铝、18K黄金、18K白金,23,然而，在再生循环时，合金组成越复杂，则分选与分离就越困难 此外，存在不能分离再生的合金元素时，有可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来。在这种情况下，利用合金元素的作用实现组织结构的控制，也是一个难题 这就是说，由于再生过程中混入的杂质使正确的控制难于进行了。,以简单组成为前提的合金简单合金的设计原则包括两个方面：首先要使合金规格简单化，容易分选；其次，原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素,24,但是，只赋予材料以再生循环性，不能生产出支撑现代发达技术的材料，还必
11、须充分满足高强度、高可靠性、舒适性等方面的要求。因此，其设计有多方面的考虑，即(1)强度(也包括疲劳强度等)，韧性，高比强度(先进性)；(2)简单组成，易解体结构(环境协调性)；(3)功能兼容，多功能性(舒适性)然而，一般而言，强度和延性、韧性，强度和其他的物理性能(减振性，导电性等)难于兼容，强度超高越脆，强度越高电导率越低，要想在同一材料上使难以兼容的性能共存，只有采用“复合化”设计才能实现。,25,不用合金化而采用细化晶粒的办法也可以强化金属，此外，改变多相共存时各相的比例、形状和分布状态等等对强度、延性、韧性、疲劳强度等机械性能和导电性、减振性等物理性能都有很大影响，因此用这种方法研究
12、开发出可再生循环、高性能合金的可能性是很大的。,然而，一般而言，强度和延性、韧性，强度和其他的物理性能(减振性，导电性等)难于兼容，强度超高越脆，强度越高电导率越低，要想在同一材料上使难以兼容的性能共存，只有采用“复合化”设计才能实现。,26,11.5 复合材料的设计,日常生活中使用的复合材料有很多，最常见的是一些增强塑料材料 大多数塑料的机械强度低，作为结构材料尚有一些问题；另一方面，玻璃纤维、碳纤维等无机材料机械强度优异，具有结构材料的良好基本性能，但脆性大和粘接性差是其主要缺点 因此，把这些材料复合成兼备两者长处的复合材料是十分重要的。有机材料和无机材料复合的典型代表是玻璃纤维强化塑料(
13、FRP)，它作为轻质和强度兼备的材料有多种用途,27,强化玻璃纤维塑料(FRP),短切玻璃纤维,28,但要使这种复合材料成为有利于地球环境的环境材料，就必须作到容易再生循环才行。在这种有机/无机复合材料的再生循环过程中存在着许多困难。例如，为了再生循环这种材料，必须首先粉碎原料，然后再熔融成形。但是，在这种情况下，材料中所含的发挥机械强度的玻璃纤维也一并被粉碎了，再生循环作为产品时，就会使机械强度变低，从而失去了复合材料的优点,29,一种解决的办法是将两种以上的聚合物复合，做成具有新功能的材料，即所谓的塑料合金。塑料合金是利用物理共混或化学接枝的方法而获得的高性能、功能化、专用化的一类新材料。
14、,塑料合金,液晶聚合物经加热变成兼有固体和液体二者特征的液晶状态，其分子排列虽然不像固体晶态那样三维有序，但也不是液体那样无序，而是具有一定（一维或二维）的有序性。它是一种流动性很好的热塑性材料。由于温度一下降即发生纤维化，因而是一种轻质高强的材料 将液晶聚合物(LCP)和工程塑料复合，做成轻质和机械强度兼备且容易再生循环的材料，这种材料作为取代上述有机无机复合材料的新材料而被普遍关注,30,形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构。导致液晶形成的刚性结构部分称为致晶单元。分子的长度和宽度的比例Rl，呈棒状或近似棒状的构象。同时，还须具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的凝聚力。这种凝聚力通常
15、是与结构中的强极性基团、高度可极化基团、氢键等相联系的。,31,根据分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。,近晶型 向列型 胆甾型 液晶结构示意图,32,致晶单元与高分子链的连接方式,33,34,35,热塑性塑料（如尼龙6）与液晶聚合物混合成形材料中液晶聚合物相分离成纤维状而起强化相的作用，大致能发挥出与铝合金相当的抗拉强度。据报道，实验设定的10次再生循环中，该材料的强度也都基本保持不变。这是因为再生循环过程中的粉碎虽然切断了液晶聚合物的原纤维(纤维体)，但在再成形时融熔又会使原纤维再生。因此，即使材料再生循环，强度也不会下降这与以往的无机纤维增强塑料不同
16、。,36,11.6 建筑材料的再生循环 建筑材料与环境：长期以来，建筑材料主要依据建筑物及其具体部位对材料提出的力学性能与功能方面的要求进行开发。具体讲，结构材料主要追求高强度、高耐腐蚀性等方面的“先进性”，而外部装饰材料则追求其高功能性和设计图案的美观性等方面的“舒适性”,37,可再生循环建筑复合结构材料及其构件的设计：(1)混合结构形式 钢筋混凝土建筑采取柱、梁和墙壁在现场整体混凝土灌筑方式对于确实需要耐久性的场合，这种方式具有寿命长，非常坚固的优点但高强度、高耐久性的现场整体钢筋混凝土建筑物从解体和再生循环这一点来看多少存在一些困难。为此，不完全采用现场整体灌筑方式，一般利用工厂生产的预
17、制构件，只将结合部在现场施工例如柱体是钢筋混凝土构件，梁件是新型高强混凝土构件，结合部由钢制接头做成混合结构形式，这样解体时就比较容易。,38,现在开发的大部分的纤维增强复合材料(FRP)是环氧树脂等热固性树脂，这类树脂一旦固化就很难分解。要求再生循环性也要兼顾耐久性，因而利用热塑性树脂、光降解树脂或生物降解树脂以确保再生循环性是重要的 另外，既追求混凝土的高强度化，又要求更轻质化，即适当使用人工轻质料，并转换成轻质、高强度混凝土构件，也是很重要的。,(2)高功能性和再生循环性结合的增强材料及其应用,39,为了使混凝土再生循环，首先必须将混凝土构件破碎成小块为此，加入适当的反应性物质(例如生石
18、灰)，或者混入具有物理敏感性的物质，以便用外部刺激等形式，促进解体混凝土快速膨胀破坏，以备随后进行再生循环，这样的技术开发也是必要的 像这样将关键技术一项一项地开发成功，就可以实现建筑材料再生循环所预期的目标，并为解决地球环境问题助一臂之力。,40,废轮胎再利用：日本每年废轮胎数量很大，其中约53变成水泥厂或金属冶炼厂的燃料，40变成再生橡胶或轮胎(据日本汽车轮胎协会调查)每1公斤废轮胎燃烧产生3000千瓦的热，这是廉价的热源。在水泥厂利用比较有价值，将废轮胎投入烧结炉中，除了当作燃料燃烧之外，因轮胎中含有铁丝，可直接变成水泥的添加物,但若混入量太多会导致水泥品质的下降,41,镍氢电池由一个涂
19、镍薄钢板制成的密闭外壳、电极、隔膜、密封圈和电解质构成。正极材料是镀镍钢,其上覆盖一层由氢氧化镍、氧化钴、粘合剂和导电媒剂等混合物组成的活性材料。负极材料是贮氢合金,其成份包括镍、稀土(RE)、钴、锰和其它物质。,电池的回收与处理,42,磨碎后的物料,用0.15 mm 筛子进行湿筛;这样就获得了包含诸如Ni、Co 和稀土等有价成份的细粒产品,以及铁屑、电极格板、塑料屑、纸和隔膜絮状物等混合物组成的粗粒产品。在处理电池的起始阶段,有一个加热工序,可以除掉有机成份。,43,木屑、废纸变建材的再生循环：办公室、家庭产出的垃圾大部分是纸屑和塑料类；而工厂丢弃的则是大量的木质与塑胶树脂类这些丢弃物几乎都
20、用燃烧或掩埋的方式处理，由于燃烧成本节节高升，掩埋地愈来愈难寻，因此近几年来积极投入研究，以寻找将回收的木质制品再生为建材的技术 可将木屑和废PVC再生为柱子的材料；废纸和废PVC做成胶合板替代建材,44,45,空瓶的回收与再生 日本由通产、厚生、农水等五个部门共同提出建立容器包装废弃物回收、再生法案，规定厂商有义务回收消费后的罐和玻璃瓶回收的空瓶将集合水泥、饮料、玻璃等不同领域的公司共同开发建材方面的应用。该技术是将玻璃瓶或碎玻璃粉碎成直径20微米以下的微细粉末，添加自创的发泡剂使之成颗粒状，然后使用与水泥相同的制法加以烧结，得到具有许多小气泡的建材原料。与传统材料比较，其重量轻且强度高，并具有优良的隔热性,
