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1、第九章 环境材料,概述（定义、研究内容）环境协调性评价（LCA）传统材料的环境材料化天然材料的加工和应用绿色包装材料环境净化、替代和修复材料环境降解材料,9.1 概 述 可持续发展 20世纪90年代初，国际上提出了环境材料（ecomaterials）定义：指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能改善环境的材料。其中的“环境协调性”是指对资源和能源的消耗小，对环境的污染少。,研究内容：A 理论研究：1.对材料的环境性能的评价。生命周期评估（life cycle assessment,LCA）：采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的资源、能源消耗，废物排放等环境影响，并寻
2、求改善的可能。2.材料的可持续发展理论。资源的使用效率、生态设计理论。3.材料流理论和生态加工、清洁生产理论、再循环、降解、废物处理理论。,B 实用研究：1.环境协调材料，传统材料的环境材料化。从人本的角度强调材料与环境的兼容与协调，开发天然材料、绿色包装材料和绿色建筑材料等。2.环境净化和修复材料。指各种积极地防止污染的材料，如分离、吸附、转化污染物的材料。3.降解材料，指通过自身的分解减小对环境的污染。,9.2 材料的环境协调性评价,1.能源评价法。由于过于片面，基本上已被淘汰；2.环境影响因子评价法。考虑了多种影响因素，是能源评价法的进步；3.环境负荷单位法。采用一种综合的无量纲的数表示
3、材料的环境影响，在欧美较为普遍；4.生态指数，根据污染物来评价对象；5.生态因子法，特点是研究材料单位性能所带来的环境负担；6.生命周期评估，采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的资源、能源消耗，废物排放等环境影响，并寻求改善的可能。是目前流行的高度综合方法，被称为“从摇篮到坟墓”的评价方法。,生命周期评估的流程,（1）目标和范围的确定 LCA的准备阶段，也是最重要的环节。目标：界定评价对象、实施LCA评价的原因和评价结果的输出方式；范围：功能单元的定义、评价边界定义、系统输入与输出分配方法、评价模型及其解释方法、资料要求、审核方法、评价报告的类型和格式等。,（2）编目分析 根
4、据评价的目标和范围，对资料收集和分类整理的过程。（3）环境影响评价 在编目分析的基础上，研究材料的各种污染对环境的量化影响。有4个基本步骤：分类、表征、归一化和评价。,（4）评价结果的解释 进行综合阐述和分析，最终给出评价的结果和建议。,分类：将编目条款与环境损害种类相联系并分组排列的过程。表征：对比分析和量化的过程。归一化处理：根据各种环境影响不同的计量单位，采用加权或分级的方法处理资料，以简化评价过程，使评价结果一目了然。评价：比较和量化不同种类的环境损害，最后给出定量的环境影响结果。,建立环境性能数据库基本原则是通用性、可比性、服务性和预测性。,LCA实例纸杯与塑料杯的竞赛,1991年2
5、月，美国科学杂志上刊登了一份纸杯和塑料杯的LCA评估报告（表9-2）。作者认为，塑料杯造成的环境污染相对要小一些。而报告受到他人的质疑。本例说明LCA的结论不是固定不变的，有很强的时间性和地域性，更增加了它的复杂程度。,P146,LCA的局限性,应用范围上很少考虑对象主要功能及其相关效益；评价范围上的定义也往往使结果产生一定误差；评估方法上既包括客观成分，也包括主观成分。,9.3 传统材料的环境材料化,9.3.1 金属的环境材料化思路：尽量少采用或者不采用稀缺的、环境负荷大的元素，多采用储量丰富、易于获得的元素；尽量采用同种元素或者简单元素组合制造材料。例如用钢纤维增强铁基超细粉形成FeFe粉
6、末冶金材料。,目前金属的环境材料化主要是针对金属的加工过程，如熔融还原炼铁技术、喷射成形等。,近尺寸加工技术 直接制取接近零件形状的坯体 生产流程大大缩短、更加紧凑大幅度节约能源，降低环境负担，生产成本比粉末冶金法降低40以上,20世纪中期提出了“零排放，零废弃”，实现封闭式生产的目标。例如，高速钢中含有17左右的贵重金属，因此研究开发了钢屑、氧化皮和磨屑废料等难以利用形式的循环再生技术。注意对金属加工时的各种固态废弃物的研究。例如，利用尾矿（我国超过50亿吨）可以制造建材、化肥和铺路，钢渣和高炉渣同样也可以制造各种建材。,9.3.2无机非金属材料的环境材料化,问题：陶瓷工艺中往往达到1400
7、以上的高温（碳石墨化的温度更是超过了2500），能耗惊人。无机非金属材料废弃物很难分解，难以处理，也很难循环利用。在无机非金属材料生产中大量有毒有害添加剂和废水、废气、粉尘的排放也不容忽视。,开发低能耗、少污染的制备加工技术免烧和低温固化技术（水热热压、反应硬化型免烧陶瓷、电沉积陶瓷膜）快速烧结（微波烧结、爆炸烧结）反应烧结（反应烧结、自蔓延烧结）近尺寸成型、可切削技术,（1）水热热压,19世纪中叶由法国地质学家首先提出；当时旨在模拟和研究天然矿物形成规律，后来发展成为合成人工晶体的一种方法；在水热反应的同时施加机械压力；在水热条件下，水可作为一种化学组分参与反应。水既是溶剂又是矿化剂，同时还
8、可作为压力传递介质，可以使无机非金属材料在低温（300）发生固结和致密化，具有低能耗、无污染的特点。,（2）陶瓷可切削技术,一般陶瓷很难切削，少数可切削陶瓷力学性能较差。最近，日本大阪大学新原皓一教授，通过巧妙的微观结构设计，能够将优良的力学性能和可切削性统一起来。将纳米h-BN颗粒分散在 Si3N4基体中而制备。由于六方BN易于解理，再加上良好的分散性，因此可对该材料进行切削加工；又由于是纳米级的BN，解理仅发生于局域，远小于临界裂纹尺寸，使材料能够保持较高的强度，该材料弯曲强度大于1100 MPa。,微晶玻璃陶瓷又称可加工陶瓷，是以合成云母为主晶相的云母微晶玻璃，是一种可以机加工的陶瓷材料
9、。微晶玻璃陶瓷加工性能类似于铸铁，它能加工成各种形状复杂、精度要求高的产品。微晶玻璃陶瓷虽系脆硬材料，但只要合理地确定加工工艺路线及装夹方式，注意加工方法，准确地选择切削量，在一般设备上公差等级可控制在IT7级，光洁度达到0.5微米，加工精度控制在0.005毫米。如加工设备优良，操作工技术熟练，则精度可达级。,9.3.3 高分子材料的环境材料化,主要是零排放技术、再生循环技术、可降解化和天然化共混再生循环利用实例：包装材料、一次性餐具等塑料制品，使用过程十分短暂，废弃时材料性能没有严重破坏，因此可与其它塑料一起混合利用。如废塑料纤维化、木材化、土工制品化等。共混再生利用技术简便易行，几乎适用于
10、任何一种废旧高分子材料。,在难以分离的PE（聚乙烯）与其它聚烯烃的混杂塑料中添加30的PET或PS，挤出拉成直径为10m的“纤维”，废塑料纤维化；将五颜六色的混杂废塑料粉碎成小颗粒后直接成型再生制品，或添加锯木粉后挤压成耐湿耐腐的“塑料木材”，或添加废纸混合后制成“复合木材”，或与其它材料混合制成地板等，废塑料木材化；用废塑料PP或HDPE制备防止滑坡塌方的土工隔栅，用废塑料PP制备土筋，用废PVC或LDPE制造防漏或保水的土工膜，用废PVC加工成治理铁路基床翻浆冒泥的排水板，用废PVC和LDPE农膜加工软质地板，废塑料土工制品化。,研制出可循环利用和再塑形的新塑料 目前的塑料制品，要被加热到
11、200摄氏度或是更高温度时才能够充分软化，以进行再塑形。消耗大量能源、环境污染，且破坏塑料的聚合体链，降低塑料的强度，使其不能进行循环再利用。据新一期自然杂志报道，麻省理工学院的安妮梅斯等人在硬度较大的聚苯乙烯和另一种比较柔软的塑料的混合物中找到了一种新型塑料，在室温及标准制造压力下可进行循环利用和再塑形，可以重复利用达10次，其韧性强度始终保持不变。解决“白色污染”。,废弃物从限制到再利用 韩国循环经济大兴其道 早在1992年，韩国便开始实施“废弃物预付金制度”，即生产单位依据其产品出库数量，按比例向政府预付一定数量的资金，根据其最终废弃资源的情况，再返回部分预付资金。从2002年起，韩国将
12、“废弃物预付金制度”改为“废弃物再利用责任制”，即从限制废弃改为再利用。“废弃物再利用责任制”规定，废旧的家用电器、轮胎、润滑油、日光灯、电池、纸袋、塑料包装材料、金属罐头盒、玻璃瓶等18种材料须由生产单位负责回收和循环利用。回收处理废弃物的合作社有11家，遍布全国各地。同时，韩国还成立了一家名为“资源再生公社”的公营企业，专门负责管理和监督“废弃物再利用责任制”的实施。企业违反“废弃物再利用责任制”，将被课以最高100万韩元的罚款。,9.4 天然材料的加工和应用,9.4.1 木材木材具有优异的环境特性。良好的可再生性能可一定程度地解决资源匮乏的问题，强大的固碳作用可以缓解温室效应，天然的调湿
13、性能有利于人体的健康和物品的保存。同时，宜人的视觉、触觉特性也是木材的优势。,为了克服木材易腐烂、易变形、易着火、强度低的缺点，发展了对木材的改性技术和深加工技术，例如浸渍、塑化、压缩、层叠，乃至近年来出现的等离子表面处理、木材陶瓷化等。,日本学者将木材浸渍酚醛树脂后，通过高温炭化得到被称为木材陶瓷(woodceramics)的产品，这种产品具有优良的物理，电学，热学性能，可以用于电子，航空航天领域；德国研究人员将木材炭化，然后溶于熔融含硅化物中，得到碳化硅陶瓷，用作生物医学材料，航空航天材料；美国研究人员将木材浸入四乙醛硅氧烷中，得到木材陶瓷化合物，主要用于建筑和室内装修材料。国内学者利用正
14、硅酸乙脂采用溶胶-凝胶方法开展了木材陶瓷化方面的研究。利用仿生原理，采用化合物络合及晶体原位生长的方法，将无机物质引入到木材内部，靠提高细胞填充率达到增强的目的；完全保留了天然木材所具有的优美的木质纹络和质感。,9.4.2 甲壳素,甲壳素（chitin）广泛存在于虾蟹等甲壳动物的甲壳中，年生物合成量高达100亿吨，是用之不完的全新生物资源。它的环境特性十分良好，近年来引起了人们的广泛关注，甚至专门针对它召开了好几次国际会议。甲壳素和壳聚糖（甲壳素制品）有广泛的用途。在生物医学领域，被用来生产可吸收的手术缝合线、人造皮肤、药用微胶囊、人造骨、人工透析膜、隐形眼睛等。,甲壳素有抗菌效果。甲壳素本身
15、带正电，而细菌的细胞膜带负电，当细菌接触到甲壳素抗菌衣，因为正负相吸，甲壳素会对细菌产生穿刺效果，扯破细菌的细胞膜，导致细菌死亡，所以说甲壳素可以抑制细菌生长。从1997年开始，舟山海山生化制品有限公司从中国纺织大学引进甲壳素纤维生产技术专利，生产甲壳素纤维，试制成功甲壳素纤维与其它各种纤维混纺制成的保健T恤、衬衣、内衣、袜子、床上用品等各种混纺制品，,9.5 绿色包装材料,9.5.1 设计原则（1）减量化材料（2）可复用材料（3）可降解材料（4）无毒害材料,9.5.2 典型绿色包装材料,（1）天然生物包装材料 如木材、竹材、纸、芦苇、麦秸、淀粉和甲壳素等。特别是甲壳素，来源广泛，加工制备的包
16、装材料具有良好的保护性、透气性、美观性、安全性、稳定性和可降解性，得到了广泛的应用。,（2）可食性包装材料 一般是用人体可消化吸收的蛋白质、淀粉、多糖、植物纤维等原料制成食品和药品的内膜，得到了广泛的应用。,（3）绿色金属包装材料 是以高强低厚的马口铁代替铝罐，节约材料用量，降低成本，还能减小废弃物的环境污染；是降低马口铁的镀锡量。是改进焊接工艺。据统计，人体内14的铅是来自马口铁的锡焊材料。高频电阻焊可减轻污染，并提高焊接质量。是采用铝箔代替塑料和纸。这主要是基于铝箔的回收利用非常容易。,（4）绿色玻璃包装材料 现在的主要发展方向是提高玻璃的强度，减小玻璃包装材料的厚度，提高玻璃瓶的重复利用
17、次数。我国常有啤酒瓶爆炸的事故，主要就是因为玻璃瓶多次周转后强度下降。（5）绿色塑料包装材料 主要致力于轻量、高性能塑料、无氟泡沫塑料、可再生塑料和可降解塑料的开发研制。,9.6 绿色建材,绿色材料的概念是在1988年第一届国际材料科学研究会上首次提出。1992年国际学术界给绿色材料定义为：在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料。,某些装修材料的危害性花岗石衰变会产生氡气，人长期处在高浓度的氡气环境中会有致癌的危险；木材类复合板的生产，多用脲醛树脂、酚醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂为胶粘剂，在使用过程会释放出游离甲醛，它可以使蛋白质
18、发生硬化，人长时间接触高浓度甲醛气体会导致癌症的产生；涂料所用成膜助剂主要是毒性较大的乙二醇单乙醚、乙二醇丁醚，二乙二醇和苯甲醇等；油性涂料中的氯化物溶液或芳香类碳氢化合物以及塑料制品中使用的铅类热稳定剂等对人体都有很大的危害性等等。,9.6.1 绿色建材的分类,（1）天然型（2）节能型（3）废物利用型（4）安全舒适型（5）保健型（6）特殊环境型,9.6.2 生态水泥和生态混凝土,生态水泥作为最主要的建筑材料，生产时环境负荷很高。目前改良的方法主要是大量掺入固体废弃物作原料，或者是开发降低能耗的新工艺。生态混凝土主要是在其中的孔洞上做文章，包括环境友好型和生物兼容型。环境友好型主要靠降低生产时
19、的环境负担，延长使用寿命和改善性能以减少对环境的影响。生物兼容型是指能与动植物和谐共处的混凝土。,9.6.3 环境功能玻璃,（1）热反射玻璃 热反射玻璃是在玻璃表面涂上金属膜、金属氮化物膜或金属氧化物膜而制成的。这种玻璃能反射太阳光，可创造一个舒适的室内环境，同时在夏季能起到降低空调能耗的作用。此外，金属膜具有镜面效果，周围景观会呈现在玻璃上，为建筑物增添情趣，使之与自然达到和谐统一。,苏州研制出可钢化热反射玻璃苏州华东镀膜玻璃有限公司、中科院物理所、清华大学联合研制开发的可热处理和可钢化的热反射玻璃。该项技术成果填补了一项国内空白。苏州华东镀膜玻璃有限公司从美国引进的真空磁控溅射镀膜玻璃生产
20、设备生产的该产品，采用了清洗镀膜裁边磨边清洗热弯或钢化的最新工艺。其工艺技术解决了膜层在高温下易烧坏的难题，可在真空磁控溅射镀膜后进行热弯处理；可钢化热反射玻璃的技术关键在于先镀膜后钢化，解决了膜结构在700左右的钢化高温下不粉末化脱落且保持原来性质的难题。,普通透明玻璃可以透过80以上，不同厚度的玻璃只是吸收率在变化。为阻挡太阳热辐射，在玻璃原片中添加一些元素可以制成吸热玻璃，这种玻璃从颜色来划分有茶色、蓝色、灰色和绿色，不同颜色玻璃有不同的透光率和吸热率。吸热玻璃因其有吸热的能力而将一部分太阳能吸收，然后通过长波辐射和传热分别传到室内和室外。由于室外的风速比室内大，因而对流换热系数高，所以
21、传到室外的热量要多一些。通过这样的热量转换，太阳光的部分能量未能进入室内，从而达到隔热的目的。吸热玻璃吸收的热量越多，隔热的效果就越好，但吸热和透光经常是矛盾的，因此吸热玻璃的隔热能力也受到一定的限制。,吸热玻璃,（2）高性能隔热玻璃 一般的隔热玻璃是在玻璃夹层内充填导热系数低的空气层而制成，而高性能隔热玻璃是在玻璃夹层内的一面涂上一层特殊的金属膜，由于该膜的作用，太阳光能照人室内，而室外的冷空气被阻挡在外，室内的热量不会流失。据介绍，采用这种玻璃后冬天取暖节能可达60%。,低辐射镀膜玻璃是在离线镀膜工艺的基础上镀上含纯金属银的膜层，以降低玻璃的辐射率，提高中空的性能，同时玻璃具有较好的光谱选
22、择性，在大量通过可见光的基础上，能阻挡相当部分紫外线进入室内，既保持了室内光线明亮，又在一定程度上减少室内的热负荷。1、节能2、环保3、居住舒适4、防紫外线,（3）自动调光玻璃一种是电致变色调光玻璃，属于透过率可变型。结构是两片相对的透明导电玻璃，一片上涂有还原状态发色的WO3层，另一片上涂有氧化状态下发色的普鲁士蓝层，两层同时着色、消色，通过改变电流方向可自由地调节光的透过率，调节范围达1575。另一种是液晶调光玻璃，属于透视性可变型。结构为在两片相对的透明导电玻璃之间夹有一层分散有液晶的聚合物。通常聚合物中的液晶分子处于无序状态，入射光被散射，玻璃为不透明；加上电场后，液晶分子轴按电场方向
23、排布，结果得到透明的视野。,电致变色玻璃皮尔金顿生产出世界第一块根据需要可改变颜色的用于建筑物的电致变色玻璃。这种玻璃产品的颜色通过调节可从透明色转变为令人惬意的蓝色，借此控制进入室内的热量和光量。Pilkington EControl玻璃是通过向玻璃表面的显微薄层通低电压，激活含钨的电色层而改变颜色的。可对单体玻璃窗的颜色进行调节，也可使建筑物整体玻璃的颜色同时发生变化。在德国所做试验表明,使用Pilkington EControl玻璃可节省一半的空调电能。,（4）隔音隔热玻璃 是在将隔热玻璃夹层中的空气换成氦、氩或六氮化硫等气体并用不同厚度的玻璃制成，它在很宽的频道范围内有优异的隔音性能和
24、隔热性能。（5）电磁屏蔽玻璃 是在导电膜反射电磁波的性能上再加上电解质膜的干扰效应，其屏蔽性能达35 dB60 dB。,（6）抗菌自洁玻璃 这种不用擦洗的自净玻璃属生态环保型玻璃新品种，是在玻璃表面覆盖一层二氧化钛薄膜。这层二氧化钛薄膜在阳光下，特别是在紫外线的照射下能自行分解出自由移动的电子，同时留下带正电的空穴。空穴能将空气中的氧激活变成活性氧，这种活性氧能把大多数病菌和病毒杀死；同时它能把许多有害的物质以及油污等有机污物分解成氢气和二氧化碳，从而实现了消毒和玻璃表面的自清洁。,9.7 环境净化、替代和修复材料,9.7.1 环境净化材料 大气污染控制材料 水污染控制材料 噪声控制材料 电磁
25、波防护材料,大气污染物主要有二氧化硫和含氮氧化物，一般由吸附、吸收和催化转化材料处理。石灰、石灰石是最早使用在二氧化硫烟气净化的材料，优点是成本低廉，但脱硫效率不高。活性炭在氧气和水蒸气的存在下，可以将二氧化硫连续不断地转化为硫酸。氧化锌和三氧化二铁是常见的中低温脱硫剂。近年来，世界上又出现了用离子交换树脂和稀土氧化物处理二氧化硫的方法。含氮氧化物的催化法处理目前主要采用氧化铝为载体的催化剂、铁铬催化剂和铜基催化剂。吸收法主要用到一些氧化、还原试剂。吸附法处理时常用到杂多酸、分子筛、活性炭、硅胶等。,水污染控制中氧化、还原是一种基本方法。常用的氧化剂是臭氧、氧、氯气和含氧酸盐等，常用的还原剂是
26、活泼金属，常用催化剂是活性炭、粘土、金属氧化物和高能射线等。沉淀分离方法是将水中悬浮物与水分离的方法，用到多种絮凝剂材料和沉淀剂材料。另外还有膜分离材料。,噪声控制材料中主要吸音材料是玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、棉絮等多孔材料。电磁波防护材料主要有两类，一是吸波材料，包括有机材料为主的泡沫吸波材料和铁氧体吸波材料；二是反射材料，主要是各种金属。,9.7.2环境替代材料,制冷剂氟利昂（破坏臭氧层）的替代材料，如丙烷、异丁烷和环戊烷等；石棉（刺激、致癌）替代材料；铝合金（能耗大，污染重）替代材料；无磷（水体富营养化）洗涤剂等。,9.7.3 环境修复材料,常见的环境修复材料有固沙植被材料、二氧化
27、碳固化材料和臭氧层修复材料。固沙植被材料中的一种是高吸水性树脂，吸水率可高达30005000倍，可在干旱条件下供应植物的发芽、生长。另一种是高分子乳液，是把增粘剂、养生剂和草籽、肥料、水混合而成，用于绿化、固沙和粉料固定。,9.8 环境降解材料,环境降解材料是指可以被环境自然吸收、消化、分解，从而不产生固体废弃物的材料。一些天然材料及其提取物往往属于环境降解材料。人工合成的环境降解材料目前主要有两大类：一类是可降解磷酸盐陶瓷材料，另一类就是量大面广的可降解塑料。,主要类型,包括光降解塑料、生物降解塑料和光生物降解塑料。光降解塑料是指塑料在光照条件下发生裂化分解反应，逐渐失去机械强度，达到分解的
28、目的。目前主要是烯烃和一氧化碳的共聚物。生物降解塑料是指塑料能在微生物分泌酶的作用下分解。光生物降解塑料不仅克服了光降解塑料对光得要求，也克服了生物降解塑料工艺复杂，成本高昂的弊端，是近年来发展较快的种类。,（3）微生物吸收或消耗碎片，经代谢最 终形成二氧化碳和水等。,过程：,（1）高分子材料的表面被微生物粘附。,（2)在微生物分泌的酶的作用下，高分 子断裂成相对小的分子碎片。,（1）掺混型：在普通高分子材料中掺入易被分解的物质。,（2）结构型：使高分子材料中形成具有被微生物分解的结构。,使高分子材料更具降解性,在普通高分子材料中加入改性淀粉，其材料可生物降解。,鱼网,有机酸,分解酶,微生物,
29、氧气,二氧化碳,水,地膜,地下地膜分子量和强度下降50%,保温效果好。,60天左右出现裂纹。,80-90天出现大裂崩解。,三个月后失重率达60-80%。,当年，地表地膜降解为粉末状。,最终被微生物吞噬，放出二氧化碳和水，对土壤和作物无毒无害。,容器包装材料,目前使用较多的就是现有包装材料（聚乙烯、聚丙烯）中加入淀粉等生物降解剂使其容易降解。,2002年春，大日精化工业公司开发了可生物降解墨。该商品系采用专用有机颜料,和天然衍生物材料（作添加剂）配制而成，其功能几乎与传统的照相印刷墨相当。,油墨、颜料,冷却后有足够的强度，保持长久不变形。,可降解自由树脂的塑料。,放在600C热水里软化成一团。,可以加工成各种形状的玩具。,玩具,
