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1、环境材料学 材料的环境影响评价,主要内容：,材料的环境协调性评价常见的环境指标及其表达方法材料的环境影响评价方法与标准LCA的技术框架及评价过程,如何判断是否是环境材料,I、材料的环境协调性评价,环境材料主要的问题就是：强调人类与环境的关系必须发生变化（消耗型转变为资源再生型，从损坏环境转变为与环境协调的生产、生活方式）。在可持续发展思想的指导下，评价系统包括：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等。,能耗环境影响因子环境负荷单位单位服务的材料消耗生态指数生态因子,II、常见的环境指标及其表达方法,能耗一项
2、指标难以综合表达对环境的复杂影响，故在全面的环境影响评价中，已基本淘汰能耗表示法。,能耗,能效标准把能效水平分从高到低分为1、2、3、4、5五级进行区分，2级以上的产品才称得上是节能产品。能耗限定值 E=(VF2.15+VR)FC0.777+303365,表达材料对环境的影响：EAF资源，能源，污染物，生物影响，区域性比能耗指标要全面综合一些。,环境影响因子-environmental affect factor,EAF,环境负荷单位是用一个综合的指标，包括能源、资源、环境污染等因素来评价某一产品、过程或事件对环境的影响。,环境负荷单位,单位服务的材料消耗量（materials intensi
3、ty per unit of service,MIPS），指在某一单位过程中的材料消耗量，这一单位过程可以是生产过程也可以是消费过程。,单位服务的材料消耗,生态指数表示法(eco-point)：对某一过程或产品，根据其污染物的产生量及其他环境作用大小,综合计算出该产品或过程的生态指数，判断其环境影响程度。,生态指数,生态因子（eco-indictor,ECOI）：主要两部分：一部分是材料的环境影响（EI），包括资源、能源的消耗，以及排放的废水、废气、废渣等污染物，加上其他环境影响，如温室效应、区域毒性水平，甚至噪声等因素；另一部分是材料的使用或服务性能（SP）ECOI=EISP,生态因子,早期
4、单因子法进行评价，但是单因子很难反映出环境影响的综合效应。到20世纪90年代初，提出了一个综合的评价方法生命周期评价方法(life cycle assessment，LCA)。,III、材料的环境影响评价方法与标准,LCA 起源,20世纪60年代-“物质-能量流平衡方法”80年代-“从摇篮到坟墓”的生命周期评价技术1990年8月由国际环境毒理学与化学学会(SETAC,Society of Environmental Toxicology and Chemistry)正式给出LCA的定义和规范。,LCA定义：是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负
5、荷的定量方法。目的:在于寻求改善环境影响和合理利用资源的途径。即从“摇篮”到“坟墓”的整个周期。基本思想是：产品设计应着眼于整个周期过程，以使最终的设计达到环境保护和资源合理利用的目的。,LCA的评估对象,ISO明确定义了LCA的评估对象是产品系统或服务系统造成的环境影响，而不是评估空间意义上的环境的质量，这与环境科学中的环境质量评估有着根本区别。另外，LCA方法着眼于产品生产过程中的环境影响，这与产品质量管理和控制等方法也是完全不同的。其次，LCA的评估范围要求覆盖产品的整个寿命周期，而不只是产品寿命周期中的某个或某些阶段。,实施LCA的主要目的,帮助提供产品系统与环境之间相互作用的尽可能完
6、整的概貌；促进全面和正确地理解产品系统造成的环境影响；为关注产品或受产品影响的相关方(interested party)之间进行交流和对话奠定基础；向决策者提供关于环境的有益的决策信息;LCA方法鼓励各种组织，尤其是企业，将环境问题结合到他们的总体决策过程中。,LCA的特点,首先，LCA方法不是要求企业被动地接受检查和监督，而是鼓励企业发挥主动性，将环境因素结合到企业的决策过程中。其次，LCA评估建立在Life Cycle概念和环境编目数据的基础上，从而可以系统地、充分地阐述与产品系统相关的环境影响，进而才可能寻找和辨别环境改善的时机和途径。这体现了环境保护手段由简单粗放向复杂精细发展的趋势。
7、,LCA的技术框架及评价过程,这一结构也叫SETAC三角形，即：编目分析（Inventory analysis）、损害评价（Impact assessment）、改进评价（Improvement assessment）。即由三个顶点（3I）和中心（定义目标和范围）构成。,目标和范围确定,目标的定义包括：目的、原因和评价结果的输出方式。研究范围包括：规定评价边界、选择和优化评价的模型、明确数据的要求、规定审核方法、审核报告的格式与类型等。必须与目标相一致。,编目分析,定义：是对系统边界内的所有过程中资源的能耗及“三废”排放量对环境负载的影响进行量化的合理分析。核心：是建立以产品功能单位表达的产品
8、系统（评价对象）的输入和输出。根据物质平衡及能量平衡进行正确的调查。数据获得：正式出版的文献或有关论文；各类统计年鉴和报表；有关环境数据手册；国家统计局统计结果；各行业的有关环境统计分析资料等。,影响评估,是对编目分析阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的确定、表征和评价，即确定产品系统的物质和能量交换对其外部环境的影响。步骤：分类表征归一化评价,评估结果分析,是在清单分析和影响评价基础上，系统地评估产品、工艺过程或活动的整个生命周期内削减能源、原材料的使用和减少废物排放的机会及可能采取的措施。,IV、常用的LCA评价模型,关于LCA评价模型可分为精确方法和近似方法，前者有输入输出法，后者有
9、线性规划法、层次分析法等。,输入输出法,线性规划法,层次分析法,该瓷砖生产线的年产量为30万m2，采用连续性流水线生产。所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等，消耗一定的燃料、电力产水，排放出一定的废气、废水、废渣。,V、LCA应用实例1建筑瓷砖的环境影响评价,实例2用层次分析法评价,定义一个环境指数为LCA的评价目标。,LCA应用实例3目标和范围的确定,本研究的目的是对聚甲醛基自润滑材料在其原材料的提取、制备、使用、废弃和再利用的全过程中的物质、能量输入输出及其污染排放物对环境造成的影响进行了评价。这一模式能够定性和定量的评价自润滑材料在整个生命周期中的环境行为。,编目分
10、析的主要范围,物质输入 能量输入 化学回收 机械回收 三废输出 能量输出 其他释放物 能量输出,原料获取,精 炼,制造单体,化学合成,聚合物造粒,运 输,形成产品,产品废弃,塑料的生命周期评价（单位：1千克）,产品系统工艺流程图,烘 干,油井操作,原油运输,原油炼制,石油生产,单体生产,单体合成,聚合物造粒,加入填料,混 合,模压成型,烧 结,使 用,回收利用,简式生命周期评价矩阵的应用,LCA作为一个环境管理决策工具存在着理论和实践上的局限性。研究者必须经常依据工程估计或专业判断等来获取数据，其结果可能造成较大的数据误差，另外从实践上看，完成一个完整、有效的生命周期评价需要较高的费用和很长的
11、时间。简式生命周期评价矩阵是一种半定量的方法，其评价系统为58二维矩阵，其中一维代表产品生命周期的5个阶段：原料获取、产品生产、销售(包括运输)、产品使用、回收或处置;另一维代表环境因素，为了全面描述产品生命周期全过程的环境行为，一般选定8个环境因素:有害物质、大气污染、水污染、土壤污染、固体废物、噪声、能源消耗、资源消耗。研究者根据每个元素对环境影响程度的不同划分为5个等级（以数值0，1，2，3，4表示），其中数值越小，表示污染越重。在对矩阵中每个元素取值之后，按照每个元素所得的数值求和作为评价指数。,数据收集,聚甲醛基自润滑材料环境影响评价矩阵评分结果,应用范围的局限性 评估范围的局限性
12、评估方法的局限性,VI、LCA的局限性：,应用范围的局限性,LCA只考虑生态环境、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响因素，不涉及技术、经济或社会效果方面的评价；不考虑诸如质量、性能、成本、利润、公众形象等影响因素。,评估范围的局限性,时间和地域范围的影响；风险范围界定的局限性,评估方法的局限性,LCA的评价方法既包括了客观因素，也包括主观因素；标准化方面,VII、材料的环境性能数据库,建立材料性能数据库的基本原则常用环境数据库介绍,建立材料性能数据库的基本原则,（1）有一定的通用性：（2）要具有可比性；（3）应具有服务性的功能；（4）具有预测性的功能。,常用环境数据库介绍,国际上，提出了一种
13、统一的编目数据格式-SPOLD格式，还建立了一个SPOLD数据库网络。http：我国材料环境影响数据库研究始于90年代中期，如清华大学建立的涂料及表面材料环境影响数据库重庆大学莲立的金属材料环境影响数据库等 SimaPro软件,SimaPro软件,可完整应用于生命周期评估-清单及影响评估的各个阶段，亦可应用于不同生命周期工序阶段。；丰富的环境负荷数据库，如 ETH-ESU96（能源、电力制造、运输），BUWAL 250（包装材料的产品、运输、销售及最后处置方面），IDEMAT 2001（不同材料、工艺和工序的工业设计方面），Dutch concrete（水泥及混凝土），IVAM（用于建筑部门的
14、超过100种材料和250个工艺生产的有关能源和运输方面）等；提供多种评价方法，如 Eco-Indicator99，Ecopoints97，CML 92，CML 2(2001)，。用户可以选择一种评价方法模型进行单一评价，也可以同时针对一种产品或服务选择多种评价模型进行对比评价；使用界面良好，提供向导式的评价模式，自动生成评价工艺流程图，大幅度降低了专业软件的使用难度，便于用户使用和易于理解；数据处理的图形化，可以直观地描述各工序对整个产品或材料的环境负荷的供献。该软件也正在将技术、经济分析引入到评价体系中。,环境材料学 材料的生态设计,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
15、的资源效率材料的生态设计,可持续发展,、材料产业的可持续发展,可持续发展可持续发展的实质是在生产过程中尽量做到少投入。多产出；在消费过程中尽量做到多利用少排放。其最终目标是实现经济效益、社会效益、环境效益的统一。,材料产业的可持续发展,实现材料可持续发展的关键：开发新材料。,材料产业可持续发展的方向：用资源节约型产品代替资源消耗型产品：用环境协调型工艺替换环境损害性工艺。,材料产业的可持续发展,II、工业生态学,工业生态学原理 工业生态学是一种提高资源效率和促进环境保护的系统原理。工业生态学的目标是通过分析自然界的生物循环系统，将生物圈的循环原理用于工业过程，把现有的工业体系通过工业生态学的途
16、径，转化为可持续发展的体系，最终实现人类社会的可持续发展。,工业过程的生态结构重组:,转换的层次：宏观层次是改善整体经济的物质和能源效率；中间层次：重新审视产品与制造过程，减少废物的排放量；微观层次：设计最简洁的工艺，优化工艺过程，提高生产效率。转换的战略：一将废弃物作为资源重新利用，力争达到零排放；二封闭物质循环系统并尽量减少消耗性排放；三工业产品和经济活动的非物质化，降低资源和能源的输入量；四能源脱碳，减少全球温室效应。,凯隆堡生态工业园,3、材料流分析,材料流理论,材料流(materials flow)又称物质流(mass flow)，也称材料链(substance chain)。材料流
17、理论是指用数学物理方法，对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量的一种定量分析的理论。材料流理论是一种方法学，其理论基础就是物质不灭定律和能量守恒定律。主要用于研究评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。,（1）4倍因子理论 核心：为了消除社会的贫富悬殊，实现各国间的健康、和平发展而建立的。,4倍因子理论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，如式所示：R=P/I=2/0.5=4式中：R：资源效率；P：产品产出量；I：原材料、能源投入量。,（2）10倍因子理论 核心思想是：我们
18、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10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上继续生存。,Schmidt-Bleek教授认为：到2050年，地球上的人口将在现有的基数上增加1倍，即P等于2；同时，世界各国的国内生产总值届时将增长3-6倍，取平均值为5；2乘以5等于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，我们必须通过提高资源效率来平衡和补偿对环境的破坏。因此必须将资源效率和能源效率提高10，才有可能真正实现社会、经济的可持续发展。,（3）极值理论针对投入和产出的效率问题，极值理论指出：对一定
19、的原材料投入，有效产品的产出率越高，废弃物产生量就越小。从环境保护的角度看，就是要求最大的产出率和最小的废物排放率。可用式来表示：,材料流理论的应用实践,4、材料生产的资源效率,资源概述 在一般意义上资源是指人类可以直接从自然界获得并用于生产和生活的物质。资源是自然环境的重要组成部分，通常又称为自然资源。自然资源通常可以分为三大类，第一类称为取之不尽的资源；第二类称为可再生的资源；第三类称为非再生资源。,资源效率资源效率指在某生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比。,资源保护和综合利用（1）资源保护（2）一次资源和二次资源的综合利用,（1）资源保护,广义的资源保护指人类在维护自然的
20、生态系统及其综合体过程中，对开采和利用资源采取的平衡观念和行动；狭义的资源保护一般指对资源进行有效的综合利用，提高资源效率。资源的有效利用，从技术方面来考虑:首先是节约自然资源;其次是发展替代资源;第三是延长产品的生命周期，使用寿命的延长。关于资源保护，从管理上说:注意经济、社会和生态效益相结合;注意当前与长远相结合，,（2）一次资源和二次资源的综合利用,一次资源的综合利用：将某一生产过程中排出的废弃物直接作为下一生产过程的原料而加以利用。我国目前的一次资源综合利用主要集中在3个方面：矿业废弃物的综合利用、冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综合利用。二次资源综合利用是指将某种废物经过加工处理使
21、其重新变为资源的过程，也称为废弃资源的再生利用。通过二次资源的综合利用，使物质的生产真正实现生产、消费、废物排放、加工处理、再回到生产的完全循环过程。,1、生态平衡 生物体(动物、植物、微生物，与环境相互作用形成的一种机能系统称为生态系统。在生态系统中，保持物质和能量输入和输出平衡的过程称为生态平衡。生态平衡，其实质就是保持资源平衡、能源平衡和环境平衡。是目前人类最为关注的问题之一。为保护生态平衡，早在20世纪70年代，就提出了生态设计的概念。,材料的生态设计,2、生态设计,减少材料环境影响的措施包括减少材料的用量、回收循环再利用、降解及废物处理等。,生态设计的方法,系统设计模块化设计长寿命设
22、计,系统设计,生态设计要求设计人员在产品开发设计过程中要有系统的观点，充分掌握设计的全盘性，相互联系及制约的细节。设计思想：整体性、综合性和最优化。特点：采用物料和功能循环的思想，扩大了产品的寿命周期，有利于维护生态系统平衡，提高资源效率，减少废弃物数量及处理成本。,模块化设计,模块化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析，划分并设计出一系列功能模块。通过模块的选择和组合可以组装成不同产品，以满足市场需求。同时，摸块化设计也有利于产品使用后的拆卸，继续利用一些可用的模块。特点：现在拆卸技术和回收技术等方面，目前，摸块化设计已广泛应用于汽车、家电、计算机、复印机以及许多工
23、业机器行业。,长寿命设计,按照LCA理论，产品的寿命越长，其环境负担性越小。因此，长寿命设计目前在工业产品设计中也比较流行。特别是对一些影响到人身安全的产品，长寿命设计更是苜选的设计原则，以确保产品能够长周期安全地使用。,再生设计,要点：一般包括把上一个过程的废弃物作为下一个过程的原料，建立利用废弃物作为资源的观念。在技术可能的条件下，考虑最经济的再生循环利用率。减少一次污染，把污染物尽量在过程内部消化，控制排出循环过程以外的污染物总量。对那些不得不排出循环过程以外的污染物，应设计污染处理流程，对污染物进行治理，努力避免二次污染等。,习题,1、根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现(1)金属材
24、料：(2)高分子材料；(3)无机非金属材料(选一种)的可持续发展并提出几项可具体实施的技术措施。2、分析材料的环境影响须应用LCA法，分析资源效率要用到材料流理论。这两种方法都是基于物质不灭和能量守恒原理建立起来的，试分析一下两者的异同之处。3、有两种材料：钢和碳塑复合材料。通常复合材料成本较高，加工和使用性能也较好。钢比复合材料重，制造过程需要更多的能量，但与复合材料不同的是，在汽车报废后钢可以回收利用。设想你是一名汽车设计师，你可以从上述两种材料中选择一种做汽车的引擎盖，你将选哪种，为什么？,II、材料的环境友好加工制备,降低材料环境负担性的技术清洁生产技术,降低材料环境负担性的技术,再循
25、环利用技术,（1）资源再生回收利用资源再生化技术既包括废物的直接回收利用，也包括废弃物的再生加工使用等。而资源回收技术一般指某种废弃物不经过加工过程，直接进行再生利用。从经济成本方面看，对生产过程中每一步工艺过程产生的废物，应该首先考虑在该工艺过程内部进行回收和循环利用，即观场循环，既提高资源利用率，也减轻末端治理的负担。,（2）能源回收利用,避害技术,无害材料替代有害材料用环境友好的生产工艺代替污染较重的生产工艺,控制技术,补救修复技术,清洁生产技术,定义清洁生产是通过产品设计、原料选择。工艺改革、生产过程管理和物料内部循环利用等环境的科学化与合理化，使工业生产最终产生的污染物最少的一种工业生产方法和管理思路，清洁生产包括清洁的生产过程和清洁的产品两方面的内容，即不仅要实现生产过程的无污染或少污染，而且生产出来的产品在使用和最终报废处理过程中也不对环境造成损害。,清洁生产的理论基础,清洁生产的内容,实现清洁生产的途径,谢谢！,
