环境材料学

材料产业既是人类文明进步的物质基础，又是造成资源、 能源过度消耗，生态环境恶化的主要责任者之一！
人口問題
目 前
貧困問題
１３亿绝对贫困,毎日平 均消費不足温饱（世界銀 行） 发展中国家,8.45亿营养 不良 (UN Food and Agriculture Organization) 近１０亿人处于失业状态 (International Labor Organization)
铅
移动或处
理数吨重 的物质
1:142
106
1:19 1:7500 金
改自Schemidt-Bleek
原材料 生态负担
银 1:35000 铂 1:35000
全球CO2的排放情况
7000000
Million Metric Tons of Carbon
6000000
5000000
4000000
Central and South America Africa Far East Centrally Planned Asia Middle East Centrally Planned Europe Oceania Western Europe Germany North America
1455.67
136.21 17084.60 18236.61 72500.00 451.00
12.96
11.67 9.84 20.27 9.68 26.12
数据来源：中国统计年鉴 2003
2002年我国几种主要原材料工业的污染物排放情况
主要材料品种
矿品采选业 化学原料及制品制造业 化学纤维制造业 橡胶制造业 塑料制造业 非金属矿物制造业 其中：水泥制造业 黑色金属冶炼 有色金属冶炼 金属制品业
全球收入分配 Richest Fifth
82.7%
11.7%
2.3%
1.9%
Poorest Fifth
1.4%
(UNDP, Human Development Report 1992)
资源的巨大消耗
Transportation CO2 : 0.016t SOx : 0.22kg NOx : 0.017kg Mining CO2 : 0.03t SOx : 0.10kg NOx : 0.25kg
美国经济学家波尔丁——
《宇宙飞船经济观》
——首次提出了循环经济的概念
重新思考人与自然的关系
1972年
国际性未来研究组织—罗马 俱乐部发布了关于世界发展 趋势的研究报告《增长的极
6月5日联合国在斯德哥尔
摩召开人类环境会议，通 过了《人类环境宣言》， 提出人类在开发利用自然 的同时，也要承担保护自
限》。警告——“如果让世
1850
1900
1950
1983 年
(据Ayres,1996)
资源的巨大消耗
单 位 吨
1:0.65 沙子和砾石 1:12 天然宝石 109 1:6
:
煤炭
1:2
1:0.1 石油 褐煤 水泥 1:11
1千克金属 可能需要
1:0.3 磷 1:34 1:5 铝矿 107
1:14 铁 粘 土
岩盐 石膏 硫 1:0.9 锰矿石 瓷土 1:6 锌
1
1 1 5 2 2
1
1 1 6 2 2
近年我国几种主要材料工业产品产量
产品名称
化学纤维
单位
万吨
2001年
841.38
2002年
991.20
年增长率 (%)
17.81
塑料树脂及共聚物
合成橡胶 生铁 钢 水泥 铝
万吨
万吨 万吨 万吨 万吨 万吨
1288.71
121.98 15554.25 15163.44 66103.99 357.60
美国生物学家莱切尔· 卡逊 《寂静的春天》
生态环境材料学
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 概 论 材料产业与生态环境 材料的环境协调性评价 材料和产品的生态设计 金属材料和冶金流程的环境协调化 无机非金属类生态环境材料 高分子环境材料 天然资源环境材料 环境治理功能材料与技术
第一章 生态环境材料概述
第一节 材料 第二节 第三节 第四节 材料可持续发展的产物—生态环境
1989年，美国的福罗什在《加工业的战略》一书中， 首次提出了工业生态学的概念，即通过将产业链上 游的“废物”或副产品，转变为下游的“营养物” 或原料，从而形成一个类似于自然生态系统的“工 业生态系统”
重新思考人与自然的关系
1992年，在巴西里约热内卢召开的世界环境与 发展大会以“可持续发展”为指导方针制定并
铝 铬 煤 钴 铜 金 铁 铅 锰 汞 钼 天然气 镍 石油 镉 银 锡 钨 锌
百度文库
按 1970 年不变 100 消耗速度 420 2300 110 36 11 240 26 97 13 79 38 150 31 130 16 17 40 23
我国主要矿产品的可开采年限
矿产名称 石油 煤 铁矿石 储量 38.2 602 149 单位 亿kL 亿吨 亿吨 可采年限 20.2 60 106.7
通过了《21世纪议程》和《里约宣言》等重要
文件。会议号召各成员国制定其本国的“可持 续发展”战略与政策，并加强合作，以推动 《21世纪议程》的落实。
2002年,约翰内斯堡 可持续发展世界首脑会议
1992年,里约热内卢 环境与发展大会 1972年,斯德哥尔摩 人类环境会议 1972年,罗马俱乐部 发布了《增长的极限》
合 计
744812
121978
51188
占工业排放总量百分数 (％)
数据来源：中国统计年鉴 2003
35.95
69.60
54.16
国内外资源效率对比

美国（1991）、德国（1991）、荷兰（1991）、
日本（1990）等发达国家的资源利用效率
300kg自然界物料 中国1994年 100美元（GDP）
3000000
2000000
1000000
0
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980 1990 Source: CDIAC
CO2排放浓度增加为2倍，那么平均气温将增加1.5～4.5℃
この百年に地表温度が上がり続ける
电子垃圾污染日益加剧
电子垃圾每年以18%的速度增长，比总废物量的增 长速度快3倍，其范围包括所有的废旧电子产品。 如果处理不当，将会对环境造成严重影响，危害 人类的健康和生存。如废旧电子产品掩埋在土壤 中，经渗透会对土壤造成严重污染，甚至渗入地 下水危及人体健康。 我国广东贵屿、浙江台州地区就是典型的电子垃 圾灾区。
十种有色金属产量和在世界上的排位
产品名称
铜 铝
2002年产量 （万吨） 2003年产量 （万吨） 2004年产量 （万吨）
世界排名 2002
2 1
世界排名 2003
2 1
163.25 451.11
183.63 596.20
217 683.70
铅
锌 镍
132.47
215.51 5.24
156.41
231.85 6.47
远古时期——主要靠自然的恩赐度日。人类很少有意识地 改造自然，对环境的影响未超出自然环境的调节能力。
农业社会——大量砍伐森林、破坏草原，刀耕火种、盲目 开荒。引起严重的水土流失，水旱灾害频繁和沙漠化。但 工业生产并不发达，由此引起的环境污染问题并不突出。
工业革命以后——人类对自然的开发能力达到了空前的水 平。对自然资源进行了掠夺性的开发利用，毫无顾忌地向 自然排放废弃物，环境污染发展的速度超过了自然环境代 谢更新的速度。
(1000km· 运输 t) 冶炼
( / t-矿石) 开采
11,800km
Metals
1 t 金属
6 t 精矿
300 t 矿石
资源的巨大消耗
10000 铜 锌 锰 铬 镍 镁 锡 100
金属消耗量(千吨/年)
1000
几十年 来，金 属的使 用量一 直在呈 指数增 长
钼
10 汞
1
1700
1750
1800
生态环境材料的内涵与定义 生态环境材料的研究与应用发展 生态环境材料的发展趋势
第一节 材料可持续发展的产物— 生态环境材料
材料作为社会经济发展的物质基础，推动着人 类文明的进步 同时材料产业又是资源、能源消耗和污染排放 大户，严重威胁着人类生存的自然环境，材料 与环境如何协调发展的问题日益受到人们的重 视 20世纪90年代初出现了“生态环境材料” （Ecomaterials）的概念
了占世界总量4%的GDP。
我国处于资源和环境的两难境地
我国一些生产资料新增资源结构也发生明 显变化，对外依存度明显提高。其中原油对 外依存度已经达到35%。今后我国钢铁、铝、 铜、石油等资源需求量还需要通过进口加以
解决。
表1 资 名 源 称
地球上 19 种主要矿产资源的消耗年限 耗竭年限（年） 消耗速度按照指数增 31 长（储量不变） 95 111 60 21 9 93 21 46 13 34 22 53 20 47 13 15 28 18 消耗速度按照指数增 55 长（储量增加 4 倍） 154 150 148 48 29 173 64 94 41 65 49 96 55 85 42 61 72 50

5700kg自然界物料
100美元（GNP）
分别是同年美国的18倍、日本的44倍
中国单位GNP的资源消耗远高于世界平均水平
据统计钢材、铜、铝、铅、锌的消耗分别是 世界平均水平的3.6、3.7、2.4、2.7和2.2倍。能源 对GNP产出率仅为世界平均水平的七分之一。
我国处于资源和环境的两难境地
2003年我国已经成为世界第一煤炭消费 大国和第二石油电力消费大国，同时消耗了 占世界当年消耗总量近50%的水泥、35%的铁 矿石、20%的氧化铝和铜，不过这些只创造
181.19
251.94 7.54
1
1 6
1
1 6
锡
锑 镁 钛 汞 铜材 铝材
8.18
12.32 23.05 3648(吨) 495 (吨) 251.16 298.79
9.81
8.99 34.18 4118(吨) 612(吨) 319.60 399.74
11.71
12.49 42.61 4964 (吨) 424 (吨) 416.52 439.66

材料作为社会经济发展的物质基
础，推动着人类文明的进步；作 为人类社会进步的里程碑和划时 代的标志，如石器时代、陶器时 代、青铜时代、钢铁时代……等
工业革命，都是以新材料的发现和应用 为基础、为先导



18世纪以钢铁为代表的金属材料，推动了以蒸气机、纺织机 的发明和应用为标志的第一次工业革命，把人类带入工业社 会； 20世纪中叶以来，以单晶硅及其它半导体材料为代表的新材 料，为以微电子技术的发明和应用为标志的第二次工业革命 的到来，起到了先导和核心作用，把人类社会带入了电子时 代； 二十世纪80年代以来，以先进半导体材料和非线性光学晶体 以及光纤材料等新材料的发现和不断扩展应用，将推动以光 电子或光电子与微电子结合为标志的第三次技术革命，把人 类社会带入更加辉煌的信息时代
工业废水 （万吨）
50437 321416 53954 7579 2476 44483 26023 190268 34050 14124
工业废气 （亿标立方米）
1815 10817 3090 443 185 36176 30264 29082 9320 786
固体废弃物 （万吨）
23609 6050 352 75 35 1966 1156 14232 3607 106
界人口、工业化、污染、粮 食生产和资源消耗方面现在
的趋势继续下去，这个行星
上的增长的极限有朝一日将 在今后一百年中发生”。
然的责任和义务。世界各
国由此走上了改善和保护 生态环境的历程。
重新思考人与自然的关系
1987年，在第42届联大“环境与发展会议”上，时
任挪威首相的布伦特兰夫人在《我们共同的未来》 的报告里第一次提出了可持续发展的新理念，并系 统地阐述了可持续发展的内涵
人类改造和征服自然的后果
20世纪30年代至50年代，发生了震惊世界的 八大公害事件： 马斯河谷事件 伦敦烟雾事件 米糠油事件 骨痛病事件 多诺拉烟雾事件 水俣事件 四日市哮喘事件 洛杉矶光化学烟雾事件
人类社会面临的三大问题
人类文明
人口膨胀
物质 基础
资源短缺
环境恶化
材料产 业
物耗高、能耗高 废弃物排放量大
锰矿
铝土矿 锌矿 钨矿
1
20 8000 120
亿吨
亿吨 万吨 万吨
18.9
209.2 54.7 48.5
锡矿
钼矿 锑矿
340
100 190
万吨
万吨 万吨
42.4
30 43.2
数据来源：联合国《矿业产品年鉴》
重新思考人与自然的关系
1962年
美国生物学家莱切尔· 卡逊—— 《寂静的春天》 ——“我们必须与其他生物共同 分享我们的地球”。