环境材料学第5章材料的生态设计
《环境材料学》课程各章重点内容
《环境材料学》课程各章重点内容1环境与材料材料生产对环境的依存关系、环境材料概念、环境材料的五个判据、主要环境材料种类、环境材料与传统材料、新材料的关系、环境材料学及其主要研究内容。
2材料的环境影响综合评价传统材料和环境材料的评价理论有何不同？材料的评价三角形分析。
环境负荷、材料的寿命全程概念，评价内容描述、环境负荷各项目计算中权重系数的取值问题、废弃物排放因子用加权模型计算时权重系数的计算、环境负荷各项目如何汇总？减少环境负荷的措施。
材料的再生循环设计概念、再生循环设计过程中应考虑的问题、材料的再生循环利用度评价方法、再生过程能量评价与分析。
环境质量评价模型及其各自有缺点、适用场合、计算过程等。
3微生物材料微生物能作为材料使用的原因。
微生物塑料的制备原料与传统塑料制备原料的来源有何不同？微生物塑料的主要生产原料。
紫膜能作为微生物功能材料使用的原理及优点。
两种类型的微生物计算机的原理有何不同？微生物传感器的基本原理及其应用、特点。
微生物燃料电池与传统电池的区别、应用原理。
微生物环境修复材料的特点、微生物固定方式。
微生物环境修复材料的工业应用。
4石墨材料石墨材料加工过程，加工原料的特点。
石墨层间化合物的“阶层”、插入物对石墨层间距离的影响及其计算、石墨层间化合物的奇异膨胀性及其膨胀机理。
石墨密封材料与传统密封材料的比较、石墨密封材料成型方法及其特点、为增强石墨密封材料性能采取的措施。
石墨材料净化含油废水的原理、与传统净化材料活性炭、棉花比有何特点？石墨材料净化大气中SO2有何特点？温度对净化大气中SO2有何影响？5绿色建材什么是绿色建材？传统建材有何缺陷？绿色涂料在生产原料上有何特色？涂料的水性化、高固体化和粉末化区别。
生态水泥生产原料，它与传统硅酸盐水泥在成分和使用过程有何不同？保健环境建材的概念及其种类、特点。
6沸石材料沸石的结构、沸石水和沸石金属离子的性质和作用。
沸石洗涤剂助剂与传统助剂助洗机理比较。
材料的生态设计PPT课件
4.2 工业生态学
• 化学元素的循环
第11页/共40页
4.2 工业生态学
• 社会生活中的水循环
第12页/共40页
4.2 工业生态学
第13页/共40页
4.2.1 工业生态学原理
工业生态学的起源。什么是工业生态学？
1989年9月 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”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。
环境材料学复习重点
环境材料学复习重点一、名词解释（6个）1、环境材料：是指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料。
2、材料环境负荷值：指对某一具体材料在其生产过程中耗用的资源和能源的多少，以及其向环境排放的废弃物（气态、固态和液态之和）多少的综合值。
3、材料的生命周期：是指从原料采集和处理、材料制造、产品制造、运输、销售、使用、再循环、直至最终处理和废弃等环节组成的生命链。
4、生命周期评价（LCA）：是对材料和产品进行环境表现分析的一种重要方法。
具体是通过确定和量化与评估对象相关的能源消耗、物质消耗和废弃物排放，来评估某一产品、过程或事件的环境负荷。
5、酸雨：大气中二氧化硫和一氧化氮在强光照射下进行光化学作用，并和水汽结合而形成硫酸和硝酸，使得雨雪pH下降，一般将pH小于5.6的雨称为酸雨。
6、再生资源：在社会的生产、流通、消费过程中产生的不再具有使用价值而以各种形式储存，但可以通过不同的加工途径而使其重新获得使用价值的各种物料的总称。
7、循环经济：是指在人、自然资源和科学技术的大系统内，在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过程中，把传统的依赖资源消耗的线形增长的经济，转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。
8、腐植酸：是动、植物遗骸，主要是植物遗骸经过微生物的分解和转化，以及地球化学的一系列过程形成和积累起来的一类有机物质，广泛存在于风化煤、泥炭和褐煤中。
9、避害技术：将有害物留在生产过程内部处理，将有害物在进入环境之前转化为无害物，在排放到环境以前进行消化，避免污染环境生态加工技术。
10、材料生产的资源效率：某一生产过程中所产出的所有产品占所投入原料总量的百分比。
11、固体废弃物：指人类在生产、加工、流通、消费以及生活等过程中提取目的组分之后而被丢弃的固体泥浆状的物质。
12、复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的材料。
13、吸附材料：具有多孔结构和巨大的比表面积的材料，常见有活性炭，活性炭纤维，沸石分子筛，活性氧化铝等。
环境材料生态设计与性能优化
环境材料生态设计与性能优化随着全球环境问题的日益严重，人们对环境保护的关注度也不断提高。
在建筑、工程和其他领域中，环境材料的使用成为一个热门话题。
环境材料生态设计与性能优化是一种新兴的方法，旨在提供可持续发展的解决方案，使材料在其整个生命周期内对环境的影响最小化。
环境材料生态设计的核心理念是通过整合材料的生产过程、使用阶段和废弃处理来减少环境影响。
这种设计方法要求将环境影响作为一个关键因素纳入考虑范围，并寻求创新的方式来减少资源消耗、减少排放物和废弃物的生成。
一个典型的例子是使用可再生材料，如竹材、麻纤维等代替传统的非可再生材料，如塑料和金属。
这些可再生材料在生产和处理过程中产生的温室气体和其他污染物较少，对环境的影响更小。
此外，环境材料生态设计还关注材料的性能优化。
通过选择合适的材料和改良设计，可以改善材料的性能，以满足特定的功能需求。
例如，在建筑领域，环境材料的性能优化包括隔热性能、耐久性和保温性能等。
通过更好地控制建筑内的温度和湿度，使用环境材料可以减少对空调和加热系统的需求，从而降低能源消耗。
在环境材料生态设计中，一个重要的概念是生命周期评估（LCA）。
生命周期评估是评估一个产品或材料在其整个生命周期内对环境的影响。
这包括从原材料提取、生产、运输、使用到废弃处理的整个过程。
通过进行生命周期评估，可以确定材料生产和使用过程中的主要环境热点，并确定改进的潜力。
这将有助于指导设计者和制造商制定更环境友好的材料和产品。
在实际应用中，环境材料生态设计面临一些挑战。
首先，材料和产品的性能必须符合使用要求。
不仅仅关注环境影响，还必须平衡性能、成本和可用性等方面。
其次，由于环境材料的生产和处理需要更多的资源和技术，因此可能会导致一定的成本增加。
因此，需要权衡环境收益和经济成本，并寻找可持续发展的平衡点。
为了促进环境材料生态设计的发展，政府和行业组织起到重要的作用。
政府可以通过制定环境政策和标准来鼓励环境材料的使用和生态设计。
(完整版)环境材料学第5章材料的生态设计
生态设计的内容
材料的选择与管理、 产品的可拆卸性设计、 产品的可回收性设计 首先考虑所有材料、能量输入和输出，尽可能为无害而努力； 预防废弃物的产生比废弃物的处理和清除更重要； 后处理过程设计为能源、处理消耗最省； 产品、过程和系统的设计必须考虑所有被投入的能量与物质的
1992.6.3 里约热内卢 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 内卢环境与发展宣言》以及《二十一世纪议程》。
可持续发展
是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，它们 是一个密不可分的系统，既要达到发展经济的目的， 又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土 地和森林等自然资源和环境，使子孙后代能够永续 发展和安居乐业。
伴随着环境问题的出现，以及对发展目标的重 新认识，人类开始反思，从而产生了可持续发 展的思想。
1972.6.5 斯德哥尔摩 联合国人类环境研讨会上 首次提出可持续发展的概念。
1987.4.27 世界环境与发展委员会 发表了一份 题为《我们共同的未来》的报告，系统阐述了可
持续发展的思想：“既能满足当代人的需要, 又不对后代人满足其需要的能力构成危害 的发展”。
可持续发展与环境保护既有联系，又不等同。环境 保护是可持续发展的重要方面。可持续发展的核心 是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和 保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会 的发展。
可持续发展的要点
不否定经济增长 强调经济发展以自然资源为基础，同环境承载
能力相协调 生产过程中尽量少投入、多产出 消费过程中尽量多利用、少排放 最终目标：实现经济效益、社会效益、环境效
20世纪全球十大环境问题
1
气候变暖
材料的生态设计
2、产品的生态设计
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
整合产品功能 优化产品结构 产品部件的功能功能优化 模块化设计 易于维护和维修 易于再循环
整合产品功能 将几种功能或产品组合进一个产品中，则可节 约大量的原料和空间。 例如： 德国Viessmann公司开发了多功能集成的太阳 德国Viessmann公司开发了多功能集成的太阳 能收集阳台栏杆，这种栏杆是一种真空管收集 器，它可用于取代大的太阳嵌板。厚硼硅酸盐 玻璃和耐用的真空管玻璃/ 玻璃和耐用的真空管玻璃/金属收集器保证了安 全性和长寿命。由于这一创新，阳台栏杆和太 阳能收集器不在需要独立的建造，节省了能源 和材料。而且这种收集器比平板收集器效率高 30％。 30％。
1、原材料的生态设计
① ② ③
减少原材料的使用量 采用再循环原料 采用低能值原料
①
减少原材料的使用量 通过生态设计，在为人类提供同样的经济功 能的同时相对或绝对地减少原材料的使用 量。
采用再循环原料 尽量避免使用不可再生，或者需要很长时间才能 再生的原料，如矿物燃料，金属铜等。尽量使 用可以再循环利用的原料，可以减少原料在采 掘和生产过程中的能耗。 举例 A 日本的Beauty工业利用废旧的玻璃作为原料，生 日本的Beauty工业利用废旧的玻璃作为原料，生 产的免烧瓷砖可以节省大量的资源和能源，而 且这种瓷砖可以再利用。 B
⑧
轮胎设计人员如果考虑到轮胎最终去处，可以改变轮 胎的成分能够使燃烧更加有效，可以产生较少或根本不产 生有毒物质，可以使轮胎在一定条件下更加快速、简单的 分解，可以通过配方的改变使废旧轮胎更容易转化为一种 新的产品。
2.2、 产品生态设计的要求 2.2、
1、在材料的选择与使用上 应避免使用有毒有害的材料和添加物，并考虑替 代材料的使用，在实在无法替代时，应考虑毒性 物质的稳定性并采取措施把毒性物质“ 物质的稳定性并采取措施把毒性物质“锁”在材 料中使其不易释放出来；避免使用不可再生及需 很长时间才能恢复的原材料如化石燃料、热带硬 木等；尽量使用品种相同的及可再循环的原材料， 以便回收利用；尽量使用再循环的材料，降低新 材料的使用量，也为再循环材料创造市场；同时 在设计时，应考虑尽量减少原材料的使用量，以 减少产品的体积和重量，也方便产品的运输和储 存。
《环境材料》课程教学大纲
环境材料Environmental Material一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课:32学时课程性质：选修开课学期：第6学期先修课程：无机化学、分析化学、有机化学、物理化学适用专业：应用化学教材：《环境材料学》，清华出版社，翁端等编著，第二版，2015年开课单位：环境科学与工程学院化学系二、课程性质、教学目标和任务环境材料课程是一门选修课程。
环境材料是具有环境意识、考虑环境、考虑生态学的材料，它在生产的过程中对资源和能源的消耗量比拟少，废弃后能够回收再生利用的可能性比较大，其从生产使用到回收的全过程对周围的生态环境的影响也最小。
因而它可以称为“绿色材料"或者"生态材料"。
环境材料是指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料，既包括经改造后的现有传统材料也包括新开发的环境材料。
因此，通过本课程的学习，拓展高年级本科生在材料科学领域的学术视野和知识面，促进理科学生将基础理论与应用领域结合，为学生毕业提供从事环境材料研究与生产的工程技术, 同时也拓宽学生的就业渠道，为实现社会可持续开展奠定基础。
三、教学内容和要求第一章：绪论（2学时）1.基本知识点（1）介绍环境材料的起源和定义（2）介绍环境材料的研究意义（3）介绍环境材料的研究内容（4）介绍环境材料的开展趋势2、重点及难点：重点：无难点：无第二章：材料对环境的影响（2学时）1.基本知识点（1）介绍材料在国民经济中的作用（2）介绍材料与资源、环境的关系（3）理解材料加工和使用过程中的资源和能源消耗（4）了解固、液、气态污染物的排放（5）初步了解其他环境影响2、重点及难点：重点：固、液、气态污染物的排放难点：固、液、气态污染物的排放第三章：材料环境影响的评价技术（3学时）1＞基本知识点：（1）介绍常见的环境指标及其表达方法（2）介绍材料的环境影响评价方法与标准（3）理解lea的技术框架及评价过程了解常用的lea评价模型（4）了解lea应用举例lea的局限性（7）材料的环境性能数据库2、重点及难点：重点：lea评价模型难点：lea评价模型第四章：材料的资源效率理论（2学时）1、基本知识点：（1）掌握材料的资源效率（2）熟悉材料流分析（3）了解资源保护和综合利用2、重点及难点：重点：材料流分析难点：材料流分析第五章：材料的生态设计（2学时）1、基本知识点：（1）了解材料产业的可持续开展（2）熟悉材料的生态设计（3）熟悉生态设计案例分析2、重点及难点：重点：材料的生态设计难点：材料的生态设计第六章：材料的环境友好加工及制备（2学时）1、基本知识点：（1）了解降低材料环境负担性的技术（2）了解清洁生产技术（3）清洁生产技术的实践2、重点及难点：重点：清洁生产技术难点：清洁生产技术（1）了解工业生态学的起源（2）了解工业生态学的基本原理（3）掌握工业生态学的研究方法（4）了解工业生态学的应用案例：凯隆堡生态工业园2、重点及难点：重点：工业生态学的基本原理、研究方法难点：工业生态学的基本原理、研究方法第八章：环境治理材料（2学时）1、基本知识点：（1）掌握大气污染治理材料（2）熟悉水污染治理材料（3）理解其他污染控制材料2、重点及难点：重点：大气污染治理材料、水污染治理材料难点：大气污染治理材料、水污染治理材料第九章：固体废弃物中有价元素的回收利用技术（2学时）1、基本知识点：（1）熟悉固体废弃物及资源化利用了解几种主要固体废弃物资源化利用2、重点及难点：重点：固体废弃物资源化利用第十章：有毒有害元素的替代技术（2学时）1、基本知识点：（1）了解背景及政策（2）熟悉有毒有害元素替代材料的研究和应用进展2、重点及难点：重点：有毒有害元素替代材料的研究第十一章：纯天然材料（2学时）1、基本知识点：（1）了解木材的开发和利用了解竹材的开发和利用（3）石材的开发和利用（4）其他天然材料的开发和利用2、重点及难点：重点：其他天然材料的开发和利用（1）理解仿生物材料的环境性能（2）熟悉天然生物材料的组成（3）仿生物材料的制备与应用2、重点及难点：重点：仿生物材料的制备与应用第十三章：环境降解材料（2学时）1、基本知识点：（1）介绍概述（2）介绍可降解塑料的分类（3）材料的环境降解机理（4）生物降解材料的应用趋势及开展前景2、重点及难点：重点：环境降解机理第十四章：绿色包装材料（2学时）1、基本知识点：（1）介绍概述（2）了解包装材料的分类（3）理解包装材料的环境影响及其评价（4）绿色包装材料的设计和加工技术（5）绿色包装材料的开发和应用2、重点及难点：重点：绿色包装材料的开发和应用难点：绿色包装材料的开发和应用第十五章：生态建材（3学时）1、基本知识点：（1）介绍建材与环境（2）介绍生态建材（3）介绍典型的生态建材产品了解环境友好装饰材料（4）了解环境功能玻璃了解建筑卫生陶瓷（5）了解辅助建材及建材化学品了解固体废弃物在建筑中的应用2、重点及难点：重点：环境友好装饰材料、环境功能玻璃难点：环境友好装饰材料、环境功能玻璃四、课程考核（1）作业等：作业：次，课程论文：1篇；（2）考核方式：开卷考试或课程论文（3）总评成绩计算方式：平时成绩占30%,课程论文或期末考试成绩占70%计算五、参考书目1、环境材料，冶金工业出版社；张震斌；20122、环境材料概论，化学工业出版社；冯奇；20073、环境材料导论，北京大学出版社；张剑波；20084、生态环境材料学，机械工业出版社；作者，聂祚仁；2004。
材料生态设计的概念
材料生态设计的概念1. 引言材料生态设计是一种以环境保护为导向的设计方法，旨在减少对自然资源的消耗和对环境的负面影响。
在当今世界面临资源短缺和环境问题日益严重的背景下，材料生态设计成为了一种重要的解决方案。
本文将深入探讨材料生态设计的概念、原则、方法以及在实际应用中所面临的挑战。
2. 材料生态设计概念解析2.1 材料循环利用材料循环利用是材料生态设计中最核心和关键的概念之一。
传统制造业中，大量原材料被消耗后成为废弃物，给自然环境带来了巨大负担。
而在材料循环利用中，废弃物被重新收集、分拣、处理，并经过再加工后重新投入到制造过程中。
这种循环利用不仅减少了对原始资源的需求，还降低了废弃物对自然环境造成的污染。
2.2 生物可降解性生物可降解性是指一种材料在自然环境中能够被微生物分解并完全降解为无害物质的能力。
在材料生态设计中，使用生物可降解材料可以有效减少对环境的负面影响。
这些材料可以在使用寿命结束后自然分解，避免了长期积累和对土壤、水源的污染。
2.3 资源节约资源节约是材料生态设计的重要原则之一。
通过优化设计和制造过程，减少对原始资源的消耗是实现资源节约的关键。
例如，通过减少材料浪费、优化工艺流程和提高能源利用效率等方式，可以最大限度地减少资源消耗。
3. 材料生态设计原则3.1 循环经济原则循环经济原则是指将废弃物转化为可再利用资源的经济模式。
在材料生态设计中，循环经济原则被广泛应用于产品制造过程中。
通过回收和再利用废弃物、采用可循环利用的材料以及推广产品再制造等方式，实现了资源最大化利用。
3.2 绿色制造原则绿色制造是指在产品制造过程中最大限度地减少对环境的负面影响。
在材料生态设计中，绿色制造原则强调使用环境友好的材料和工艺，减少对水资源、能源和原始资源的消耗。
同时，绿色制造还要求减少废弃物的产生和排放，避免对环境造成污染。
3.3 循环设计原则循环设计是指在产品设计阶段就考虑到材料循环利用和可降解性等因素。
环境材料学第五章优秀课件
（1）用无害材料替代有害材料
❖ 一般来说，原材料是产品生产的第一步，原料路线 的选择与生产过程中污染物的产生密切相关。
❖ 目前还有不少产品采用了高污染的原料路线，如中 小型聚氯乙烯生产采用电石乙炔为原料，产生大量 电石渣废料，不仅对环境造成威胁，也为末端治理 留下很重的负担。
❖ 生产一种产品采用什么原料路线是由很多因 素决定的，包括资源、技术、经济等，但以 牺牲环境为代价，或者需要很高的废物处理 费用来弥补原料路线的不足，是不适宜的。
5.1.1 再循环利用技术
5.1.1.2 高分子材料的回收利用技术
❖ 随着高科技的迅猛发展，高分子材料在各行各业的 应用日趋增多，各种塑料制品和橡胶制品的不可降 解和低回收利用率对环境的危害已不可低估，现已 成为固体废弃物处理中的一个世界性难题，高分子 材料的回收利用迫在眉睫。
❖ 高分子回收利用技术有以下几种。
➢ 日本K.Kitagawa等用碳化法处理废弃酚醛树脂，在氮气 中于600℃将废弃的酚醛树脂碳化，所得产物可作为热塑 性塑料的填料使用。
5.1.1 再循环利用技术 5.1.1.3 废弃木质材料循环利用技术
❖ 废弃木制材料循环利用有两种方式，即物质循环利 用和能量利用。
➢ 其中物质循环利用是指对废弃木材回收后进行二 次加工，制成各种人造板重新使用，也可以将废 弃木材制成活性碳、工业碳或合成气体作为化学 原料使用；
❖ 现在采用流态化技术，改用氢气催化还原，使生产 过程连续化，大大减少了生产中有害物对人及环境 的污染。
❖ 除改变整个生产工艺的方式外，对一个生产工艺中 的一个工序或生产设备进行技术改造，或工艺置换 也可改善环境，减少污染物的产生。
❖ 实践中多采用改动设备、改变作业方法或改变生产 工序等，以达到不产生，或少产生有害物。
环境材料学chp5
环境材料学chp5第五章环境材料评价方法的研究评价一种材料是否为环境材料，首先必须确定评价标准。
从环境材料的定义看，制订评价标准实际上是对材料的先进性（功能性），舒适性（经济性）和环境协调性三个方面进行标准指标定量。
由于不同种类的材料使用功能和环境影响的大小不同，因此不可能对所有的材料制订统一的评价标准。
而对同类材料而言，尽管其在使用中表现出各种功能，但是往往其中一种或几种是主要的和共有的，可称之为基本功能。
因此可将材料按基本功能分类，分别制定相应的环境材料评价标准。
对每一类别的材料分别进行环境协调性、先进性（功能）、舒适性（经济性）的指标化，根据指标化的结果，综合考虑边界条件及未来的可能发展，来规定相应的类别的环境材料三方面的评价标准指标。
5.1环境材料的评价体系根据环境材料的概念，环境材料的评价必须以材料的完整寿命周期为研究范围。
一般来说，一个产品的生命周期主要有以下几个阶段组成（图5-1）。
能源生产↓↓————↓----------↓----------↓----------↓原料开采→原料加工→材料制造→材料使用→回收利用→废弃↑__________↑___________↑___________↓循环循环回用↓---------↓---------↓----------↓---------↓---------↓↓废物图5-1 产品生命周期的主要组成阶段在材料评价和比较研究中，需确定其比较基准，可按其基本功能相同的一定重量或体积的材料为基准。
5.1.1环境协调性指标环境协调性指材料在整个寿命周期内对环境的综合影响。
可以用LCA（Life Circle Assessment）方法定量其指标。
LCA基本框架由研究目标及范围、编目分析、环境影响评估、环境改善评估四部分组成。
研究目标及范围确定LCA的目的及边界条件；编目分析确定寿命周期内各阶段资源、能源消耗数据及污染物排放数量；环境影响评估根据编目分析得到的数据对寿命周期的环境综合影响作出评估；环境改善评估则根据寿命期各阶段环境负担确定可能的改善途径。
材料生态设计PPT课件
就材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾 。 材料生产过程的资源效率越低，最终造成的环境污染越重。
16
3.3.2 材料流理论
分析材料的资源效率，最有效的工具就是材料流分析方法。
材料流（Materials flow） ，又称物质流(Mass flow) ， 也称材料链(substance chain) 。
11
生态设计是面向产品的整个生命周期，是“从摇 篮到再生”的系统设计，是从根本上防止环境污染、 节约资源和能源的一种重要的系统过程。 生态设计的关键在于如何把环境意识贯穿或渗透 于产品和生产工艺的设计之中。 设计师必须考虑到 产品在其生命周期中的全部环境属性， 而这种考虑 或许是决定产品成败的关键。
6
可持续发展的核心是发展，但要求在严格控制人
口、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的
前提下进行经济和社会的发展。
7
现代设计:
利润
性能
环境
成本设计
技术设计
生态设计
可持续发展的产品和工艺
通过技术设计、成本设计和生态设计，把性能、利润和环
境等目标融为一体，实现经济活动的可持续发展，最终实现人
类社会的可持续发展。
一种设计
第三章 材料的生态设计 Ecodesign of Materials
➢ 生态概念和可持续发展 ➢ 生态设计的概念 ➢ 材料流理论、资源效率及其综合利用 ➢ 生态设计的原则、战略、内容及方法
1
什么是生态？
生态（Eco-）一词源 于古希腊字，意思是 指“家”(house)或 者我们的环境。
简单的说，生态就是 指一切生物的生存状 态，以及它们之间和 它们与环境之间环环 相扣的关系。
第五章 材料和产品的生态设计
工业生态学目 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， 把现有工业体系通 过工业生态学的途 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。
环境协调性金属材料设计的其他范例 环境协调性不好有双重含义： 一是指地壳中蕴藏量不大的枯竭性元素； 二是指对生态环境特别是对人体有较大毒害作 用的元素。
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含Pb37%的Sn-Pb合金是传统的钎焊合金，具 有良好的金属湿润性、低熔点和可靠的焊接 质量
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二、无机非金属材料生态设计
产品在其技术寿命完成后，要经历拆卸 和再生循环过程，在再生循环过程中生产出 来的材料和再利用的零部件一道返回制造厂 重新生产新产品 。
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可再生循环设计中应首先建立以下概念 ①规定产品系列和产品代的淘汰标准； ②建立评价再生循环和再利用方法的量度； ③建立促进有效的再生循环和再利用的体系。
44
产品拆卸分解过程复杂程度的衡量标准：
3）循环使用可拆卸，可降级使用。
36
在环境材料研究进展中，作为建筑领域 固有的建筑材料及其构件的再生循环的关键 技术，下述方法将具有确定的重要地位： （ 1 ）混合结构形式 钢筋混凝土建筑物采取 柱、梁和墙壁在现场整体混凝土灌筑方式。 （2）高功能性和再生循环性结合的增强材料 及其应用与地球环境相协调并具有良好再生 循环性的混凝土构件应该是既具有长的使用 寿命，又能在解体后容易再生循环的构件。
四、复合材料的生态设计
1．复合材料生态设计原则 一般来说，使复合材料分解比制造时的成本和 使用阶段的能源还高。 21世纪的材料应当是有自修复性、自分解性、 自组织化功能等的智能材料。
复合材料多功能化是设计的一个方向。
5.材料与生态系统
三、材料与自然资源系统的协调
1．材料与可再生生物资源系统的协调性特点
①依赖性: 人类开发利用森林、农业、畜牧业资源作为原料，经过加工制 成材料满足人类需求，这就决定材料系统对材料与自然资源系统的依赖 性的特点。离开这些资源，造纸、纺织材料等等的存在和发展将成为无 米之炊、无源之水。
②协调发展时的可持续利用性特点 : 在可再生资源的可再生能力有限的情 况下，人类通过培育资源和合理的采伐利用自然资源相结合，始终使前 者数量大于后者数量。并且在材料系统的运行中为自然资源系统创造一 个良好的环境条件，使环境不受污染，保证可再生资源的可持续利用。
（c）土地资源是指地球一定高度和深度的岩石、土壤、矿藏、植物等构成 的自然综合体，是人类最基本的可再生利用资源。土地资源具有两面性， 可循环再生使用是指一定地域的土地肥力如何得到合理的保持，就可以 长期循环再生，而土地的自然面积、土地的自然结构（例如岩石、矿藏 的发掘）不具有再生性。土地是材料工业的承载体，原料取自土地、生 产场所基于土地，废弃物归属于土地。所以土地资源的保护，合理的利 用也是材料工业必须考虑的问题。
④生产过程的排放经过加工使其具有新的使用价值。
例如，排放的固体废弃物、废液和废气，不能形成直接效用或不能 直接转化而具有新的使用价值时，如果科技水平和工艺条件能够使其转 化，并经济合理，经过物理、化学、机械、生物等处理后使其形成新的 使用价值。
⑤原生资源加工过程中增加的使用价值转化为新的使用价值， 再生资源新的使用价值有时甚至超过再生资源原有的使用价 值。
材料的资源系统物质流可分为 3 类：自然物质流、经济物质流、废 弃物质流 1．自然物质流 是指地球生物化学，物理化学大循环而形成的各种自然 物质的循环过程。例如化石资源,石油，煤和天然气就是缓慢参与生物化 学大循环产物。许多金属矿藏和非金属矿藏是通过岩浆富集作用，热液 作用，火山作用，细菌作用，沉积作用、氧化和表面富集作用等等生物 化学，物理化学过程形成，物质流的循环周期是以地质年代为时间单位， 相对人类经济活动周期来说，自然物质流是单向的。
材料的生态设计共60页文档
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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5.2 材料的生态设计：实现可持续途径
5.2.1 生态平衡
生态系统内部，生产者、消费者、分解者和非 生物环境之间，在一定时间内保持能量与物质 输入、输出动态的相对稳定状态。
污染物的排放破坏生态平衡（大气污染、温室 效应、臭氧层破坏）
环境材料与生态平衡：材料生产和使用过程中 维持生态平衡，实质是资源平衡、能源平衡和 环境平衡。
加 强 自 身 建 设，增 强个人 的休养 。2020年 11月 19日上 午7时46分 20.11.1920.11.19
扩 展 市 场 ， 开发未 来，实 现现在 。2020年 11月 19日星 期四上 午7时46分 19秒 07:46:1920.11.19
做 专 业 的 企 业，做 专业的 事情， 让自己 专业起 来。2020年 11月 上午 7时46分 20.11.1907:46November 19, 2020
1992.6.3 里约热内卢 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 内卢环境与发展宣言》以及《二十一世纪议程》。
可持续发展
是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，它们 是一个密不可分的系统，既要达到发展经济的目的， 又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土 地和森林等自然资源和环境，使子孙后代能够永续 发展和安居乐业。
数据库
绿色材料
环境工程材料
LCA方法 指标
生态设计
环境降解材料
评价
环境材料评价
产品
产品环境设计
材料可持续发展的一些因素
材料产业可持续发展的方向
高投入、高消耗、高污染 低污染
低投入、低消耗、
✓ 资源节约型产品替代资源消耗型产品 ✓ 环境协调工艺替代环境损害工艺 ✓ 技术先进生产过程淘汰技术落后生产过程 ✓ 精细化管理替代粗放化管理
直接再利用（砖瓦） 零部件的回收再利用（标准通用） 作为原料再利用（塑料回收） 能源回收再利用（废热余热再利用）
5.3 生态设计案例分析
5.3.1 Ecosystems Brand家具设计 原料生态化，减少材料种类和二次加工 原材料消耗最小化，提高资源效率 可拆卸设计，方便运输和分类回收 提供统一回收途径，提高资源循环利用率，减
每 一 次 的 加 油，每 一次的 努力都 是为了 下一次 更好的 自己。 20.11.1920.11.19Thursday, November 19, 2020
天 生 我 材 必 有用， 千金散 尽还复 来。07:46:1907:46:1907:4611/19/2020 7:46:19 AM
冰箱小型化和节能设计
集中化设计减少资源和能源消耗
笔记本和台式机 智能手机
模块化设计和可拆卸性设计
便于维护和回收
图5.7
环保收音机
机壳用木头制成，待机耗电低， 机身外覆水性涂料，外包装材料70%可回收， 说明书使用再生纸
根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现（1）金属材料 （2）高分子材料，（3）无机非金属材料（选一种）的可
少废弃物
图5.5
5.3.2 家电行业的生态设计
日本的成功经验
提出“电子废物处理厂”视作生产新资源的“再生 原料生产厂”的全新理念
编制《家电产品再生利用性评价手册（导则）》， 积极引导家电生产厂采用生态设计，进行新产品评 价
制定废弃家电产品再生利用指标并适时调整； 废弃家电处理信息反馈 实现“从家电到家电”封闭式再生利用
人 生 不 是 自 发的自 我发展 ，而是 一长串 机缘。 事件和 决定， 这些机 缘、事 件和决 定在它 们实现 的当时 是取决 于我们 的意志 的。2020年 11月 19日 星期四 7时46分 19秒Thursday, November 19, 2020
感 情 上 的 亲 密，发 展友谊 ；钱财 上的亲 密，破 坏友谊 。20.11.192020年 11月 19日 星 期四7时 46分 19秒20.11.19
伴随着环境问题的出现，以及对发展目标的重 新认识，人类开始反思，从而产生了可持续发 展的思想。
1972.6.5 斯德哥尔摩 联合国人类环境研讨会上 首次提出可持续发展的概念。
1987.4.27 世界环境与发展委员会 发表了一份 题为《我们共同的未来》的报告，系统阐述了可
持续发展的思想：“既能满足当代人的需要, 又不对后代人满足其需要的能力构成危害 的发展”。
实现材料可持续发展的关键在于：
在开发新材料，满足其需要的使用性能及 可接受的经济性能的同时，注意材料的环 境性能，包括降低资源和能源的消耗，减 小环境污染，并提高其循环再利用率。
另外，材料科学技术的发展也使人类有能 力考虑材料设计、生产、适用、废弃、回 收等过程的环境问题。
目前重点： ✓加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环 利用的研究和应用，以提高资源效率； ✓在生产过程中采用清洁生产的工艺，向零排放 零污染的方向努力； ✓加强环境管理，特别是ISO14000国际环境管理 标准的推进有助于可持续发战略的事实。
5.2.3 材料生态设计方法
面向产品的整个生命周期，是从摇篮到再生的 系统设计，是在根本上防止环境污染、节约资 源和能源的一种重要系统过程。
主要包括 系统设计：整体性、综合性、最优化 模块化设计（汽车、计算机、复印机等） 长寿命设计 再生设计：回收可能性、回收价值、回收处理
方法等
关于材料再生设计
可持续发展与环境保护既有联系，又不等同。环境 保护是可持续发展的重要方面。可持续发展的核心 是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和 保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会 的发展。
可持续发展的要点
不否定经济增长 强调经济发展以自然资源为基础，同环境承载
能力相协调 生产过程中尽量少投入、多产出 消费过程中尽量多利用、少排放 最终目标：实现经济效益、社会效益、环境效
安 全 象 只 弓 ，不拉 它就松 ，要想 保安全 ，常把 弓弦绷 。20.11.1907:46:1907:46Nov-2019-Nov-20
得 道 多 助 失 道寡助 ，掌控 人心方 位上。 07:46:1907:46:1907:46Thursday, November 19, 2020
安 全 在 于 心 细，事 故出在 麻痹。 20.11.1920.11.1907:46:1907:46:19November 19, 2020
工业文明
18世纪—今 天
依赖自然
改造自然 征服自然
不明显
水土流失 全球公害
听天由命
牧童经济 环境保护
后工业文明 今天—
善待自然 预防
可持续发展
《增长的极限》提出的问题及措施
问题：加速工业化、快速的人口增长、普遍的营养不良、不可再生的资源耗 尽、环境恶化
措施：1975年停止人口增长、1990年停止工业投资增长
1. 材料产业的可持续发展
1.1 可持续发展
文明：人类在认识世界改造世界活动中所创造 的物质成果和精神成果的总和。
各式各样的环境问题是人类文明进程中的伴生 物。
发展形势 时间
态度 环境问题
对策
人类文明发展的阶段特征
狩猎文明
B.C.200万年— B.C.1万年
农业文明
B.C.1万年— 18世纪
生态设计的内容
材料的选择与管理、 产品的可拆卸性设计、 产品的可回收性设计、 产品包装与工艺技术设计
图5.3
生态设计原则
首先考虑所有材料、能量输入和输出，尽可能为无害而努力； 预防废弃物的产生比废弃物的处理和清除更重要； 后处理过程设计为能源、处理消耗最省； 产品、过程和系统的设计必须考虑所有被投入的能量与物质的
环境材料学
第五章 材料的生态设计
前言：生态设计的重要性
设计至关重要，产品设计阶段决定了环境污染 的大小，例如杀虫剂、氟利昂等物质
从材料或产品的生产技术的设计阶段就考虑到 环境影响的因素
适当的工艺设计，可减少或避免90%的环境污 染
目录
1. 材料产业的可持续发展 2. 材料的生态设计 3. 生态设计案例分析
20世纪全球十大环境问题
1
气候变暖
6
土地荒漠化
2
臭氧层破坏
7
大气污染
3
生物多样性减少
8
水体污染
4
酸雨蔓延
9
固体废弃物污染
5
森林锐减
10
海洋污染
上图总结了20世纪全球十大环境问题，可见各种各样 的环境问题几乎都是人类文明进程中的伴生物
传统的发展
传统的发展只重视物质财富增加，只顾谋求自 身的、局部的、暂时的经济性，进而带来全局 性的、影响后代子孙的灾难。
谢谢大家！
时 间 是 人 类 发展的 空间。 2020年 11月19日 星期 四7时46分 19秒 07:46:1919 November 2020
科 学 ， 你 是 国力的 灵魂； 同时又 是社会 发展的 标志。 上午7时 46分19秒 上午 7时46分 天，新 的一天 开启。 20.11.1920.11.1907:4607:46:1907:46:19Nov-20
益的统一。
2. 材料产业的可持续发展
材料工业是典型的资源消耗和环境污染过程。
在材料工业中有效地利用有限的资源，减少材 料对环境的负担性，具有重要意义。
资源和能源效率
原料 材料流
工艺过程环境负担性
工艺 污染治理
资源
F-10
F-4
污染控制 清洁生产 污染修复 再循环 再利用
材料
可持续发展
标准
环境协调材料
生态设计的提出
20世纪70年代 为环境而设计、环保设计 性能设计、成本设计、环境设计（生态设计）
图5.2
生态设计的基本思想
在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳 入产品设计之中，力求使产品对环境的影响降 到最小。对工业设计而言，生态设计的核心是 3R，减少物质和能源的消耗，减少有害物质的 排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类 回收并循环利用。