环境材料学 第2章 材料对环境的影响

推动社会进步 消耗资源能源 破坏生态环境（局部化——全球化）
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人类面临的资源环境问题
全球气温显著变暖 （气温上升3度，海平面上升60cm)
人口爆炸 100亿人 食物短缺 62亿人 石油天然气枯竭 矿物资源枯竭
废弃物问题
全球气温变暖 （气温上升1度，海平面上升20cm) 1990 2000 2050 2100
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2.5 其它环境影响-放射性物质污染

核能使用和核科学试验产生（能源和材料使用加 工过程中产生）
2.5 其它环境影响-光污染 玻璃幕墙 外墙装饰 诱发交通事故
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为什么材料与能源、信息并列为现代高科 技三大支柱，考虑一下它们各自起什么作 用？
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试用物质不灭和能量守恒的理论来说明材 料与资源、环境的关系。
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十大环境公害与材料生产有关的达一半之多
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我国材料工业的情况
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材料生产和消费大国，支撑国民经济发展
能耗大，排放强；资源过度消耗，环境污染严重
趋势：能耗降低；废气排放增加，其它减少
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2.3 材料加工和使用过程中资源和能源消耗
2.3.1全球资源和能源现状

现状：资源危机，能源短缺 原因：人口膨胀，经济总量增加
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中国的立场


2002年9月3日国务院总理朱镕基在约翰内斯堡可 持续发展世界首脑会议上讲话时宣布，中国已核 准《〈联合国气候变化框架公约〉京都议定书》 中国政府认为，《联合国气候变化框架公约》及 其《京都议定书》为国际合作应对气候变化确立 了基本原则，提供了有效框架和规则，应当得到 普遍遵守。欧盟各成员国及日本已批准了议定书。 中国希望其他发达国家尽快批准或核准议定书。

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固态污染物形成和排放
概念：固态、半固态以及高浓度液态废弃 物的总称 后果：侵占土地，污染土壤、水体、大气 ，影响环境卫生 污染物来源：工业、矿业、城市、放射性

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欧洲工业废弃排放小，美国矿业排放大 欧洲工业发达，固废排放小，说明其工业废弃物 和城市生活垃圾处理和再利用水平高
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能源现状 结构和分布不合理 能源效率低下，环境污染严重
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2.3.3 我国材料加工和使用过程中的资源消耗

资源效率低下，浪费严重
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资源消耗

直接消耗：用于材料的生产和使用 间接消耗：材料的运输、储藏、包装、管理、流 通、人工、环境迁移等环节造成的资源消耗
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2.3.4 我国材料加工和使用过程中的能源消耗



(3)全球共享资源管理理论与机制
(4)履行议定书的对策与策略，包括国际环境外交对策和 与国内安全履约机制与措施
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2.5 其它环境影响-电磁污染

电磁辐射影响人体健康 来源：电子设备 对策：设计减量；开发有效屏蔽材料
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2.5 其它环境影响-噪声污染

机械振动产生 工业噪声占有较大份额（材料生产） 对策：工艺革新；生态设计；清洁生产

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温室效应是一个自然过程，如果没有它， 地球表面的平均温度将不是现在的15℃， 而是-18℃。现在的问题是大气中的温室气 体增加了，温室效应加强了，因而导致全 球气候变暖。 二氧化碳的作用占到55％，浓度从100年前 的260～280ppm增加到340ppm

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《京都议定书》


2005年2月16日，《京都议定书》生效。 １９９７年１２月，１４９个国家和地区的代表 在日本东京召开《联合国气候变化框架公约》缔 约方第三次会议，经过紧张而艰难的谈判，会议 通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制 全球变暖的《京都议定书》 《京都议定书》需要在占全球温室气体排放量５ ５％的至少５５个国家批准之后才具有国际法效 力。
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2.1 材料在国民经济中的地位和作用

国民经济和社会发展的基础和先导 现代文明的三大支柱（能源、信息、材料） 社会文明进化的标志（人类社会时代命名与材料密不可分）
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近代两次产业革命离不开新材料的开发（铁基材料与蒸汽 机；能源革命相联系的交通运输工业） 科技发展史来看，重大技术革新起始于材料的革新（Ni基 高温材料与超音速；高温陶瓷与航天飞机；电子材料与信 息革命；生物医学技术与材料） 我们从个人到社会国家的方方面面都离不开材料和材料的 革新
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ODS物质在我国的应用 和涉及的行业
Ozone Depleting Substances 其涉及人类生活的方方面面 化工生产 制冷 泡沫 烟草 医药 农业 清洗 消防
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我国的ODS淘汰


需要解决的科学和技术问题：
(1)臭氧层耗损和保护及其对社会、经济与环境和健康影 响; (2)替代品与替代技术选择和发展战略
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减排目标



《京都议定书》规定，到２０１０年，所有发达国家排放 的二氧化碳等６种温室气体的数量，要比１９９０年减少 ５.２％，发展中国家没有减排义务。 对各发达国家说来，从２００８年到２０１２年必须完成 的削减目标是： 与１９９０年相比，欧盟削减８％、美国削减７％、日本 削减６％、加拿大削减６％、东欧各国削减５％～８％。 新西兰、俄罗斯和乌克兰则不必削减，可将排放量稳定在 １９９０年水平上。 议定书同时允许爱尔兰、澳大利亚和挪威的排放量分别比 １９９０年增加１０％、８％、１％。
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材料的发展趋势

结构材料：轻质、高强高韧、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、 低成本、复合化 功能材料：新型电池材料、稀土永磁材料、生物医学与仿 真材料、超导

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2.2 材料与资源环境的关系

工业品的链式生产流程：原料的投入和产品的产出；能源 的输入与废弃物的排放
资源、能源
原料
材料
零件
产品
使用
废弃
污染物
大气污染物排放——形成和分类
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工业排放废气是大气污染的主要原因 冶金、建材、化工行业是主要排放源
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材料加工过程燃料燃烧的大气污染
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水体污染物形成和排放
概念：污染物进入水体造成的水体变质现 象 后果：影响人类和动物健康；水体植物变 质；渔业枯萎 污染物来源：生活污水；工业废水（重金 属、有机物、酸碱盐、油、放射性）
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环境材料学
第二章 材料对环境影响
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第2章 材料对环境的影响


材料在国民经济中的作用 材料与资源、环境的关系 材料加工和使用过程中的资源和能源消耗 材料加工和使用过程以及废弃回收过程中的污染 物排放（气、水、渣） 材料加工和使用过程及废弃后的其它环境效应 （温室效应、区域毒性水平、臭氧层、电磁波、 噪声、放射性、光污染）
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2.5 其它环境影响-温室效应

温室效应指数GAI：评价某一气体的温室效应影响 依据气体的分子内部振动和转动能级水平，以及在 大气中的寿命等，以上决定了其易于吸收红外长波 辐射的程度
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温室效应与气候变化
有些痕量气体吸收太阳能并将其转变为热 量，最终可能引起具有灾难性后果的气候 变化 全球变暖的结果：两极冰雪融化造成洪水 泛滥，良田伦为沙漠以及最终出现饥荒。 增加慢性病和传染病的发病率。
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发达国家的态度

2002年３月，欧盟环境部长会议批准了 《京都议定书》。６月，日本政府也批准 了《京都议定书》。至此，批准议定书的 国家已超过５５个，但批准国家的温室气 体排放量仅为全球温室气体排放总量的３ ６％，尚不足以使《京都议定书》生效。
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美国的态度

美国人口仅占全球人口的３％至４％，而 所排放的二氧化碳却占全球排放量的２５ ％以上。美国曾于１９９８年１１月签署 了《京都议定书》。但在2001年３月，布 什政府以“减少温室气体排放将会影响美 国经济发展”和“发展中国家也应该承担 减排和限排温室气体的义务”为借口，宣 布拒绝执行《京都议定书》


直接消耗 间接消耗
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黑色金属 有色金属 非金属 木材 纸 纤维 橡胶 塑料
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2.4 材料加工和使用过程中固、液、气污染物排放
现状



化工造纸行业废水排放量居首，钢铁冶金次之 非金属矿物制品业废气排放居首, 建材（水泥)行 业烟尘排放居首 黑色及有色金属采选业固废、重金属排放量居首
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资源危机 非再生资源迅速耗竭（矿产资源） 物种灭绝 淡水资源不足 森林资源持续赤字 水土流失加剧
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能源危机 矿物能源面临枯竭（化石能源、核矿物） 可再生能源开发不足（风、水、日光）
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2.3.2 中国资源和能源现状


资源现状 总量大，种类齐全，数量丰富 人均水平远低于全球平均水平，资源与人口矛盾 突出 地域分布不平衡 质量差别大，低劣资源比重高
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结合实际，举例说明某一材料或产品从生 产到使用直至废弃对环境产生的影响。
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图2-1是一个典型的开环工业生产链，从环 保的角度看，若能实现闭环的工业生产链 ，可明显减少废弃物排放。请选择一个你 感兴趣的产品设计一个闭环生产流程。
Hale Waihona Puke Baidu资源、能源
原料
材料
零件
产品
使用
废弃
污染物
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考虑一下，除本书提出的一些材料对环境 的影响外，在材料的生产和使用过程中， 对环境还有哪些影响应该注意，例如沙漠 化、二噁英、疯牛病等与材料的生产和使 用是否有关系。
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2.5 其它环境影响-区域毒性水平

有毒物质因排放和泄露对该地区的生物产生的毒性 LTL=Wi/Ci
LTL-区域毒性水平 Wi—某污染物的实际排放水平 Ci—该污染物容许排放标准
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2.5 其它环境影响-臭氧层破坏



原理：氯氟烃化合物（CFCs)在平流层紫外照射 下分解产生氯原子，与臭氧发生链式反应，一个 氯原子消耗十万个臭氧分子，形成空洞 紫外线对有机体造成损伤 替代氟利昂等
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我国材料工业产生和排放的固体废弃物是 主体，再利用和再资源化具有重要意义
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钢铁、有色、建材、水泥、化工生产排放大量的 粉尘烟雾（微米级） 尾矿和粉煤灰 煤矸石自燃 30
2.5 其它环境影响-温室效应

全球温室效应原理 温室气体：二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮 氧化物、甲烷、四氟化碳 能源含碳量与消费过程中的气体排放