环境材料学-第四章
环境材料学知到章节答案智慧树2023年衢州学院
环境材料学知到章节测试答案智慧树2023年最新衢州学院第一章测试1.环境材料的出现标志着材料科学发展进入了一个新的历史时期。
（）参考答案:对2.能源材料是指用于产生能源或者改变能源状态的各种材料。
（）参考答案:对3.环境功能材料是包括：环境治理材料、环境修复材料、环境替代材料。
（）参考答案:错4.环境的可持续发展理论包括：清洁生产、再循环利用、降解、废物处理。
（）参考答案:错5.材料的提取、制备、生产、使用和废弃过程是一个资源消耗和环境污染的过程。
（）参考答案:对第二章测试1.生物材料使既是结构材料，又是功能材料。
（）参考答案:对2.生产过程中产生的SO2对环境可能产生水污染。
（）参考答案:错3.可燃冰属于可再生能源。
（）参考答案:错4.氯氟烃化合物是广泛应用于制冷、空调、电子清洗和化妆品等行业中的一类化工材料。
（）参考答案:对5.材料、能源、信息是现代高科技的三大支柱。
（）参考答案:对第三章测试C的局限性包括应用范围的局限性、评价理论的局限性以及评价范围的局限性。
（）参考答案:错2.线性规划法是一种最简单的、也是最常用的LAC系统分析方法。
（）参考答案:错3.层次分析法的机构可分为：目标层、准则层和方案层。
（）参考答案:对4.建立材料环境性能数据库的基本原则不包括服务性。
（）参考答案:错5.能耗这项单一指标在现今可以表示其对环境的影响。
（）参考答案:错第四章测试1.自然资源可分为三大类：恒定性资源、可再生资源、非再生资源。
（）参考答案:对2.广义来说，资源具有社会性、自然性和商品性这三个特点。
（）参考答案:对3.资源评价包括评价、管理、利用和监督几个方面。
（）参考答案:错4.二次利用的方法包括物理法、化学法这两种方法。
（）参考答案:错5.化学法是通过改变废物性质的一种回收利用方法。
（）参考答案:对1.可持续发展是指经济、社会、资源、和环境保护协调发展。
（）参考答案:对2.生态系统指的是生物体与环境相互作用而形成的一种机能系统。
《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。
环境材料学重点
1章绪论1.1环境材料的含义1.2环境材料的研究背景1.3环境材料的研究内容与任务1.4环境材料学的发展概况2章材料科学基本知识3章材料的环境协调性评价4章材料的生态设计与理论8章金属材料概论8.1钢铁铸铁含碳量在2.1%~4.0%之间，多数铸铁中的碳以石墨形式存在，石墨的形状对性能影响较大。
铸铁有很高的耐压强度、耐蚀性和良好的铸造性、耐磨性、消振性和切削性，而且价格低廉，工业应用十分广泛。
加入不同的合金元素可铸成耐热铸铁、耐蚀铸铁和耐磨铸铁等，在可能的条件下“以铁代钢，以铸代锻”可产生巨大的经济效益，一直是工业生产中的趋势之一。
碳钢中的杂质对碳钢性能的影响钢在冶炼的时候，除了必须的合金元素外，不可避免的会从原料中带入一些杂质元素，杂质元素主要有硫、磷、丹、氢、砷、锡、锑等。
这些杂质元素对钢组织和性能产生不利的影响。
硫易在钢种形成FeS共晶体，熔点很低，造成“热脆”。
磷使钢脆化，降低钢的塑形和韧性。
产生“冷脆性”，使钢的冷加工性能和焊接性能变坏。
氧容易在钢中形成氧化物，使性能下降。
氢在钢中形成所谓“氢脆”现象，严重影响钢的塑性，钢的强度越高，脆性越大，造成的危害也越严重。
新钢中的开发1钢中加入地球上含量丰富的Si元素，来代替部分重金属W和Mo。
2Si可提高钢的抗氧化强度，并降低钢的韧-脆转变温度3应用还不广泛9章传统无机非金属类环境材料9.1结构陶瓷陶瓷材料陶瓷的物质结构：陶瓷材料的相组成：晶体相、玻璃相、气相（气孔）晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。
晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。
陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC、Si3N4）等。
玻璃相的作用是将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度：降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑制晶粒长大。
环境材料(第四章再生循环)
议题就是汽车制造商有义务回收废旧车。并要求就以下内 容制定相应的措施：
(1)追求在设计及制造中的可分解性；
(2)促进贴商标及再生循环的程序；
(3)制造过程中的再利用与再生循环等。
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4.2.1 欧洲的环保政策
• 在1993年3月，德国联邦议会通过了新的废弃物处
与此相反，固溶强化与合金组成的关系是比较平
缓而连续的，再生循环造成的杂质及合金元素量 的变动对性质的影响较小。因此，固溶合金可以 作为有前途的再生循环候选材料。
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(3)金属再生循环的逐次降级使用情况
在合金学中，通过添加合金元素的配比，晶粒度
等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。然 而，在再生循环时，组成一复杂，分选与分离就 困难了。此外，存在不能分离的合金元素时，有 可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来。
日本的通产省工业技术院，在预测拉伸性能时， 通过计算成功地开发了能大幅度提高现有合金性能 的Ti合金。
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(2)组成变化不太敏感的合金
作为合金的强化机制，常用的有马氏体相变及第
二相的析出等相变现象，这些相变或析出现象受 化学组成影响的程度比固容强化作用更大，当偏 离某一合金成分时，相变或析出现象有可能完全 不发生。
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4.3.7 金属合金的设计--超级通用合金
现在针对不同的用途开发了不同的材料，材料的
种类一直在增加。这么多不同种类组成的材料混 杂在一起，使废料的再生循环很困难。
超级通用合金即是合金种类最少，而且能满足多
南师《环境材料》复习
材料简介固体材料的分类：4大类第一章1.环境材料: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的材料2.环境协调性：资源和能源消耗少，环境污染小和循环再利用高。
3.环境材料的性能：1，环境性能2，使用性能3，经济性能4.环境材料应具备的特征是：观点一1）先进性：即它可以拓展人类的生活领域，也能为人类开拓更广阔的活动范围；2）环境协调性：即能减少对环境的污染危害，从社会持久发展及进步的观点出发,使人类的活动范畴和外部环境尽可能协调,在制造过程中,材料与能源的消耗、废弃物的产生和回收处理应降低到最小,产生的废弃物也能被处理、回收、再生利用，且这一过程也无污染产生；3）舒适性：即能创造一个与大自然和谐的健康生活环境, 使人类生活观点二功能性、经济性和环境协调性等。
这有利于对环境材料的评判，也符合现实情况。
即在材料的寿命周期中，在其功能性、经济性基本相同的条件下对环境负担影响较小的材料。
环境更加美好、舒适。
观点三1)节约能源2) 节约资源：3)可重复使用4) 可循环再生5)结构可靠性6) 化学稳定性7)生物安全性8) 有毒、有害替代9)舒适性1O) 环境清洁、治理功能5.环境材料的合成与加工工艺特征1) 能源节约工艺：能够通过提高能源效率或降低能量消耗但又不损害生产率来节省能量的加工方法。
也包括热能循环。
2) 资源节约工艺：能够通过提高材料的效率或降低材料的消耗但不损害生产率来节省资源的加工方法。
3) 降低污染的加工技术：能够降低污染物(如废气、废液、有毒副产品和废渣等)排放但又不损害生产率的加工技术。
4) 净化环境的加工技术：能够净化有害物质(如废气、废液和有毒副产品)以及净化已经污染的空气、河流、湖泊和土壤等的加工技术。
6.环境材料与传统材料和新材料的关系利用环境意识，一方面可以改造现有材料，使其与环境有良好的协调性；另一方面在制造、设计新材料时，要注意与其环境相容性。
思考题：1.用自己的理解给出环境材料的定义2.你认为哪些材料可以属于环境材料，试从你身边找出一些环境材料的例子。
环境材料学
• 生命周期解释是生命周期评价中根据规 定的目的和范围的要求对清单分析和 （或）影响评价的结果进行归纳以形成 结论和建议的阶段
5. Life Cycle Interpretation
Environmental management — Life cycle assessment — Life cycle interpretation (ISO 14043) Scope of ISO 14043 This International Standard provides requirements and
d) the role and responsibilities of the different interested parties as found in the goal and scope definition in relation to the application, and also the results from a concurrent critical review process.
evaluation which considers completeness, sensitivity and consistency checks;
conclusions, recommendations and reporting.
Life Cycle Interpretation
生命周期解释的主要步骤
Significant issues can be:
inventory data categories, such as energy , emissions, waste, etc.; impact categories, such as resource use, GWP, etc.; essential contributions from life cycle stages to LCI or LCIA results, such as individual unit processes or groups of processes like transportation and energy production.
南京理工大学环境材料学PPT 环境材料学--第四章 材料的生态设计1
“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展。”
1992.6.3 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》
4.1.1 可持续发展
(sustainable development)
4.1.2 材料产业的可持续发展
影响材料可持续发展的一些因素
可持续发展
评价
产品
LCA、指标、标准、数据库
材
生态设计，绿色材料、环境降料ຫໍສະໝຸດ 解材料、环境协调材料、环境
产
工程材料
原料
业
工艺
资源、材料流、F-4、F-10
污染控制、治理和修复，清洁生产， 再利用，再循环
CO2：175 kt/a SO2：10.2 kt/a
4.2.2 生态工业园区
美国
加拿大
中国
《综合类生态工业园区标准（试行）》（HJ/T 274-2006）
南海国家生态工业建设示范园区
这是中国第一个全新规划、实体与虚拟结合的生态工业示范园区，包括核心区的环保科技产 业园区和虚拟生态工业园区。以环保产业为主导产业，将制造业、加工业等传统产业纳人生态工 业链体系。重点培育设备加工、塑料生产、建筑陶瓷、铝型材和绿色板材等5个主导产业生态群落。 生态工业系统类似于自然生态系统，12个企业将组成一个生产—消费—分解—闭合的循环。
1994，德国Wuppertal Institute的Schmidt-Bleek教授首先提出
环境材料学 第四章
2. 资源效率 广义上说，资源效率指在某一生产过程中 所产出的有用产品占所投入原料总量的百 分比。在材料的生态设计中，资源效率是 必须考虑的一个方面。在工业生态学中， 我们介绍了工业过程生态化，其中很关键 的一条就是减少资源很能源的投入，提高 自愿的利用率。分子材料的资源效率，最 有效的工具就是材料流分析方法。通过跟 踪生产过程中的材料流向，可计算整个系 统以及每个子系统的资源效率。
一级生态系统（系统内物质单向流动）
有限的资源
有限的废物
二级生态系统（系统内有物质的循环流动）
能源
三级生态循环系统（系统内形成物质的闭路循环）
材料 有限的资源和能源 废弃 服务
制造
消费
理想的工业生态系统示意图
可持续发展
工业生态学
文化系统
技术系统
自然系统
工业生态学理论框架示意图
2. 凯隆堡生态工业园
（3）二次资源的综合 所谓的二次资源综合利用是指将某种废物 经过加工处理利用使其重新变为资源的过 程，也称为废弃资源的再生利用。 与一次资源综合利用不同的是，它是将已 排放进入环境成为污染物的物质进行加工 处理，使之再次成为原料。从技术上分， 二次资源综合利用可分为物理法、化学法、 生物法等。
4.5 材料的生态设计
淡水 蒂斯湖
ASNAES燃煤电厂 1500MW 蒸 汽
GYPROC墙板厂
除尘渣 热废
Байду номын сангаас养鱼场
沉渣做肥料
农场 废渣做肥料
NOVO生物制药
飞灰
水泥厂筑路 公司
凯隆堡工业生态系统示意图
经济 效益
环境效益 减少资源消耗 废物重新利用 炉灰 130000t/a 硫4500t/a 石膏9000t/a 减少温室效应 CO₂ 175000t/a SO₂10200t/a
环境材料学-第四章
4.2 工业生态学
1.工业生态学原理 工业生态学是为解决现存的一些工业过程
与可持续发展的目标之间的矛盾而提出的工 业代谢理论。到目前尚未有统一的定义，一 般认为工业生态学是以种提高资源效率和促 进环境保护的系统原理。这种系统原理旨在 通过连续不断的技术、文化和经济的革新和 进化，为人类社会保持一个可持续的生存环 境提供一种优化手段。
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
发展形势 时间
态度 环境问题
对策
人类文明发展偶列文明的阶段特征
狩猎文明
P—有用产品产出量
W—废物产出量
若定义R=P/I与O=W/I
式中：R—资源效率
O—废物产出率
求∂P/∂I极大值，及Rmax=(∂P/∂I)max,则可 获得最大资源效率。同时，求∂W/∂I极小 值，即Omax=(∂W/∂I)max，则可获得最小废 物产出率。显然在追求资源效率的过程中， 材料流理论提供了定量分析工具。
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。
在二级生态系统中，其代谢特征就变成 有限资源投入和有限废物排放，系统内 有物质的循环流动。
无限的资源
无限的废物
《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。
环境材料第四章
如：碳纤维属于高耗能材料，但是其后续的使用过程中 碳纤维属于高耗能材料， 因为其具有良好的强度、硬度、 因为其具有良好的强度、硬度、抗老化等优良特性而节省能 源。 铝属于高能耗物质。但由于铝较轻， 铝属于高能耗物质。但由于铝较轻，同时又易于回 使用阶段用的能量较少。 收，使用阶段用的能量较少。
部件：产品是由相同或不同材质的部件组成。 (2) 部件：产品是由相同或不同材质的部件组成。部件的生 态性能和部件的设计及选择是产品设计的重要部分。 态性能和部件的设计及选择是产品设计的重要部分。设计及选择 具体原则 原则： 的具体原则： 少量化(积木化) 使再利用或循环处理容易。 1) 少量化(积木化)。使再利用或循环处理容易。 标准化、规格化。有利于维修、更换、回收再利用。 2) 标准化、规格化。有利于维修、更换、回收再利用。 长寿命化。尤其是易损部件的长寿命化, 3) 长寿命化。尤其是易损部件的长寿命化, 可提高产品的整 体寿命。 体寿命。 连接简化。采用容易拆卸的连接方法。 4) 连接简化。采用容易拆卸的连接方法。 重复利用化。经过翻修可达到原设计要求而再次使用。 5) 重复利用化。经过翻修可达到原设计要求而再次使用。
二、生态设计的基本原则 日本学者山本良一教授提出的生态设计概念就是 设计＋LCA” “设计＋LCA 。
产品的三要素（以产品的生命周期为中心） 产品的三要素（以产品的生命周期为中心） 成本(Cost, C):包括原料成本、制造成本、运输成本、 成本(Cost, 简写 C):包括原料成本、制造成本、运输成本、 循环再生成本、处理成本等生命周期全程的费用； 循环再生成本、处理成本等生命周期全程的费用； 环境影响(Impact,简写I):包括地球温室效应、臭氧层破坏、 环境影响(Impact,简写I):包括地球温室效应、臭氧层破坏、 (Impact,简写I) 资源枯竭等给地球造成的影响； 资源枯竭等给地球造成的影响； 性能(Performance, P): 包括安全性、 是否方便实用、 性能 (Performance, 简写 P): 包括安全性 、 是否方便实用 、 是否符合审美观、施工难易程度等产品性能。 是否符合审Байду номын сангаас观、施工难易程度等产品性能。 经济价值、 经济价值 、 环境价值和产品价值的总和即为生态设计产品的 综合价值指标。 综合价值指标。 P/IC表示 表示。 生态设计产品的综合价值指标可用 P/IC 表示 。 设法使 P 趋 于最大、I与 C 趋于最小, 生态设计的基本原则 于最大、 趋于最小, 生态设计的
环境材料学
第一章环境材料的主要特征：无毒无害，减少污染；全生命过程对资源和能源消耗小；可再生循环，易于回收；具有高度的使用效率环境材料定义具有先进的使用性能、其材料和技术本身要有较好的环境协调性，还要具备为人们乐于接受的舒适性的一类具有系统功能的材料。
三要素：先进性，环境协调性，舒适性核心要素：环境协调性在材料的生命周期过程中(包括开采、制造、使用、废弃和回收)具有资源和能源消耗少、对生态环境影响小、再生循环利用率高，或者废弃后可降解的新材料实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，或指那些直接具有净化和修复环境等功能的材料（经济成本可接受性）环境材料学研究材料的开发、生产与使用过程和环境之间相互适应和相互协调的科学目的：寻找在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负担的人类所需材料，以及满足人类生存和发展的需要。
研发环境治理材料特征：从环境的角度重新考虑和评价过去的材料科学与工程，指导未来的材料科学及其工程学的发展。
在材料科学传统四要素基础上（结构、性能、加工和使用状况）加上环境性能环境材料学研究的内容：第二章材料对环境的影响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；现代高科技的三大支柱（生物、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）；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、环境友好、复合化、多功能化功能材料：新型电池材料、稀土永磁材料、生态环境材料、生物医学与仿真材料、超导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推动社会进步消耗资源能源破坏生态环境（局部化——全球化）人类面临的资源环境问题：废弃物问题、全球气温变暖、食物短缺、矿物资源枯竭、石油天然气枯竭、人口爆炸、全球气温显著变暖我国的情况：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）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，低劣资源比重高能源现状：结构和分布不合理；能源效率环境污染严重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；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黑色及有色金属采选业固废、重金属排放量居首建材（水泥)行业烟尘排放居首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。
环境材料导论chp04 材料的环境负荷
北京大学环境学院
D.碳氢化合物
大气中的碳氢化合物泛指各种烃类及其衍生物， 品种极多，一般以HC为代表符号。 焦化厂、煤气厂、炼油厂等工厂以及交通运输工 具是HC的主要来源。这些化合物多为石油的副产 物。 HC的重要性在于它和NOx在阳光作用下发生光化 学反应，衍生出种种污染物，由这些物质所造成 的烟雾污染现象，称之为光化学烟雾。
北京大学环境学院
洁净空气
北京大学环境学院
大气污染物的形成
可以分为自然源和人工源两类。 自然源主要有火山爆发、森林火灾、土壤风化等， 一般造成二氧化硫、一氧化碳及沙尘等污染。 人工污染源主要是由工业、交通运输以及居民生 活等几方面的活动造成的。其中，飞机排放的大 气污染物约占大气污染总量的1％～2％，而船舶 仅占0.05％左右。居民生活主要由炊饮、取暖、 垃圾等活动过程造成大气污染，形成的污染物有 CO、SO2、N0X、碳氢化合物、烟尘等。
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4.2.3固体污染物
在生产活动及其他活动过程中产生的各种 固态半固态和高浓度液态废弃物统称为固 体废弃物，因这些固体废弃物对环境造成 的变质现象称为固体废弃物污染，相应地， 这些可污染环境的固体废弃物称为固体污 染物。
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固体污染物的环境影响
固体污染物的主要危害形式有侵占土地、污染土 壤、污染水体、污染大气、影响环境卫生等。我 国固体废弃物的排放量已超过6亿t／a。固态废弃 物的堆存占地面积已超过100万亩（1亩＝ 666.6m2），其中农田25万亩。这些固体废弃物 被雨雪淋湿，浸出大量毒物和有害物，使土地毒 化、酸化、碱化，污染面积往往超过所占土地数 倍；进入土壤中的各种有害成分还会导致水体污 染。
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生态平衡不仅要求在材料生产和使用中尽 量减少有害气体、液体、固体的产生和排 放，而且尽量提高材料的再循环利用率， 将有害物质转化为有用的材料。据统计， 无论是保护环境还是污染环境，设计对环 境的贡献可达90%。
P—有用产品产出量
W—废物产出量
若定义R=P/I与O=W/I
式中：R—资源效率
O—废物产出率
求∂P/∂I极大值，及Rmax=(∂P/∂I)max,则可 获得最大资源效率。同时，求∂W/∂I极小 值，即Omax=(∂W/∂I)max，则可获得最小废 物产出率。显然在追求资源效率的过程中， 材料流理论提供了定量分析工具。
材料流理论的产生、应用及发展趋势
（1）4倍因子理论 含义：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。 R=P/I
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：我们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生存。
资源保护措施
评价：对资源价值、开采价值、开采目的等 方面进行综合评价。
管理：对资源回踩率、贫化率、加工回收率 等方面进行综合管理。
利用：资源的开发技术、分选水平和资源的 综合利用水平等方面。
监督：保证资源利用过程中的经济效益、社 会效益和环境效益要统一，而不是矛盾和 对立的。
（2）一次资源的综合利用
2. 材料产业的可持续发展
21世纪是可持续发展的世纪。社会、经济 的可持续发展要求以自然资源为基础，与环境 承载能力相协调。研究环境与材料的关系，实 现材料的可持续发展，是历史发展的必然，也 是材料科学的一种进步。
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 科学技术的发展也是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。
化工辅料：硫铁矿、磷矿、硼矿、盐、天然碱等
其 他：石棉、刚玉、水晶、玛瑙等
能源
占总能源 的百分数
石油 39.2%
1991年世界能原利用结构分布
煤炭
天然气
核电
29.0% 22.0%
7.0%
水电 2.4%
地热 0.4%
2. 资源效率
广义上说，资源效率指在某一生产过程中 所产出的有用产品占所投入原料总量的百 分比。在材料的生态设计中，资源效率是 必须考虑的一个方面。在工业生态学中， 我们介绍了工业过程生态化，其中很关键 的一条就是减少资源很能源的投入，提高 自愿的利用率。分子材料的资源效率，最 有效的工具就是材料流分析方法。通过跟 踪生产过程中的材料流向，可计算整个系 统以及每个子系统的资源效率。
措施：1975年停止人口增长、1990年停止工业投资增长
政治学认为，既满足当代人的需求又不危 及后代人满足其需求的发展称为可持续发 展。
环境学认为，在生存不超过生态系统容纳 能力的条件下改善人类生活品质的过程称 为可持续发展。
经济学认为，建立极少产生废料和污染物 的工艺或技术系统的过程称为可持续发展。
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我国材料生产的资源消耗与国际平均水平比较
材料 能源 钢铁 木材 水泥 橡胶 塑料 化纤 铜 铝 铅 锌
国际 水平
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
中国 水平
7.0
3.6
5.0 12.0 6.0
1.5
9.0
3.7
2.4
2.7
2.2
我国的经济规模已居世界前列，发展的速 度令人瞩目，对资源的需求已达到前所未 有的程度。一方面某些资源短缺已对经济 发展造成了一定的约束；另一反面，现有 资源的利用率不高，资源浪费严重。“投 入高、效率低、高污染”的问题，在我国 资源开发和利用过程中仍然存在。
钛精矿 钛白粉
硫钴精矿
高速线 冷轧板 热轧板 轨梁 高钒铁 矾渣
我国某钢铁企业材料流分析示意图
4.4 材料生产的资源效率
1.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。
资源通常可分为三大类
第一类称为取之不尽资源，如空气、风、 太阳能等。
淡水
ASNAES燃煤电厂
1500MW
除尘渣
蒸 沉渣做肥料 汽
热废
GYPROC墙板 厂
养鱼场
农场
NOVO生物制药 废渣做肥料
飞灰
凯隆堡工业生态系统示意图
水泥厂筑路 公司
经济 效益
减少资源消耗
总投资6000万 美元/20a
总效益20000 万美元/20a 投资回收期
<5a
石油 45000t/a
煤炭15000t/a
材料 主料/t 辅料/t
资源效率
生产1t纯金属材料所消耗的资源及资源效率
Fe Mn Al Cr Zn Cu Ti Ni
2.0 4.0 2.5 2.5 40 200 66.7 100.0
21.6 25.7 31.3 77.3 123.6 10.7 785.7 614.5
4.24 3.37 2.96 1.25 0.61 0.47 0.18 0.14
3. 资源保护和综合利用
（1）资源保护
通过上面对资源的分析可知，要提高资源 效率，减少环境污染，一方面通过技术革 新，改造就得生产工艺，提高生产效率， 减少废物排放；另一方面可以通过保护有 限资源，加强资源综合利用，特别是废物 得回收利用，变废物为资源，是有限的资 源得到充分利用，同时也可减轻材料生产 过程中的环境负担。
水 600000m₃/a
环境效益 废物重新利用
炉灰 130000t/a 硫4500t/a 石膏9000t/a
氮1440t/a 磷600t/a
减少温室效应
CO₂ 175000t/a SO₂10200t/a
凯隆堡生态工业园的经济效益和环境效益举例
4.3 材料流分析
材料流又称物质流，也称材料链。材料流理 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。因此，材料流理论是研究资 源效率的一种有效工具。
实现材料可持续发展的措施既有技术方面的内 容，也有管理方面的内容，目前主要有: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；再生产过程中采用清 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。
第四章 材料的生态设计
4.1 材料产业的可持续发展
1.可持续发展的概述 人类要发展，发展是有限度的。解决经济发
展和环境保护之间的矛盾，唯一可供选择的是 走可持续发展之路。过去我们担心的是发展给 环境带来的影响，现在是是如何把生态和经济 紧密联系起来，以较低的资源消耗和环境代价 获取较高的经济发展水平。
一级生态系统（系统内物质单向流动）
有限的资源
有限的废物
二级生态系统（系统内有物质的循环流动）
能源
三级生态循环系统（系统内形成物质的闭路循环）
有限的资源和能源
材料 废弃
服务
制造 消费
理想的工业生态系统示意图
可持续发展 工业生态学
文化系统
技术系统
自然系统
工业生态学理论框架示意图
2. 凯隆堡生态工业园
与一次资源综合利用不同的是，它是将已 排放进入环境成为污染物的物质进行加工 处理，使之再次成为原料。从技术上分， 二次资源综合利用可分为物理法、化学法、 生物法等。
4.5 材料的生态设计
1.生态平衡 在生态系统中，保持物质和能量输入和输出
平衡的过程称为生他平衡。在材料生产和使用 过程中保持生态平衡，其实质就是保持资源平 衡、能源平衡、和环境平衡。保护生态系统、 保持生态平衡是人类应遵循的最高原则。
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
发展形势 时间
态度 环境问题
对策
人类文明发展偶列文明的阶段特征
狩猎文明
4.2 工业生态学
1.工业生态学原理 工业生态学是为解决现存的一些工业过程
与可持续发展的目标之间的矛盾而提出的工 业代谢理论。到目前尚未有统一的定义，一 般认为工业生态学是以种提高资源效率和促 进环境保护的系统原理。这种系统原理旨在 通过连续不断的技术、文化和经济的革新和 进化，为人类社会保持一个可持续的生存环 境提供一种优化手段。
2. 材料流理论的应用实践
全球环境的恶化主要是经济活动引起的，而 资源效率是经济活动能否实现可持续发展的关 键。针对如何提高资源的利用效率、节约能源、 减少环境污染，许多国家组织和企业都借助于 材料流分析进行了改善资源效率的实践。
原矿
选矿
铁精矿 烧结
炼铁
含钛高炉渣 堆存