环境材料学之材料的生态设计教材ppt
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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
位于美国亚利桑那州图森市南部的Oracle地区，是爱德华·P·巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。占地1.3 万平方米，大约有8层楼高，为圆顶形密封钢架结构玻璃建筑物。“生物圈二号”建造于1987年到1989年之间，它被用 于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作，也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用 途。“生物圈二号”使得人们能在不伤害地球的前提下，对生物圈进行研究与控制。
工业生态系统（一级）
无限的资源
一级生态系统
无限的废物
工业生态系统（二级）
有限的资源
二级生态系统
有限的废物
工业生态系统（三级）
能源
三级生态系统ຫໍສະໝຸດ 工业生态系统（理想）能源
材料 废弃
服务
制造 消费
理想生态系统
4.2.2 生态工业园
生态工业园（eco-industry park）是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的 企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效 益、经济效益和社会效益。整个企业社区能获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得 的效益之和更大的效益。
4.2 工业生态学
化学元素的循环
4.2 工业生态学
社会生活中的水循环
4.2 工业生态学
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。
工业生态系统（一级）
无限的资源
一级生态系统
无限的废物
工业生态系统（二级）
有限的资源
二级生态系统
有限的废物
工业生态系统（三级）
能源
三级生态系统ຫໍສະໝຸດ 工业生态系统（理想）能源
材料 废弃
服务
制造 消费
理想生态系统
4.2.2 生态工业园
生态工业园（eco-industry park）是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的 企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效 益、经济效益和社会效益。整个企业社区能获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得 的效益之和更大的效益。
4.2 工业生态学
化学元素的循环
4.2 工业生态学
社会生活中的水循环
4.2 工业生态学
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。
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
1987.4.27世界环境与发展委员会 Gro Harlem Brundtland 发表了一份题为《我们共同的未来》的报告，提出了“可 持续发展”的战略思想，确定了“可持续发展”的概念。
“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
“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
第五章 材料和产品的生态设计PPT课件
源，以石油或单体形式利可编用辑课。件PPT
38
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。
可编辑课件PPT
39
2. 有机复合材料的可再生循环设计
（2）可预见性
（3）易于处理
（4）易于分离
Байду номын сангаас
（5）减少多可编样辑课性件PPT
12
产品设计总的要求是统一化、简化、省能、协 调化，使产品低熵化，缩小不可逆过程，改进无序 状态。具体要求如下：
（1）选择对环境影响小的原材料
（2）部件：产品是由相同或不同材质的部件组成 （3）产品：不同产品的生态设计要求侧重不同
第五章 材料和产品的生态设计
内容
➢ 5.1 生态设计概念 ➢ 5.2 材料的生态设计 ➢ 5.3 生态产品的设计原则与方法 ➢ 5.4 工业生态学
2
可编辑课件PPT
➢人类现已使用了三分之一以上的自然资源或 自然恩惠。
➢引起资源枯竭的原因，除大量开采、无限度 使用外，资源的回收利用率低是另一重要原 因。
7
可编辑课件PPT
生态设计目标主要考虑4个要素，即先进性、 经济性、协调性和舒适性。
★ 先进性：是指要充分发挥材料的优异性能， 满足各行各业对材料产品的要求；
★ 经济性：即考虑材料产品的成本，能够保 证制造商的利润，维持经济活动的运转；
★ 协调性：就是要保证在材料的生产和使用 过程中与环境尽可能协调，维持生物圈循环过 程的平衡；
可编辑课件PPT
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
(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
环境材料学.ppt
陶瓷 纤维
膨胀石墨 它是由天然鳞片石墨经插层、水洗、干
燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质， 它既保留了天然石墨的耐热性、耐腐蚀性 、耐辐
射性、无毒害等性质，又具有天然石墨所没有的吸 附性、环境协调性、生物相容性等特性，不造成二 次污染，在石油化工、原子能、电力、农药、建材、 机械等工业中广泛应用。
2. 替代品的性质要求（以氟利昂替 代品为例）
• 环保要求：替代品分子中不能含 有氯原子，对臭氧分解潜能值(ODP) 和全球变暖潜能值(即温室效应系数) 为零或近似于零。
• 热力学要求：替代品应与原制冷剂、发 泡剂有近似的沸点、热力学特性及传热 特性。
• 理化性质要求：无毒、无味、无可燃 性和爆炸性。
• 二是氢氯氟烃类产品，简称HCFC。主要包 括R22、R123、R141b、R142b等，臭氧层破 坏系数仅仅是R11的百分之几，因此，目前 HCFC类物质被视为CFC类物质的最重要的过
渡性替代物质。在《蒙特利尔议定书》中 R22被限定2020年淘汰，R123被限定2030年。
• 三是氢氟烃类：简称HFC。主要包括R134A、 R125、R32、R407C、R410A、R152等，臭氧 层破坏系数为0，但是气候变暖潜能值很高。 在《蒙特利尔议定书》没有规定其使用期
小及耐机械震动等优点，因而在机械、冶金、化工、 石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应 用．近几年由于全球能源价格的不断上涨、节能已 成为中国国家战略的背景下，比隔热砖与浇筑料等 传统耐材节能达10-30%的陶瓷纤维在中国国内得到 了更多更广的应用，发展前景十分看好。
含磷洗涤剂
• 洗衣粉是现代合成洗涤剂的主要组成部分， 自从现代洗涤剂问世以来 ，由于三聚磷酸 钠(STPP)所具有的化学性质很符合理想助洗 剂的特征 ，STPP就一直在洗涤剂用助洗剂 市场上占据支配地位，其用量约占总助剂 的95%。
2011-7 第七讲 材料的生态设计
生态设计以一切事物为对象，就产品（包括服务）开发而言，它是指在 评价其整个生命周期中给环境造成影响的基础上，提高产品综合价值的全新 的设计思想。它既是一种具体的设计方法，又是一种普遍的设计思想和原则。
生态设计（Eco-design）又叫环境协调性设计，即在产品或材料设计中， 在考虑成本、功能（或性能）、质量、外观等使用性能指标的同时，充分考 虑产品或材料的环境性能，达到经济、环境和社会效益的和谐统一。
2013-8-2
18
§3
依据数据库的柔性材料生产技术
2013-8-2
19
3.1 材料性能预测数据库
计算机可以进行辅助材料预测技术，特别是将一些理论上暂时不能解释的现象 提取模型后，可以方便地数值化，并成功地制造出高性能材料。 当用户在预定某一性能的材料时，生产厂家的材料技术人员能在考虑： ① 再生循环； ② 节约稀有金属的基础上；选择化学组成；设计制备工艺；并组织生产。 关键是材料成分、工艺与性能的数据库的建设。
微合金化钢首先限定在热轧低碳和超低碳范围，公认的基本属性： ① 添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为 影响钢的力学性能。 ② 由于元素加入量少，强化机制主要是细化晶粒和沉淀硬化。 ③ 控轧控冷技术对微合金钢有重要意义。钢的微合金化和控轧控冷技术的结 合是微合金化钢设计和生产的重要前提。
Au-Cu合金的有序排列
2013-8-2 15
2.4
简单合金
简单合金的设计原则——可再生循环设计 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。但在再生循环时，组成复杂，分选与分离就困难。 简单组成有以下含意: 使合金规格简单化，容易分选; 原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。 所有的合金最终都要成为可再生循环设计的对象。这是因为考虑到对环境 影响的大小，及其直接效应的大小，大量消费或大量生产的材料具有组成本来 就不复杂的优点。所以，首先应该将大量消费的材料作为目标（目前虽然有许 多成分复杂的新材料，但因用量少，未成影响环境的祸首）。
生态设计（Eco-design）又叫环境协调性设计，即在产品或材料设计中， 在考虑成本、功能（或性能）、质量、外观等使用性能指标的同时，充分考 虑产品或材料的环境性能，达到经济、环境和社会效益的和谐统一。
2013-8-2
18
§3
依据数据库的柔性材料生产技术
2013-8-2
19
3.1 材料性能预测数据库
计算机可以进行辅助材料预测技术，特别是将一些理论上暂时不能解释的现象 提取模型后，可以方便地数值化，并成功地制造出高性能材料。 当用户在预定某一性能的材料时，生产厂家的材料技术人员能在考虑： ① 再生循环； ② 节约稀有金属的基础上；选择化学组成；设计制备工艺；并组织生产。 关键是材料成分、工艺与性能的数据库的建设。
微合金化钢首先限定在热轧低碳和超低碳范围，公认的基本属性： ① 添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过溶解一析出行为 影响钢的力学性能。 ② 由于元素加入量少，强化机制主要是细化晶粒和沉淀硬化。 ③ 控轧控冷技术对微合金钢有重要意义。钢的微合金化和控轧控冷技术的结 合是微合金化钢设计和生产的重要前提。
Au-Cu合金的有序排列
2013-8-2 15
2.4
简单合金
简单合金的设计原则——可再生循环设计 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。但在再生循环时，组成复杂，分选与分离就困难。 简单组成有以下含意: 使合金规格简单化，容易分选; 原则上不添加现在尚不能精炼脱除的元素。 所有的合金最终都要成为可再生循环设计的对象。这是因为考虑到对环境 影响的大小，及其直接效应的大小，大量消费或大量生产的材料具有组成本来 就不复杂的优点。所以，首先应该将大量消费的材料作为目标（目前虽然有许 多成分复杂的新材料，但因用量少，未成影响环境的祸首）。
材料生态设计PPT课件
生产 1t 纯金属材料所消耗的资源及资源效率
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。
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。
环境材料第四章优秀PPT
3.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/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％。
生态设计方法主要有系统设计、模块化设计、公理化设计、虚拟 拆卸设计、长寿命设计及再生设计等。
(1) 系统设计：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。其设计 思想是整体性、综合性和最优化, 其特点是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。
1) 部件协调化。再利用、再资源化时容易拆卸, 同时减少使 用工具、减少接合处。采用积术式结构设计, 可以通过局部更 换部件，延长产品的使用寿命。
2) 易分离、解体。 3) 易破碎、筛选、焚烧、最终处理等。 4) 易搬运、输送。例如大型产品容易分离拆卸的结构。 5) 材料的标志化。便于分类处理, 便于处理方法选择。 6) 易维修, 延长使用寿命。 7) 情报的公开化。 8) 符合法律法规和有关标准。
日本学者山本良一教授提出的生态设计概念就是 “设计＋LCA” 。
产品的三要素（以产品的生命周期为中心） 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； 环境影响(Impact,简写I):包括地球温室效应、臭氧层破坏、资
源枯竭等给地球造成的影响； 性能(Performance, 简写 P):包括安全性、是否方便实用、是
第4章 环境材料的生态设计[24页]
![第4章 环境材料的生态设计[24页]](https://img.taocdn.com/s3/m/0d5b4659f11dc281e53a580216fc700abb6852db.png)
从根本上来说，系统设计主要是一种观念，一种看问题的立场 和观点，它强调我们应该如何认识和创造事物，而不是着重与说明 事物本身是什么。从这个意义上说，系统设计思想是生态设计的基 础和立足点。
4.3.2 模块化设计
由于在产品设计过程中，可利用的生产设备、方法、技术、材料加工 方法等日渐繁多，工业社会组织与产品形态日趋复杂，而产品的市场需 求趋势也随着人们生活水平的提高在不断变化。因此，生态设计随之变 得不像传统设计那样单纯。 生态设计要求设计人员在产品开发设计的过程中需要具有系统的观点 ，充分掌握设计的全盘性以及其相互联系和制约的细节。其特点是采用 物料和功能循环的思想，扩大了产品的生命周期，有利于维护生态系统 平衡，提高资源效率，减少废物数量及处理成本。其设计思想是整体性 、综合性和最优化，核心是把生态设计对象以及有关的设计问题视为系 统，然后用系统论、系统分析的概念和方法加以处理和解决。所谓系统 的方法，即从系统的观点出发，始终着重于从整体与部分之间、整体对 象与外部环境之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系中综合地、 精确地考察对象，以达到最佳处理问题的一种方法。
4
4.1.1可持续发展观点的提出及其内涵
(2) 可持续别，发展是集社会、科技 、文化、环境等多项因素于一体的完整现象，是人类共同的和普遍的 权利，发达国家和发展中国家都享有平等的不容剥夺的发展权利；
发展的可持续性，人类的经济和社会的发展不能超越资源和环境的承 载能力；
材料产业是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者之一。随 着地球上人类生态环境的恶化，保护地球，提倡绿色技术及绿色产品的 呼声日益高涨。对材料科学工作者来说，有效地利用有限的资源，减少 材料对环境的负担性，在材料的生产、使用和废弃中保持资源平衡、能 量平衡和环境平衡，是一项义不容辞的责任。另一方面，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。
4.3.2 模块化设计
由于在产品设计过程中，可利用的生产设备、方法、技术、材料加工 方法等日渐繁多，工业社会组织与产品形态日趋复杂，而产品的市场需 求趋势也随着人们生活水平的提高在不断变化。因此，生态设计随之变 得不像传统设计那样单纯。 生态设计要求设计人员在产品开发设计的过程中需要具有系统的观点 ，充分掌握设计的全盘性以及其相互联系和制约的细节。其特点是采用 物料和功能循环的思想，扩大了产品的生命周期，有利于维护生态系统 平衡，提高资源效率，减少废物数量及处理成本。其设计思想是整体性 、综合性和最优化，核心是把生态设计对象以及有关的设计问题视为系 统，然后用系统论、系统分析的概念和方法加以处理和解决。所谓系统 的方法，即从系统的观点出发，始终着重于从整体与部分之间、整体对 象与外部环境之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系中综合地、 精确地考察对象，以达到最佳处理问题的一种方法。
4
4.1.1可持续发展观点的提出及其内涵
(2) 可持续别，发展是集社会、科技 、文化、环境等多项因素于一体的完整现象，是人类共同的和普遍的 权利，发达国家和发展中国家都享有平等的不容剥夺的发展权利；
发展的可持续性，人类的经济和社会的发展不能超越资源和环境的承 载能力；
材料产业是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者之一。随 着地球上人类生态环境的恶化，保护地球，提倡绿色技术及绿色产品的 呼声日益高涨。对材料科学工作者来说，有效地利用有限的资源，减少 材料对环境的负担性，在材料的生产、使用和废弃中保持资源平衡、能 量平衡和环境平衡，是一项义不容辞的责任。另一方面，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。
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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。
环境协调材料
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
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。
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 工业文明
B.C.1万年— 18世纪—今
18世纪
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
20世纪全球十大环境问题
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。
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。
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
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”。
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。
综合利用； 产品、过程和系统的设计应该使物质、能量、空间和时间都能
达到最高效率； 在考虑再循环、再利用效果时，所有过程都应该被认为是一种
投资； 产品耐久性是一个设计目标，但不是永久性； 如果技术方案中含有不必要的成本或投资，这个方案需要重新
考虑； 为便于回收，尽量降低产品所含材料成分的多样性； 产品、过程和系统应该考虑服役后的影响； 尽可能使所投入的材料和能源能够再回收利用。
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
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
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
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。
环境协调材料
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
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。
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 工业文明
B.C.1万年— 18世纪—今
18世纪
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
20世纪全球十大环境问题
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。
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。
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
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”。
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。
综合利用； 产品、过程和系统的设计应该使物质、能量、空间和时间都能
达到最高效率； 在考虑再循环、再利用效果时，所有过程都应该被认为是一种
投资； 产品耐久性是一个设计目标，但不是永久性； 如果技术方案中含有不必要的成本或投资，这个方案需要重新
考虑； 为便于回收，尽量降低产品所含材料成分的多样性； 产品、过程和系统应该考虑服役后的影响； 尽可能使所投入的材料和能源能够再回收利用。
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
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
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