环境材料学 第四章

生产1t纯金属材料所消耗的资源及资源效率 材料 主料/t 辅料/t 资源效率 Fe 2.0 21.6 4.24 % Mn 4.0 25.7 3.37 % Al 2.5 31.3 2.96 % Cr 2.5 77.3 1.25 % Zn 40 123.6 0.61 % Cu 200 10.7 0.47 % Ti 66.7 Ni 100.0
（3）极值理论 理论指出：对一定的原材料投入，有效产 品的产出效率越高，废弃物产生量就越小。 从环境保护的角度看，就是要求最大的产 出率和最小的废物排放率。 I=(P₁+P₂+…)+(W₁ +W₂ +…)=∑P+ ∑W 式中：I—物质总投入量 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R =(∂P/∂I) ,则可获得 最大资源效率。同时，求∂W/∂I极小值，即 O =(∂W/∂I) ，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。
《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
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。
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。
原料 材料流 资源 F-10
工艺 污染治理 污染控制 污染修复 清洁生产 在循环
F-4
材料 标准 数据库 LCA方法 指标 评价
在利用 可持续发展
环境协调材料
绿色材料 生态设计 产品 影响材料可持续发展的一些因素 环境工程材料 环境讲解材料
实现材料的可持续发展，要从思想观念、政府 作用、法律法规、管理监督、技术开发、国际合 作等方面综合考虑，协调实施。其中关键是提高 现有资源效率及减少甚至避免有害污染物向环境 排放。 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。
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。
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。 I=P*GDP/P*I/GDP 式中：I—环境影响 P—人口 GDP—国内生产总值
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。
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 r 将某一次生产过程中排出的废弃物直接 作为下一生产过程的原料而加以利用称为 一次资源综合利用。从材料与环境的角度 看，我国目前的一次资源综合利用主要集 中在3个方面，即矿业废弃物的综合利用、 冶金废弃物的综合利用和化工废弃物的综 合利用。
总投资6000万 石油 45000t/a 美元/20a 总效益20000 煤炭15000t/a 万美元/20a 水 投资回收期 600000m₃/a <5a
氮1440t/a
磷600t/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。
含钒铁水 钛精矿
选钛
堆存
硫钴精矿
堆存
钢坯
提矾
钛白粉
高速线
Fra Baidu bibliotek
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。 第二类称为可再生资源，如生物体、水、森 林、草地、海洋、土壤等。 第三类称为非再生资源，如矿物、化石燃料 等。 从广义上说，资源具有社会性、自然性、 商品性三个特点。
20世纪全球十大环境问题 1 2 3 4 5 气候变暖 臭氧层破坏 生物多样性减少 酸雨蔓延 森林锐减 6 7 8 9 10 土地荒漠化 大气污染 水体污染 固体废弃物污染 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
人类文明发展偶列文明的阶段特征 发展形势 时间 态度 环境问题 对策 狩猎文明 B.C.200万年— B.C.1万年 依赖自然 不明显 听天由命 农业文明 B.C.1万年— 18世纪 改造自然 水土流失 牧童经济 工业文明 18世纪—今 天 征服自然 全球公害 环境保护 后工业文明 今天— 善待自然 预防 可持续发展
785.7 614.5 0.18 % 0.14 %
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 国际 水平 中国 水平 1 7.0 1 3.6 1 5.0 1 12.0 1 6.0 1 1.5 1 9.0 铜 1 3.7 铝 1 2.4 铅 1 2.7 锌 1 2.2
淡水 蒂斯湖
ASNAES燃煤电厂 1500MW 蒸 汽
GYPROC墙板厂
除尘渣 热废
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

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
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
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。
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。
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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
尾矿
烧结
含钛高炉渣
炼铁
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。
对资源保护通常有广义和狭义两方面的理 解。 广义：人类在维护自然的生态系统及其综 合体过程中，对开采和利用资源采取的平 衡观念和行动。 狭义：对资源进行有效地综合利用，提高 资源效率。
关于资源额有效利用，从技术方面来考虑， 主要包括节约自然资源、发展替代资源、 延长产品的生命周期三方面。从管理上说， 要注意经济、社会和生态效益相结合，不 能只注意环境影响，阻碍经济的发展。
矿产资源的种类 能 源 煤、石油、天然气、油页岩、铀、钍等 金 属 矿 产 黑色金属、有色金属、贵金属等 非 金 属 矿 产 冶金辅料：石灰石、莹石、硅石 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
1991年世界能原利用结构分布 能源 占总能源 的百分数 石油 39.2% 煤炭 29.0% 天然气 22.0% 核电 7.0% 水电 2.4% 地热 0.4%
目前，与自然界生物进化的生态系统相比， 工业生态系统不一定完美无缺，但是，如果工 业过程模仿生物系统的运行规则，人类将受益 无穷。世界上第一个投入运行的工业生态系 统——丹麦凯隆堡生态工业园是生态学概念的 一个成功实践。
硫酸厂
硫
STATOL炼油厂 蒸 汽 冷 却 水 燃 料 气
废热 热废
温室
区域供热站
（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
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。