环境材料学 第5章 材料的生态设计

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
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
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
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
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。
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
农业文明 工业文明
B.C.200万年— B.C.1万年— 18世纪—今
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
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
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
B.C.1万年
18世纪
天
后工业文明 今天—
依赖自然
改造自然 征服自然
善待自然
不明显
水土流失 全球公害
预防
听天由命
牧童经济 环境保护 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
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。
持续发展，并提出几项可具体实施的技术措施。
金属材料：1.利用微生物冶金；2.代替含稀缺合金元 素的新型合金材料和不含毒害元素的材料，3.金属废 弃物无害资源化转化技术；4.开发通用合金，形成绿 色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。
高分子材料：1）建立必要的法规，加强全民的环保 意识；2）回收塑料，变废为宝，燃烧废旧塑料利用 热能，热分解提取化工原料和改进操作技术、设备； 3）发展环境友好高分子：可降解塑料的开发和合成， 采用生物发酵的方法合成的生物高分子。
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。
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。
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”。
冰箱小型化和节能设计
百度文库
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
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。
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。