无机非金属类材料生态化解析
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无机非金属类生态环境材料的设计，除了要考虑上述设计思 想以外，还应将环境协调性评价(LCA)和材料、工艺的生态 化设计、优化加入其中，这样就形成一个设计“双环”，见 下图。
无机非金属生态环境材料和产品的设计框图
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无机非金属材料的固有特点，MLCA和PLCA是统一的，并贯 穿于材料(产品)的设计、制造、使用等整个寿命周期中。
因此，对无机非金属材料的生态化改造具有十分重要的意义。
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一、传统无机非金属材料的主要生态环境问题
1.使用性能与环境协调性的矛盾突出
材料使用性能与环境协调性是一对矛盾，使用性能好的材料环境协调性 往往较差，反之亦然。
无机非金属材料的原料广泛、工艺多样，微观结构千变万化，上述矛盾 更加突出。
例如，普通陶瓷以粘土、石英砂等天然矿物为原料，这些原料只需简单 处理即可使用，烧结温度也较低，因此环境协调性较好，但其性能差，
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经过数十年的材料强度研究，特别是根据先进陶瓷材料强 度与材料设计方面的经验，我们提出了集材料设计与产品设 计于一体的新设计思想，并在某些陶瓷材料的设计与应用中 取得了成功。该设计思想可以下述框图表示。
陶瓷材料与产品的设计框图
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这一设计思想的要点在于：首先根据材料的实际服役条件开 展失效分析，找出产品早期失效或损伤的主要因素，即材料 的主要抗力指标(或性能指标)。
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无机非金属材料环境负荷最大的工艺环节是高温 过程和粉碎过程，总体而言，采用以电为热源的 连续式加热工艺和闭路粉碎工艺具有较小的能耗 和污染。
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四、无机非金属类生态环境材料设计思想
与金属或高分子材料相比，除工艺、性能上的差异 外，无机非金属材料设计思想也有很大不同。
研究开发无机非金属生态环境材料，必须充分考虑 到这些差异。
然后针对如何提高该性能指标，进行材料工艺设计与材料制 备，并进行性能评价。
对材料优化并达到性能要求后，再进行产品设计、制造与使 用考核。若达不到理想要求，需重复上述过程，直至成功。
上述设计思想尽管是从陶瓷材料实践中得出的，但由于无机 非金属材料所具有的共性，其基本思路对于大多数无机非金 属材料具有普通意义。
现已探明氧、硅、铝三种元素的总量约占地壳中元素总量的 90%。
传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿物，就原料而 言环境负荷低。
天然原料通常杂质较多，性能波动大。
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由下图可知，地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和 其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要原料。
地壳中主要元素的蕴藏量
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源自文库
2.制备过程中能耗高
无机非金属材料生产中都要经过高温煅烧(烧结)过程，能 耗高。
我国无机非金属材料产业单位能耗一般是发达国家的两倍 左右。
高的单位能耗不仅消耗能源，而且是污染物高排放的最直 接原因。因此，它的生态化改造应该从降低能耗入手。
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3.很难再循环利用
金属材料可以重新回炉熔炼，热塑性树脂可以重塑成型，热 固性树脂也可以回收能源(燃烧、炼油)，但是，无机非金属 材料却很难再循环利用。
由于无机非金属材料的自身特点，其废弃物很难破碎，即使 能够粉碎再利用，其能耗也要比直接使用矿物原料高很多， 带来更大的二次污染。
需要注意的是，图中“产品设计、制造与检验”和“产品 使用、考核与评价” 都应采用包括使用性能评价和LCA的 “双指标”评价检测体系。
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9.2 无机非金属材料的生态化改造
无机非金属材料品种繁多，用量巨大，在国民经济中占有重 要地位。
由于长期以来对环境资源问题重视不够，生产工艺落后，导 致资源、能源和环境污染问题十分严重。
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对于金属材料与高分子材料，一件产品的最终完成可分为材 料制备(以金属材料为例，包括采矿、冶炼、铸造、轧制到 型材出厂等环节)和产品制造两个截然分开的阶段，材料工 作者仅仅面向材料制备阶段，通常不用为最终用户负责。
设计也分为材料设计和产品设计两个独立的阶段，材料工作 者负责设计制造出具有各种性能(牌号)的材料，产品制造者 负责选材和产品设计、生产，相应地环境协调性评价也分为 MLCA和PLCA。
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鉴于较高的性能要求，新型无机非金属材料或者采用严格 精选的天然原料，或者采用人工合成原料，势必会加重环 境负荷。
采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和生物圈、大 气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为主要原料，应是 无机非金属材料原料生态化的首选。
在开发新型无机非金属类生态环境材料时，通过结构设计 和工艺设计，在保证高性能的同时尽量直接采用天然原料。
➢ 水泥(硅酸盐质和铝酸盐质)——一种重要的建筑材料； ➢ 耐火材料(硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质)——与高温
技术，尤其是钢铁工业的发展关系密切；
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二、制备无机非金属材料的原料及其生态化 改造对策
制备无机非金属材料的原料主要有天然矿物原料与人工合成 原料两大类。自然界存在的各种矿物是由构成这些矿物的各 种元素组成的。
第八章 无机非金属类环境材料
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本章内容
概论 无机非金属材料的生态化改造 无机非金属材料零排放与零废弃制备
科学技术
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这一大类材料有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨 损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性以及宽 广的导电性、铁磁性和压电性。
传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需 的基础材料。
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对于无机非金属材料，由于加工的困难性，通常材料和产品 是同时完成的，材料即是产品，产品即是材料，二者不可分 割。
材料设计贯穿于产品的整个生产中，材料工作者直接面向最 终产品，对最终用户负责。
因此，无机非金属材料的设计、生产模式不同于金属材料或 高分子材料，也不能够沿用传统材料与产品相分离的设计思 想。
。 强度一般不高于100MPa，不能够作为结构材料用于机械工程领域
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相反，先进陶瓷采用超细、高纯的人工合成原料，有时还采 用化学合成原料，成型、烧结、加工工艺复杂，排出有害物 多，因此，环境协调性较差，但性能优良，强度能够高于 1000MPa，可广泛用于机械、化工、冶金等领域。
如何兼顾使用性能和环境协调性，是无机非金属材料生态化 改造中应首先考虑的问题。
无机非金属类生态环境材料的设计，除了要考虑上述设计思 想以外，还应将环境协调性评价(LCA)和材料、工艺的生态 化设计、优化加入其中，这样就形成一个设计“双环”，见 下图。
无机非金属生态环境材料和产品的设计框图
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无机非金属材料的固有特点，MLCA和PLCA是统一的，并贯 穿于材料(产品)的设计、制造、使用等整个寿命周期中。
因此，对无机非金属材料的生态化改造具有十分重要的意义。
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一、传统无机非金属材料的主要生态环境问题
1.使用性能与环境协调性的矛盾突出
材料使用性能与环境协调性是一对矛盾，使用性能好的材料环境协调性 往往较差，反之亦然。
无机非金属材料的原料广泛、工艺多样，微观结构千变万化，上述矛盾 更加突出。
例如，普通陶瓷以粘土、石英砂等天然矿物为原料，这些原料只需简单 处理即可使用，烧结温度也较低，因此环境协调性较好，但其性能差，
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经过数十年的材料强度研究，特别是根据先进陶瓷材料强 度与材料设计方面的经验，我们提出了集材料设计与产品设 计于一体的新设计思想，并在某些陶瓷材料的设计与应用中 取得了成功。该设计思想可以下述框图表示。
陶瓷材料与产品的设计框图
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这一设计思想的要点在于：首先根据材料的实际服役条件开 展失效分析，找出产品早期失效或损伤的主要因素，即材料 的主要抗力指标(或性能指标)。
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无机非金属材料环境负荷最大的工艺环节是高温 过程和粉碎过程，总体而言，采用以电为热源的 连续式加热工艺和闭路粉碎工艺具有较小的能耗 和污染。
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四、无机非金属类生态环境材料设计思想
与金属或高分子材料相比，除工艺、性能上的差异 外，无机非金属材料设计思想也有很大不同。
研究开发无机非金属生态环境材料，必须充分考虑 到这些差异。
然后针对如何提高该性能指标，进行材料工艺设计与材料制 备，并进行性能评价。
对材料优化并达到性能要求后，再进行产品设计、制造与使 用考核。若达不到理想要求，需重复上述过程，直至成功。
上述设计思想尽管是从陶瓷材料实践中得出的，但由于无机 非金属材料所具有的共性，其基本思路对于大多数无机非金 属材料具有普通意义。
现已探明氧、硅、铝三种元素的总量约占地壳中元素总量的 90%。
传统无机非金属材料原料大多直接取自天然矿物，就原料而 言环境负荷低。
天然原料通常杂质较多，性能波动大。
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由下图可知，地壳中硅酸盐和铝硅酸盐占明显优势，它们和 其他一些氧化物矿物是制备无机非金属材料的最主要原料。
地壳中主要元素的蕴藏量
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源自文库
2.制备过程中能耗高
无机非金属材料生产中都要经过高温煅烧(烧结)过程，能 耗高。
我国无机非金属材料产业单位能耗一般是发达国家的两倍 左右。
高的单位能耗不仅消耗能源，而且是污染物高排放的最直 接原因。因此，它的生态化改造应该从降低能耗入手。
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3.很难再循环利用
金属材料可以重新回炉熔炼，热塑性树脂可以重塑成型，热 固性树脂也可以回收能源(燃烧、炼油)，但是，无机非金属 材料却很难再循环利用。
由于无机非金属材料的自身特点，其废弃物很难破碎，即使 能够粉碎再利用，其能耗也要比直接使用矿物原料高很多， 带来更大的二次污染。
需要注意的是，图中“产品设计、制造与检验”和“产品 使用、考核与评价” 都应采用包括使用性能评价和LCA的 “双指标”评价检测体系。
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9.2 无机非金属材料的生态化改造
无机非金属材料品种繁多，用量巨大，在国民经济中占有重 要地位。
由于长期以来对环境资源问题重视不够，生产工艺落后，导 致资源、能源和环境污染问题十分严重。
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对于金属材料与高分子材料，一件产品的最终完成可分为材 料制备(以金属材料为例，包括采矿、冶炼、铸造、轧制到 型材出厂等环节)和产品制造两个截然分开的阶段，材料工 作者仅仅面向材料制备阶段，通常不用为最终用户负责。
设计也分为材料设计和产品设计两个独立的阶段，材料工作 者负责设计制造出具有各种性能(牌号)的材料，产品制造者 负责选材和产品设计、生产，相应地环境协调性评价也分为 MLCA和PLCA。
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鉴于较高的性能要求，新型无机非金属材料或者采用严格 精选的天然原料，或者采用人工合成原料，势必会加重环 境负荷。
采用地壳中含量最为丰富的氧化铝、氧化硅和生物圈、大 气圈中含量丰富并能够再循环的碳、氮为主要原料，应是 无机非金属材料原料生态化的首选。
在开发新型无机非金属类生态环境材料时，通过结构设计 和工艺设计，在保证高性能的同时尽量直接采用天然原料。
➢ 水泥(硅酸盐质和铝酸盐质)——一种重要的建筑材料； ➢ 耐火材料(硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质)——与高温
技术，尤其是钢铁工业的发展关系密切；
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二、制备无机非金属材料的原料及其生态化 改造对策
制备无机非金属材料的原料主要有天然矿物原料与人工合成 原料两大类。自然界存在的各种矿物是由构成这些矿物的各 种元素组成的。
第八章 无机非金属类环境材料
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本章内容
概论 无机非金属材料的生态化改造 无机非金属材料零排放与零废弃制备
科学技术
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这一大类材料有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨 损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性以及宽 广的导电性、铁磁性和压电性。
传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需 的基础材料。
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对于无机非金属材料，由于加工的困难性，通常材料和产品 是同时完成的，材料即是产品，产品即是材料，二者不可分 割。
材料设计贯穿于产品的整个生产中，材料工作者直接面向最 终产品，对最终用户负责。
因此，无机非金属材料的设计、生产模式不同于金属材料或 高分子材料，也不能够沿用传统材料与产品相分离的设计思 想。
。 强度一般不高于100MPa，不能够作为结构材料用于机械工程领域
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相反，先进陶瓷采用超细、高纯的人工合成原料，有时还采 用化学合成原料，成型、烧结、加工工艺复杂，排出有害物 多，因此，环境协调性较差，但性能优良，强度能够高于 1000MPa，可广泛用于机械、化工、冶金等领域。
如何兼顾使用性能和环境协调性，是无机非金属材料生态化 改造中应首先考虑的问题。