環(huán)境材料與物質(zhì)的再生循環(huán).pptVIP

第8章環(huán)境材料與 物質(zhì)的再生循環(huán),北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 張劍波,北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,第8章 環(huán)境材料與物質(zhì)的再生循環(huán),環(huán)境材料的最大目標(biāo)之一就是開發(fā)可以反復(fù)使用的材料，在技術(shù)進(jìn)步的前提下，創(chuàng)造一個(gè)可以順利開展再生循環(huán)利用的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)體系，使人們形成一種自覺(jué)選擇、使用環(huán)境協(xié)調(diào)型產(chǎn)品的意識(shí)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.1 再生循環(huán) 可持續(xù)發(fā)展的途徑 8.1.1 再生循環(huán)的背景,對(duì)于某種生物來(lái)說(shuō)沒(méi)有用途的東西，在某些場(chǎng)合可能是其他生物的資源，自然界中將所有的生物有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，就形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)（生物圈）。 最初，再生循環(huán)只是從單純經(jīng)濟(jì)的價(jià)值觀來(lái)考慮的，最近人們已將廢棄物處理，節(jié)省資源，節(jié)約能源，控制排污等作為環(huán)境保護(hù)的重要措施而備受重視. 如何減少?gòu)U棄物也是迫切需要解決的課題。 除了能源以外，許多礦產(chǎn)資源如鋅、鎘、錫等也面臨枯竭。再考慮到發(fā)展中國(guó)家的現(xiàn)代化過(guò)程和人口急劇增加帶來(lái)的新問(wèn)題，那么要繼續(xù)維持像現(xiàn)在這種大量生產(chǎn)、大量消費(fèi)、大量廢棄的“文明”只不過(guò)是一個(gè)夢(mèng)而已。,北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,再生循環(huán)的背景,建立符合自然規(guī)律的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的戰(zhàn)略方針應(yīng)遵循如下兩條原則： （1）盡可能使用在自然界中可循環(huán)的材料，并將自然的循環(huán)應(yīng)用到其廢棄和生產(chǎn)過(guò)程中。為此，需要熟知自然循環(huán)系統(tǒng)的性質(zhì)，并且根據(jù)具體情況以自然循環(huán)為模型來(lái)設(shè)計(jì)人類圈的物質(zhì)循環(huán)。 （2）盡可能少使用在自然界中不可循環(huán)的材料。對(duì)那些非用不可的材料，應(yīng)事先先設(shè)計(jì)一個(gè)再生循環(huán)系統(tǒng)。在材料的廢棄和再生的過(guò)程中，嚴(yán)格控制數(shù)量，并使其處于不活波狀態(tài)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.1.2 再生循環(huán)的形態(tài),將廢棄物作為資源再生利用，其利用方式隨制造過(guò)程的階段不同而有很大差異，不同階段進(jìn)行再生利用時(shí)，所要解決的問(wèn)題的意義及重點(diǎn)也不相同。 在進(jìn)行再生循環(huán)時(shí)，要根據(jù)解決的問(wèn)題來(lái)選擇具體實(shí)施的階段。例如：對(duì)于資源趨于枯竭的物質(zhì)，可以忽略消耗和所需的費(fèi)用加以回收利用；若以節(jié)能為目的，則應(yīng)通過(guò)比較再生循環(huán)可帶來(lái)的能耗降低與進(jìn)行回收、分選時(shí)所需能耗的相對(duì)大小來(lái)選擇最合適的途徑和比例。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,再生循環(huán)的形態(tài),(1)單純?cè)倮茫╮euse） 將不同的東西可以直接提供給其他消費(fèi)者利用，如家中的已用過(guò)的衣服和舊家電等的利用。 (2)部件的回收再利用 將廢棄物中一部分零部件取出，可將這類部件用在別的系統(tǒng)上繼續(xù)發(fā)揮其結(jié)構(gòu)和功能的作用。 例如：廢棄汽車的保險(xiǎn)桿可以拆下來(lái)裝配在相同型號(hào)的汽車上，收集壞舊自行車的零件可以裝配一輛新自行車等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,再生循環(huán)的形態(tài),(3)作為原材料再利用（recycle） 將一定組成的物質(zhì)直接利用還是通過(guò)“分解、分離”成與原材料更接近的物質(zhì)，這在工藝的概念上是完全不同的。廢棄塑料可以再加工成容器，也可以分解成單體，視具體情況而定。金屬可簡(jiǎn)單的回爐重熔，也可將合金分離成各構(gòu)成元素。 (4)能源回收（reclaim) 有機(jī)物燃燒會(huì)放出能量，金屬則有時(shí)被稱作是通過(guò)還原等過(guò)程而聚集再一起的能量塊。如廢棄舊塑料，可分解成燃油，也可以直接焚燒，作為熱能利用。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.1.3再生循環(huán)的問(wèn)題,(1)消費(fèi)者首先必須參與利用廢棄物資源的行動(dòng)：分類回收；購(gòu)買再生原料制品。 (2通過(guò)再生循環(huán)獲得廉價(jià)的原材料，一方面，再生循環(huán)降低了原材料的成本，另一方面回收、分類和精煉等過(guò)程要花費(fèi)一定的費(fèi)用。在相同的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)前提下，存在著最經(jīng)濟(jì)的再生循環(huán)率。影響再生循環(huán)率的手段：為提高再生循環(huán)率,可降低再生循環(huán)的費(fèi)用,可通過(guò)技術(shù)的開發(fā)，社會(huì)體制的支持和提高原材料的價(jià)格（在金融、稅率上采取措施）予以干預(yù)。 (3)再生循環(huán)面臨的困難。再生材料品質(zhì)和數(shù)量上的不穩(wěn)定，一味提高回收率就不可避免的混進(jìn)一些低劣品，從而降低回收品的質(zhì)量。分選分離都很費(fèi)事，導(dǎo)致處理費(fèi)用的提高，增加能耗及回收過(guò)程使用化學(xué)藥品帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷方面的影響。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,再生循環(huán)的問(wèn)題,(4)再生循環(huán)的發(fā)展方向 A.雜質(zhì)無(wú)害化技術(shù)：以使用再生資源為前提條件來(lái)生產(chǎn)材料，就得除去混進(jìn)來(lái)得雜質(zhì)或使其變得無(wú)害。 B.通用性材料：若以雜質(zhì)的存在為前提條件（允許雜質(zhì)存在），那么材料的制造、使用方法，具有優(yōu)良通用性的標(biāo)準(zhǔn)材料則是研究的課題。 C.長(zhǎng)壽性材料：延長(zhǎng)材料得使用壽命，減少?gòu)U棄。環(huán)境問(wèn)題是社會(huì)文化，社會(huì)體系及技術(shù)之間相互協(xié)調(diào)才能夠解決的大問(wèn)題。作為技術(shù)工作者，不僅要適應(yīng)再生循環(huán)，而且必須以鍥而不舍的精神致力于材料和產(chǎn)品的再生循環(huán)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.2 面對(duì)再生循環(huán)的環(huán)境保護(hù)政策 8.2.1 歐洲的環(huán)保政策,歐洲各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)持積極態(tài)度。德國(guó)的 “廢棄物處理法”是1972年制定的，先后經(jīng)歷四次修改；1986年的修訂將其名稱改為“廢棄物的限制及廢棄物處理法”，這樣將“怎樣處理廢棄物”的觀點(diǎn)，提高到了“怎樣減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生”為重點(diǎn)的方向。根據(jù)這個(gè)法律，1991年公布了禁止使用氟里昂（flon）和哈龍（halon）的條例；同年將“關(guān)于包裝政令”的運(yùn)用范圍階段性地?cái)U(kuò)大到運(yùn)輸包裝物和二次包裝物，并從1993年3月開始對(duì)包括商品包裝在內(nèi)的所有包裝物生效。這個(gè)“包裝政令”將捆包、包裝物的回收規(guī)定為義務(wù)，設(shè)定了再生循環(huán)利用的目標(biāo)。例如：規(guī)定的包裝材料包括玻璃、白鐵皮、鋁、紙、塑料、復(fù)合物等，作為預(yù)期目標(biāo)1995年回收率為80%，再生循環(huán)率為64%72%。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,歐洲的環(huán)保政策,為了與這個(gè)政令配合。成立了DSD（Duel System Deutschlaud）公司。對(duì)每一包裝，如企業(yè)向DSD公司支付約1美分，則可得到一份綠色標(biāo)簽，這樣DSD公司負(fù)責(zé)從各個(gè)家庭的回收箱中回收包裝物并進(jìn)行再生利用，并已經(jīng)形成了一個(gè)完整的體系。像這類的法律?，F(xiàn)在已經(jīng)涉及到了廢舊電池、家用電器及汽車.,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,歐洲的環(huán)保政策,1992年8月提出了“限制廢車條例”的提案。其最重要的議題就是汽車制造商有義務(wù)回收廢舊車。并要求就以下內(nèi)容制定相應(yīng)的措施： (1)追求在設(shè)計(jì)及制造中的可分解性； (2)促進(jìn)貼商標(biāo)及再生循環(huán)的程序； (3)制造過(guò)程中的再利用與再生循環(huán)等。,北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,歐洲的環(huán)保政策,在1993年3月，德國(guó)聯(lián)邦議會(huì)通過(guò)了新的廢棄物處理法。被稱作“循環(huán)型經(jīng)濟(jì)廢棄物法”，主張“生產(chǎn)者和消費(fèi)者共同對(duì)產(chǎn)品的全過(guò)程負(fù)責(zé)”，“用再資源化代替簡(jiǎn)單的廢棄物處理”，使生產(chǎn)過(guò)程開始就明確提倡制訂“循環(huán)型經(jīng)濟(jì)”、“再生義務(wù)”和“回收義務(wù)”，為工業(yè)垃圾的再資源化奠定了基礎(chǔ)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.2.2 美國(guó)再生資源法規(guī)立法的可能性,美國(guó)雖尚無(wú)一部全國(guó)實(shí)行的再生循環(huán)法規(guī)。但從20世紀(jì)80 年代中期開始,先后已有半數(shù)以上的州制訂了不同形式的再生循環(huán)法規(guī)，各地方再生循環(huán)物品的回收活動(dòng)迅猛發(fā)展，半數(shù)以上的人口參與了這一活動(dòng)?；顒?dòng)對(duì)象包括報(bào)紙、鋁易拉罐、玻璃瓶、包裝紙、白鐵罐及一些塑料容器等及電池。 不管美國(guó)在法規(guī)制訂方面如何，但在“產(chǎn)品責(zé)任制”的意識(shí)方面是走在前面的國(guó)家。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.2.3 日本再生循環(huán)法規(guī)的實(shí)施,對(duì)于主要資源依靠進(jìn)口的日本，由于垃圾大量增加，隨之造成環(huán)境的惡化。為處理這些問(wèn)題，地方財(cái)政和國(guó)民負(fù)擔(dān)加重。在這樣的背景下1991年10月開始實(shí)施“關(guān)于促進(jìn)利用再生資源的法律”，目的在于確保資源的有效利用，抑制廢棄物的產(chǎn)生及保護(hù)環(huán)境。從再生循環(huán)的角度規(guī)定了一些重要的行業(yè)、產(chǎn)品和副產(chǎn)品如： (1)指定一些行業(yè) 要求這些行業(yè)促進(jìn)再生資源的利用，做出利用再生資源的計(jì)劃。提高再生資源的利用率，配備必要的設(shè)備，提高技術(shù)。包括造紙業(yè)（利用舊紙張為原料），玻璃容器制造業(yè)（利用碎玻璃為原料）、建筑業(yè)（利用土沙、混凝土、瀝青混凝土塊作為原料）。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,2)指定產(chǎn)品 易再生產(chǎn)品的制造：要求在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行事前論證并作好記錄，要求在材質(zhì)及結(jié)構(gòu)、分類、信息提供、提高技術(shù)等方面下工夫。另外對(duì)修理業(yè)要求在部件交換，使用后部件分類等方面下工夫。被指定產(chǎn)品包括：汽車、大型家電產(chǎn)品（空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）和使用鎘、鎳電池的家用電器等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,3)指定副產(chǎn)品 促進(jìn)副產(chǎn)品的利用。要求廠家做出促進(jìn)利用再生資源的計(jì)劃，務(wù)必按規(guī)格、型號(hào)要求進(jìn)行加工、生產(chǎn)；配備必要的設(shè)備，提高技術(shù)等。還要對(duì)計(jì)劃的實(shí)施狀況進(jìn)行記錄。被指定的物品有：廢鋼鐵、煤渣、土砂、混凝土，瀝青混凝土塊及木材等,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3 材料的再生循環(huán)設(shè)計(jì),材料的可循環(huán)再生設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)階段就充分考慮材料的循環(huán)再生性，不僅比后期處理難度小，而且效益高。 8.3.1 考慮再生循環(huán)的材料設(shè)計(jì) 如何建立和發(fā)展社會(huì)性再生循環(huán)體系；極力減少資源采掘量并持續(xù)不斷地提供高質(zhì)量的材料。 迄今為止，材料研究者一直在致力于研究和開發(fā)更強(qiáng)、更韌，能在更嚴(yán)酷的環(huán)境下使用的具有更高性能的材料。結(jié)果是各種各樣化學(xué)組成的材料被開發(fā)出來(lái)，但在以往的材料開發(fā)過(guò)程中關(guān)于如何節(jié)約能源及如何作到易于循環(huán)的觀念是很淡薄的,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.2 計(jì)算機(jī)輔助材料預(yù)測(cè)技術(shù),將一些理論上不能解釋的現(xiàn)象方便地?cái)?shù)值化了，并成功的制造出高性能的機(jī)械。 然而到目前為止，類似的情況在材料的設(shè)計(jì)中還十分罕見。 一些數(shù)值化后而又含義模糊的部分還期望將來(lái)基礎(chǔ)理論發(fā)展后再給予替換或修正。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,計(jì)算機(jī)輔助材料預(yù)測(cè)技術(shù),當(dāng)用戶預(yù)定具有某一性能的材料時(shí)，如果生產(chǎn)廠家的材料技術(shù)者能在考慮再生循環(huán)和節(jié)約稀有金屬的基礎(chǔ)上選擇化學(xué)組成、設(shè)計(jì)制造工藝并進(jìn)行生產(chǎn)的話，那將是十分了不起的 。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.3 應(yīng)用材料預(yù)測(cè)技術(shù)使材料環(huán)境材料化,再生循環(huán)對(duì)于像鋁、銅、鈦、鎳等合金體系更為緊迫，也期望能發(fā)展類似的材料預(yù)測(cè)技術(shù)。 材料的性能可通過(guò)化學(xué)成分的選擇以及由控制加工、熱處理等制造工藝而確定的微觀組織來(lái)決定。復(fù)合材料的特點(diǎn)之一就是可以根據(jù)使用目的進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造；而金屬材料即使化學(xué)成分相同，也能通過(guò)改變微觀組織使它的性能發(fā)生很大的變化，因而可以說(shuō)金屬材料是可進(jìn)行設(shè)計(jì)的材料。 采用以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)的材料預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)控制生產(chǎn)、使用、廢棄、回收的循環(huán)，這是“金屬材料環(huán)境材料化”的重要課題。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.4 復(fù)合材料與環(huán)境材料,塑料作為有機(jī)材料的代表，以其輕質(zhì)和柔軟性的特長(zhǎng)而被廣泛地使用。但是，大多數(shù)塑料的機(jī)械強(qiáng)度低，作為結(jié)構(gòu)材料尚有一些問(wèn)題。另一方面，玻璃纖維、碳纖維等無(wú)機(jī)材料機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異，具有結(jié)構(gòu)材料的良好基礎(chǔ)性能；但脆性大，粘接性差是其缺點(diǎn)。因此，把這些材料復(fù)合成兼?zhèn)鋬烧唛L(zhǎng)處的復(fù)合材料，作為一種環(huán)境材料而引人注目。 有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料復(fù)合的典型代表是玻璃纖維強(qiáng)化塑料（FRP），它作為輕質(zhì)和強(qiáng)度兼?zhèn)涞牟牧嫌卸喾N用途，而要使這種復(fù)合材料成為有利于地球環(huán)境的環(huán)境材料，就必須作到容易再生循環(huán)才行。然而，當(dāng)考慮這種復(fù)合材料的再生循環(huán)時(shí)，常常會(huì)遇到許多困難。例如，為了再生，首先需粉碎原料，然后再熔融成形，但在這種情況下，材料中所含的使機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)的玻璃纖維也一并被粉碎了，再生循環(huán)作為產(chǎn)品時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度就會(huì)變低，從而失去了復(fù)合材料的特長(zhǎng)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.5 塑料合金的研究,將二種以上的聚合物復(fù)合，作為具有新功能的材料即所謂塑料合金的研究。 例如：將液晶聚合物（LCP）和工程塑料復(fù)合，做成輕質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度兼?zhèn)淝胰菀自偕h(huán)的材料。這種材料作為取代上述有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的新材料而被普遍關(guān)注。尼龍6工程塑料與維克托萊LCP通過(guò)共混使之復(fù)合化，經(jīng)注塑成型可得到與玻璃纖維強(qiáng)化塑料（FRP）強(qiáng)度相當(dāng)，且再生循環(huán)時(shí)機(jī)械強(qiáng)度幾乎不降低的材料。 液晶聚合物經(jīng)加熱后變成兼有固體和液體兩者特征的液晶狀態(tài)，它是一種流動(dòng)性很強(qiáng)的熱塑性材料。而且由于溫度一下降即發(fā)生纖維化，因而是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料。 在高溫下融化形成均勻?qū)?，?dāng)成型后使溫度下降時(shí)，液晶聚合物便分散在聚合物基體當(dāng)中。由于形成原纖維（微小纖維），所以它可以發(fā)揮與玻璃纖維同樣的增強(qiáng)效應(yīng)。在此過(guò)程中，必須調(diào)節(jié)成形溫度和混合狀態(tài)，使原纖維的成長(zhǎng)最優(yōu)化，讓LCP彌散分布在基體當(dāng)中。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,塑料合金的研究,用這個(gè)方法得到的復(fù)合材料必須設(shè)法提高基體和原纖維間的結(jié)合力。這是因?yàn)槌尚螘r(shí)施加的剪切力會(huì)使LCP原纖維斷裂而失去機(jī)械強(qiáng)度的緣故。為了防止這種情況發(fā)生，增強(qiáng)兩者的親和力，添加環(huán)氧樹脂等相溶劑是一個(gè)要點(diǎn)。這樣得到的材料抗拉強(qiáng)度，彎曲彈性模量等會(huì)增加，與非強(qiáng)化的尼龍相比性能可以得到大幅度提高。 這種材料粉碎時(shí)，即使原纖維被破壞了，再成形時(shí)原纖維又能形成，因此再生循環(huán)后性能變化不大，可大體保持原始的機(jī)械強(qiáng)度。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.6熱塑性彈性體,熱塑性彈性體是兼?zhèn)湎鹉z與熱塑性塑料成形性的新材料，在粘接劑、機(jī)電產(chǎn)品、汽車制造等方面已被大量使用。 這種材料具有橡膠的性質(zhì)，同時(shí)還可以熔融成形，與必須加硫的橡膠相比更容易再生循環(huán)。熱塑性彈性體是由軟鏈段和硬鏈段組成，硬鏈段承受強(qiáng)度，軟鏈段產(chǎn)生柔性。由它們組合可制造出多種熱塑性彈性體。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.3.7 金屬合金的設(shè)計(jì)- 超級(jí)通用合金,現(xiàn)在針對(duì)不同的用途開發(fā)了不同的材料，材料的種類一直在增加。這么多不同種類組成的材料混雜在一起，使廢料的再生循環(huán)很困難。從提高金屬材料的再生循環(huán)性這一觀點(diǎn)來(lái)看，金屬制品的全部部件由單一合金體系制造是最理想的，而且所含的合金元素的種類越少越單純，其再生循環(huán)就越容易。 超級(jí)通用合金即是合金種類最少，而且能滿足多種用途要求的標(biāo)準(zhǔn)體系合金。為此，需要能夠滿足通用特性（比如按每類部件對(duì)耐熱性、耐蝕性、高強(qiáng)度等具體性能要求的不同而進(jìn)行分類）的合金系，具體的合金可通過(guò)在同一合金系中僅變化成分配比而制得（通用合金）。 另一方面，在再生循環(huán)時(shí)，難以使廢料的品位一致，也難以避免由于雜質(zhì)的混入而造成的化學(xué)成分變化。所以為了易于再生循環(huán)，希望成分變化對(duì)特性帶來(lái)的影響較小，組成變化兼容性好的合金系。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,(1)通用合金,由有限的元素構(gòu)成，通過(guò)改變其配比可在大范圍內(nèi)改變其性能的合金系。 A. Fe-Ni-Cr系鋼：改變Fe、Ni、Cr的相對(duì)含量，可得到鐵素體鋼到不銹鋼等一系列鋼種，這些鋼的組織及性能有很大的變化。 B. Ti合金：改變Ti、Al、V的相對(duì)含量，可使合金的組織與性能發(fā)生很大的變化。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,通用合金,C. Cr-Mo鋼：高溫蠕變強(qiáng)度主要和鐵基體中的置換元素Cr、Mo的固溶量成正比，與碳的固溶度成反比，即置換元素固溶強(qiáng)化作用是影響Cr-Mo鋼斷裂壽命的主要因素。因此，可以通過(guò)優(yōu)化合金成分，在保證合金元素在基體中必需的固溶量的前提下，應(yīng)盡可能減少合金的總加入量。這種合金成分設(shè)計(jì)方法既保證了耐熱鋼的持久蠕變強(qiáng)度，又節(jié)約了合金元素，減小了合金生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,例：Ti合金的基本組成與組織設(shè)計(jì),Ti在88.2的相變溫度以上是相，以下是相。依合金元素的種類與添加量不同，可分類為、+以及合金。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,型合金耐熱性和焊接性優(yōu)異，型合金強(qiáng)度高、冷加工性能好，而+型居于二者中間，占Ti合金使用量大部分的Ti-6Al-4V合金是這種類型。 此外，在Ti-Al系中近來(lái)年出現(xiàn)的Ti3Al、TiAl、Al3Ti等金屬間化合物，作為比強(qiáng)度高的耐熱構(gòu)件而特別引人注目。 最近，關(guān)于Ti合金也有了基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)的相平衡計(jì)算。根據(jù)正則熔體模型的熱力學(xué)計(jì)算，可以相當(dāng)精確地計(jì)算多元素Ti合金中的相平衡。此外，利用亞晶格模型可以處理Ti3Al等化合物，也可以計(jì)算Ti-Al-Sn-Zr系的/Ti3Al相平衡問(wèn)題。這樣，通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的組織正在成為可能。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,關(guān)于再生循環(huán)時(shí)容易混入并對(duì)性能產(chǎn)生很大的影響的間隙型固溶元素O、N、C、H的計(jì)算，一部分已經(jīng)有了結(jié)果。 從+型固溶時(shí)效Ti合金在3000C時(shí)的拉伸性能得到如下公式： u（MP）=2543.6-3627.6V+1170.4ddDE+1744(1-V) (e/-4)-186V) Tag/100 V：相的體積百分?jǐn)?shù)，d晶粒直徑，dDE：相的固溶強(qiáng)化度，e/：相的電子濃度，Tag為時(shí)效溫度K。 日本的通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院，在預(yù)測(cè)拉伸性能時(shí)，利用了上面的公式，成功地開發(fā)了能大幅度提高現(xiàn)有合金性能的Ti合金。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,(2)組成變化不太敏感的合金,作為合金的強(qiáng)化機(jī)制，歷來(lái)常用的有馬氏體相變及第二相的析出等相變現(xiàn)象，這些相變或析出現(xiàn)象受化學(xué)組成影響的程度比固容強(qiáng)化作用更大，當(dāng)偏離某一合金成分時(shí)，相變或析出現(xiàn)象有可能完全不發(fā)生。 與此相反，固溶強(qiáng)化與合金組成的關(guān)系是比較平緩而連續(xù)的，再生循環(huán)造成的雜質(zhì)及合金元素量的變動(dòng)對(duì)性質(zhì)的影響較小。因此，固溶合金可以作為有前途的再生循環(huán)候選材料。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,固溶體的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則：,以往在處理固溶合金問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為原子排列的完全無(wú)序的，但隨著近年來(lái)合金學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在固溶體中也存在短程有序結(jié)構(gòu)。這種無(wú)序的不完全性有可能對(duì)以往的固溶強(qiáng)化現(xiàn)象產(chǎn)生影響，溶質(zhì)分子分布的起伏未被定量地測(cè)定，也還沒(méi)有找到適當(dāng)?shù)姆椒āＲ虼?，關(guān)于固溶合金結(jié)構(gòu)與特性的關(guān)系，過(guò)去的認(rèn)識(shí)還不夠充分。今后必須進(jìn)行系統(tǒng)的研究，這是一個(gè)有可能發(fā)現(xiàn)材料科學(xué)新現(xiàn)象的領(lǐng)域。 關(guān)于合金元素的種類與含量對(duì)固溶合金無(wú)序性的影響，冷卻速度或熱處理等制造及加工工藝的影響等，如能通過(guò)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論及X射線漫散射等測(cè)試技術(shù)將這些問(wèn)題搞清楚，那么就可能實(shí)現(xiàn)固溶合金的結(jié)構(gòu)挖進(jìn)，進(jìn)而就可以通過(guò)分析這種無(wú)序性與物理、化學(xué)性能以及機(jī)械性能之間的關(guān)系得到開發(fā)合金的指導(dǎo)原則。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,(3)金屬再生循環(huán)的逐次降級(jí)使用情況,在合金學(xué)中，通過(guò)添加合金元素的配比，晶粒度等微觀組織的控制等，以謀求合金的高性能。然而，在再生循環(huán)時(shí)，組成一復(fù)雜，分選與分離就困難了。此外，存在不能分離的合金元素時(shí)，有可能使原來(lái)各合金元素的功能不能充分發(fā)揮出來(lái)。在這種情況下，欲利用合金元素的作用實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的控制，這也是一個(gè)難題，也就是說(shuō)，由于再生過(guò)程中混入的雜質(zhì)使正確的控制難于進(jìn)行了。 因此，以廢金屬作原料的金屬再生循環(huán)，實(shí)際上倒不如說(shuō)仍是以“逐次降級(jí)使用”為主，既一級(jí)一級(jí)地向低級(jí)別產(chǎn)品再生的過(guò)程。反之，要恢復(fù)為原來(lái)的高品位產(chǎn)品，就需要耗費(fèi)更高的能量，使這與“再生必須節(jié)能，減少二氧化碳”的宗旨相違背。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,(4)簡(jiǎn)單合金的可再生循環(huán)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)單合金：就是組元組成簡(jiǎn)單的合金。簡(jiǎn)單合金在成分設(shè)計(jì)上應(yīng)有以下特點(diǎn)：合金組元、規(guī)格簡(jiǎn)單化，再生過(guò)程中容易分選；原則上不添加現(xiàn)在尚不能精練脫除的元素；盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的元素。與超級(jí)通用合金的用途不同，簡(jiǎn)單合金的主要用途是代替消費(fèi)的金屬結(jié)構(gòu)材料。 研制原則：在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數(shù)；獲取合金高性能時(shí)，以控制顯微組織作為加入合金元素的替代方法。這種設(shè)計(jì)合金的思路叫做省合金化設(shè)計(jì)或最小合金化法。 不含對(duì)人體及生態(tài)環(huán)境有害的元素、不含枯竭性元素的低合金鋼就是這樣一種簡(jiǎn)單合金。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和熱加工工藝，低合金鋼可以獲得大范圍變化的顯微組織和力學(xué)性能。而其簡(jiǎn)單的組元和類似的化學(xué)成分又能夠保證在再生循環(huán)過(guò)程中回收的廢鋼具有大致相同的成分，因而易于再生循環(huán)利用。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,但是只賦予材料以再生循環(huán)性不能支撐現(xiàn)代化發(fā)達(dá)技術(shù)的材料，必須充分滿足高強(qiáng)度，高可靠性，舒適性等方面的要求。因此，對(duì)現(xiàn)代材料進(jìn)行環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)項(xiàng)目，需要進(jìn)行多方面的考慮，一般包括： (1)強(qiáng)度（也包括疲勞強(qiáng)度等），韌性，高比強(qiáng)度（先進(jìn)性）； (2)簡(jiǎn)單組成，易解體結(jié)構(gòu)（合金協(xié)調(diào)性）； (3)功能兼容，多功能性（舒適性）。 傳統(tǒng)的復(fù)合材料通過(guò)將不同材料組合起來(lái)，利用組合材料各自的性能，這又違背了簡(jiǎn)單組成和易解體結(jié)構(gòu)的要求。所以，環(huán)境材料學(xué)中提出了“可再生循環(huán)復(fù)合”這一概念，即合金是簡(jiǎn)單組元的情況下也有可能通過(guò)工藝控制來(lái)自由地制造它的組成和結(jié)構(gòu)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.4 金屬材料再生循環(huán)的現(xiàn)狀,金屬材料可循環(huán)再生設(shè)計(jì)是通過(guò)加入最少的元素、循環(huán)容許元素，或通過(guò)固溶強(qiáng)化、微細(xì)化強(qiáng)化、相變組織強(qiáng)化等保障材料性能，使材料可以循環(huán)再生。 在合金學(xué)中，通過(guò)添加合金元素的配比、晶粒度等微觀組織的控制等，以謀求合金的高性能。然而，在再生循環(huán)時(shí)，組成一旦復(fù)雜，則分選與分離就困難了。此外，當(dāng)存在不能分離再生的合金元素時(shí)，就有可能使原來(lái)各合金元素的功能不能充分發(fā)揮出來(lái)。在這種情況下，欲利用合金元素的作用實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的控制，也是一個(gè)難題。這就是說(shuō)，由于再生過(guò)程中混入的雜質(zhì)使正確的控制難于進(jìn)行。 因此，以城鎮(zhèn)廢金屬作原料的金屬再生循環(huán)，實(shí)際上仍是以“逐次降級(jí)使用”為主，即像“瀑布逐漸下降水位”那樣一級(jí)一級(jí)地向低級(jí)別產(chǎn)品再生的過(guò)程。反之，要恢復(fù)為原來(lái)的高品位產(chǎn)品，就需要耗費(fèi)更多的能量，但這與“再生必須節(jié)能、減少二氧化碳”的宗旨相違背。 在金屬材料的再生循環(huán)過(guò)程中，去除合金元素和雜質(zhì)是相當(dāng)困難的，同時(shí)這方面技術(shù)又是非常重要的，應(yīng)大力發(fā)展材料再生循環(huán)過(guò)程中的雜質(zhì)分離技術(shù)和雜質(zhì)無(wú)害化技術(shù)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.4.1 鋼鐵資源的循環(huán),鋼在世界上全部金屬實(shí)際消費(fèi)中起著特殊的作用，在半成品制造中，它約占世界金屬消費(fèi)量的80%。鋼鐵工業(yè)不僅在發(fā)達(dá)國(guó)家扮演著重要角色，而且也是許多發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化進(jìn)展中的重要產(chǎn)業(yè)。問(wèn)題是，由于鋼鐵生產(chǎn)中增加廢鋼鐵的使用，對(duì)鐵礦主要生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)已造成和可能造成多大影響。 在過(guò)去20年的發(fā)展中，煉鋼技術(shù)的革新增加了選擇原料投入包括生鐵，海綿鐵（也稱直接還原鐵）和廢鋼鐵的靈活性，它鼓勵(lì)使用廢鋼鐵作為鋼鐵生產(chǎn)的原料。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,鋼鐵資源的循環(huán),鋼鐵完全可以主要依賴于廢鋼鐵或鐵礦，這取決于給定地區(qū)或國(guó)家的需要。當(dāng)質(zhì)量問(wèn)題不成為首要原因并且價(jià)格很合理時(shí)，產(chǎn)品生產(chǎn)可以全部或大部分依賴于廢鋼鐵。這一市場(chǎng)框架適用于使用電弧爐的所謂小鋼廠，其產(chǎn)品價(jià)格亦具有競(jìng)爭(zhēng)性。與此相反，質(zhì)量要求越重要，越需要使用鐵礦作為鋼鐵生產(chǎn)的主要原料。 從環(huán)境角度看，廢鋼鐵能夠降低煉鋼過(guò)程中廢物排放，節(jié)約原材料和能源消耗，并減少?gòu)U棄物處置，因而其競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)得到很大提高。 就節(jié)能而言，使用電弧爐每熔化100%的廢鋼鐵,與使用純氧頂吹轉(zhuǎn)爐熔化生鐵相比較，可節(jié)約65%的能源。當(dāng)傳統(tǒng)純氧頂吹轉(zhuǎn)爐投入20%的廢鋼鐵時(shí)，與投入100%的生鐵相比，可節(jié)約能源25%。就原材料而言，每再循環(huán)一噸扁鋼產(chǎn)品就意味著節(jié)約1.5噸礦和0.5噸焦碳。就污染排放而言，廢鋼鐵再循環(huán)可使大氣污染排放降低30%，使水污染排放降低大約60%-70%。而以扁鋼產(chǎn)品的再循環(huán)為例，每再循環(huán)1kg鋼，可減少固體廢棄物產(chǎn)生量1.28 kg。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廢鋼鐵處理與雜質(zhì)問(wèn)題：,在廢鐵的回收過(guò)程中分選、分離工程是十分重要的。 其一是化學(xué)成分的多樣化。能按化學(xué)組成分選分離最理想，但實(shí)際上有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｗ鳛楹辖鸪煞痔砑拥慕饘僭赜蠸i，Mn，Cr，Mo，Ni，Cu，V，Ti，Zr等，其組成花樣繁多。此外，還有Zn，Sn等的鍍層。 其二是由鋼鐵精煉工藝本身所具有的性質(zhì)決定的。在鋼鐵精煉過(guò)程中，根據(jù)各種元素形成氧化物條件的不同，以氧化物的形式除去，因此，比鐵易于形成氧化物的元素幾乎都可以從鋼水中除去，而比鐵難于氧化的元素則幾乎全部殘存于鋼水中。因而，鋼水中的元素可以分為以下四種類型： (1)幾乎全部殘存于鋼水中的元素：Cu, Ni, Sn, Mo, Co, W, As, (Sb) (2)不能完全除去的元素：Cr, Mn, P, S (3)與沸點(diǎn)、蒸汽壓等無(wú)關(guān)的元素：Zn, Cd, Pb, (Sb) (4)從鋼水中幾乎可以全部除去的元素：Si, Al, V, Zr, B等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,廢鋼鐵處理與雜質(zhì)問(wèn)題,合金鋼經(jīng)幾次廢鋼鐵再生，并且在分選過(guò)程中未被分離出而發(fā)生廢料混合的情況下，Cu, Ni, Sn, Mo等元素的濃度就會(huì)不斷提高。這些元素本來(lái)是為了提高性能而起合金作用的。但是，它們對(duì)熱加工性能有不良影響，因而必須控制其含量。 為了將廢鋼鐵置于龐大的鋼鐵材料流向中予以妥善處理，必須采取如下綜合性的解決對(duì)策： (1)含有不能除去元素的廢鋼鐵精煉制鋼工藝開發(fā)； (2)雜質(zhì)無(wú)害化技術(shù)的開發(fā)； (3)確立通過(guò)材料設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)的材料體系。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.4.2 鋁的再生循環(huán),鋁通過(guò)電解氧化鋁（原料）和沸石（添加物）的熔融鹽來(lái)制取。因?yàn)殡娊怃X過(guò)程需要消耗大量的電力，故被戲稱為“電灌頭”。雖然鋁在生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的能量，但是，一旦與氧脫離開，則金屬鋁的再生只需要適當(dāng)加熱熔化（只需生產(chǎn)過(guò)程1/20的能量）即可實(shí)現(xiàn)，所以可稱鋁是再生循環(huán)的“優(yōu)等生”。 從產(chǎn)品用途來(lái)看，再生鋁在門窗，飲料罐，印刷版，電線等形變鋁合金中的配比為9%，而在汽車用鑄件，家電產(chǎn)品壓鑄件等鑄造、壓鑄件中的配比平均為85%。作為常識(shí)，形變鋁合金一般不能再還原為形變鋁合金，這就是大致的現(xiàn)狀。 以廢鋁型材為原料這一點(diǎn)來(lái)看，還不如將廢鋁的再生稱為二次合金化更能反映其實(shí)際狀況，這是根據(jù)成分預(yù)測(cè)配比熔煉所需的廢鋁數(shù)量以制造與原料成分不同的合金的工藝過(guò)程。與電解精煉不同，它是使用熔渣或通過(guò)脫氣法將可能除去的合金成分除掉，將異物及熔渣過(guò)濾、排除，而得到高純度的鋁。因此該工藝不能或難以除去殘存的雜質(zhì)元素，其中，特別是鐵的混入是影響鋁材質(zhì)量的一大問(wèn)題。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.4.3 銅再生循環(huán)的現(xiàn)狀,銅產(chǎn)量的40%用于制造電線。電線采用燒線處理法、解體處理法、粉碎處理法對(duì)涂層材料和銅導(dǎo)體進(jìn)行分離分選，銅經(jīng)壓塊或破碎后被再生利用。 用于電線制造的廢銅比率約為10%，這是因?yàn)殡娋€需具備高電導(dǎo)率及熱處理后具有穩(wěn)定的特性，必須使用高純廢銅才行，因此大部分回收電線被用作黃銅合金的原料或冶煉銅錠的原料。正確掌握廢電線的再生率是困難的，電力、通信行業(yè)的廢電線比較集中，再生率比較高，而家電、汽車等使用的銅的回收率則是一個(gè)較難的課題。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.5 塑料的再生技術(shù),如果將分選技術(shù)、清洗方法等處理技術(shù)除外，大致可以分為兩類：一類是回收使用過(guò)的塑料再作為原材料應(yīng)用；另一類是分解成塑料的初始原料即單體，重新合成新的塑料,即材料再生循環(huán)與化學(xué)再生循環(huán)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.5.1 塑料再生循環(huán)的基本思想,基本思想方法是將石油等為原料所合成的塑料在其功能喪失之前，多次進(jìn)行使用。 在實(shí)際的再生循環(huán)過(guò)程中，由于雜質(zhì)的混入，加工過(guò)程的變質(zhì)等原因，不可避免地帶來(lái)某些特性的劣化。因此由石油原料合成的新塑料首先要用于要求特別嚴(yán)格的制品，而將回收原料作為第二次用途的原料時(shí)，一般用于性能要求較不嚴(yán)格的制品，依次類推。 例如，聚乙烯第一次用于電線等電器制品或充氣薄膜，第二次用于保護(hù)管材和型材，第三次用于模板或內(nèi)裝飾材料。而目前實(shí)際使用的都是新塑料，這就造成了不必要的環(huán)境代價(jià)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,塑料再生循環(huán)的基本思想,就熱塑性塑料而言，現(xiàn)狀是在工廠里產(chǎn)生的次品或制造工藝中產(chǎn)生的碎塊，在各企業(yè)內(nèi)部都考慮到加工中的劣化等因素，因而一般都是將材料摻和后再化為原料使用，相當(dāng)于作為其它制品的原料被再利用。 至于進(jìn)入市場(chǎng)后的制品，回收之后作為原料的一部分摻合進(jìn)去，已有被再利用的實(shí)際事例，但為數(shù)尚很少。實(shí)際制品用單一成分比較少，多數(shù)制品為求商品化，外觀表面要求涂層，為了獲得高性能，又要制成迭層材料，又涂層又涂層的組合情況則更為普遍。作為再生材料利用時(shí)，由于涂料和粘合劑起異物（雜質(zhì)）的作用，所以性能比新合成材料的要低，這就是往往限制用于同一用途的原因。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.5.2 材料再生循環(huán)實(shí)例汽車的保險(xiǎn)杠及內(nèi)裝修,材料再生循環(huán)的例子是汽車的保險(xiǎn)杠。同一品種可以大量回收，而且以保險(xiǎn)杠材料再使用為回報(bào)。 涂料膜及底漆的清除、粉碎細(xì)化、分解等各種無(wú)害化技術(shù)，以汽車制造公司為主正在積極地研究與開發(fā)，并期待實(shí)用化。 日本汽車公司采用有機(jī)溶劑分解和剝離漆層的方法；豐田汽車公司采用160的水熱法處理水解涂層膜的無(wú)害化方法；富士重工業(yè)研究將涂層膜的除去和粉碎同時(shí)進(jìn)行的方法，這些技術(shù)都已經(jīng)接近實(shí)用化。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,內(nèi)裝修材料,對(duì)于內(nèi)裝修材料，不同的使用場(chǎng)所要求各種不同的特性，為此要相應(yīng)地使用各種樹脂，這樣，在回收的塑料當(dāng)中便混雜著這樣的樹脂，很多情況下相溶性都不好，從而使再生材料的特性顯著下降。為此，在設(shè)計(jì)階段，預(yù)先就要考慮到再生循環(huán)性，并要限定使用的原料 必須研究開發(fā)能同時(shí)滿足許多特性要求的材料及加工方法，即這種材料應(yīng)盡量以通用樹脂為中心的同一系統(tǒng)（有相容性）的樹脂。如果通過(guò)改變樹脂的混合比，開發(fā)出綜合滿足各種各樣特性的“通用型聚合物合金（塑料合金）”及相容劑，那么在再生循環(huán)時(shí)即使相互混合，再生后材料的性能也變化不大，從而擴(kuò)大再生材料的使用范圍。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.5.3 化學(xué)再生循環(huán),化學(xué)再生循環(huán)，將回收材料作為資源，作為石油及單體的原始材料加以利用。研究的目標(biāo)是將回收材料通過(guò)水解或解聚等化學(xué)反應(yīng)，分解成原始材料的單體及低聚物或者它們的母體，然后回收并重新合成原始的初級(jí)塑料，或者還原為石油狀態(tài)以便再生利用。 例如，在材料再生循環(huán)中，對(duì)于已多次利用了的塑料，因其功能下降而不能再進(jìn)行或者很難進(jìn)行材料再生循環(huán)的產(chǎn)品，則適用于采用化學(xué)再生循環(huán)處理。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,化學(xué)再生循環(huán),在實(shí)際再生循環(huán)過(guò)程中，由于雜質(zhì)混入及加工過(guò)程的影響，塑料的某些性能不可避免地要發(fā)生退化。因此，經(jīng)材料再生循環(huán)法制成的再生塑料，存在一個(gè)降低使用的問(wèn)題。 例如，由石油原料合成的聚乙烯可用來(lái)制造電線絕緣材料。用回收廢聚乙烯作原料時(shí)，可以制造電線保護(hù)套管及型材。再次回收利用時(shí)可用來(lái)制造室內(nèi)裝修材料等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,化學(xué)再生循環(huán),化學(xué)再生循環(huán)由于還原成了原始材料，它不僅是完全的再生循環(huán)系統(tǒng)，而且即使在回收品中混雜了多種類別的其它塑料時(shí)，也是可以進(jìn)行再生循環(huán)的系統(tǒng)，因此人們對(duì)于化學(xué)再生循環(huán)寄予了很大的期望。 在化學(xué)再生循環(huán)中，分餾回收技術(shù)是一個(gè)具體的例子。如日本電線綜合技術(shù)中心在研究將交聯(lián)聚乙烯電線及橡膠絕緣電線的塑料和橡膠成分加熱分解，分餾而回收。另外，德國(guó)塑料包裝材料費(fèi)棄物再生利用協(xié)會(huì)也提出了報(bào)告，據(jù)報(bào)道他們將家庭排出的各種塑料包裝材料的混合物放在煤的分餾裝置中熱分解，最終作為石油回收處置，并得到制造塑料的原料。北京的廢舊餐盒處理方法之一就是從中回收柴油-煤油成分。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.5.4 環(huán)境材料與再生技術(shù),若在塑料的原料當(dāng)中預(yù)先混入特定的催化劑，這種催化劑在產(chǎn)品使用時(shí)并不起什么作用，但在回收后進(jìn)行化學(xué)再生循環(huán)如加熱等處理時(shí)產(chǎn)生作用，能有效地回收有用的物質(zhì)（單體，氣體，油）。這類加入了用于再生循環(huán)的催化劑的材料也屬于環(huán)境材料之列，人們已經(jīng)開始這方面的研究。 與材料再生循環(huán)相比，化學(xué)再生循環(huán)的再生成本相對(duì)之高（相差數(shù)十倍以上）。 另一方面，在“環(huán)境材料”的概念中，不僅再生技術(shù)是重要的，而且開發(fā)對(duì)地區(qū)環(huán)境負(fù)荷小、對(duì)人類有益的新型材料的觀點(diǎn)也是很重要的。以此觀點(diǎn)看，從用化學(xué)再生循環(huán)方法再生的材料，使之轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧显偕h(huán)方法，以獲得可再生材料的技術(shù)開發(fā)也就顯得十分重要。 當(dāng)將塑料進(jìn)行化學(xué)再生循環(huán)和熱再生循環(huán)時(shí)，要防止可能對(duì)生物及地球環(huán)境產(chǎn)生不利影響的副產(chǎn)品（如SO2，NO2等）排入大氣、水等造成環(huán)境污染，或者將其變換為無(wú)害物質(zhì)或有用物質(zhì)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.6 建筑材料的再生循環(huán),建筑材料更著重對(duì)人的生存、生活環(huán)境的影響，因?yàn)槿嗽诿刻?4h最密切接觸的環(huán)境是居住和生活環(huán)境。日本名古屋大學(xué)和靜岡大學(xué)的研究組分別以木材、混凝土、鍍鑄鐵板筑巢，并置入木片、塑料屑，在巢中飼養(yǎng)小鼠，觀察一年三代的仔鼠的妊娠、產(chǎn)仔、哺育和成長(zhǎng)過(guò)程，評(píng)價(jià)各種材料的居住適宜性，認(rèn)為越是接近自然的材料越適宜居住。 建筑材料設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮材料自身的力學(xué)性能、功能和生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)考慮建筑設(shè)計(jì)中材料的選擇和組合要求。生態(tài)建筑設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的區(qū)別之一是對(duì)材料的選擇，即考慮材料的整個(gè)生命周期環(huán)境負(fù)荷最低，而不僅僅是使用階段。實(shí)際設(shè)計(jì)中往往會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能提出較高要求，而功能要求和材料的環(huán)境負(fù)荷之間，耐久性要求和循環(huán)再生要求之間也難協(xié)調(diào)情況。另外，選擇傳統(tǒng)的生態(tài)材料并予以現(xiàn)代化設(shè)計(jì)也是環(huán)境協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)可行的途徑，例如北方的土窯建筑，以石材為主的建筑，南方以竹、木為主的建筑，云南的石片瓦，材料取自自然，最后返回自然。農(nóng)村的土墻體磚和暖炕材料是天然的保健生態(tài)材料，具有紅外輻射效率高、恒溫、保暖效果，這些材料環(huán)境負(fù)荷小，可以取自當(dāng)?shù)?，但需要科學(xué)設(shè)計(jì)以提高生活質(zhì)量。 對(duì)建筑各部位材料可循環(huán)再生性要求如下表所示。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,建筑材料的再生循環(huán),建筑材料可循環(huán)再生設(shè)計(jì)包括如下幾點(diǎn)： (1)減少使用材料，以最少的材料達(dá)到對(duì)性能和功能的要求； (2)材料再使用，要求可拆卸，可修復(fù)使用； (3)循環(huán)使用，可拆卸，可降級(jí)使用。 對(duì)于大宗建筑材料混凝土應(yīng)采取較高強(qiáng)度的長(zhǎng)耐久性設(shè)計(jì)，既可以提高資源效率又可以減少（生產(chǎn)過(guò)程和退役）排放，并且退役后可以作為再生集料循環(huán)利用。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.6.1 建筑材料與環(huán)境的關(guān)系,長(zhǎng)期以來(lái)，建筑材料主要是依據(jù)建筑物及其具體部位對(duì)材料提出的力學(xué)性能與功能方面的要求進(jìn)行開發(fā)的。 結(jié)構(gòu)材料主要追求高強(qiáng)度，高耐腐蝕性等，而外部裝飾材料則追求其高功能性和設(shè)計(jì)圖案的美觀性等。 作為建筑材料不僅要求高強(qiáng)度和高功能性，而且由于如何與地球環(huán)境相協(xié)調(diào)的問(wèn)題已經(jīng)成為人類面臨的最大問(wèn)題，所以還必須考慮基于再生循環(huán)的環(huán)境協(xié)調(diào)性。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,1)建筑材料對(duì)環(huán)境的影響,建筑材料不僅有鋼鐵，混凝土，木材等構(gòu)成的結(jié)構(gòu)框架和主體的結(jié)構(gòu)材料，而且包括具有美觀、防水、主體保護(hù)功能的高分子涂料及瓷磚等裝飾材料，還包括外裝修及隔墻間壁等形成居住空間的金屬板，纖維水泥板等非結(jié)構(gòu)材料，也就是說(shuō)大量使用的建筑材料中有金屬、有機(jī)、無(wú)機(jī)和復(fù)合材料等多種材料。 建筑材料是應(yīng)用最廣、用量最多的材料，因此它的耗能與所造成的環(huán)境污染也是最嚴(yán)重的。概括起來(lái)，在建筑材料生產(chǎn)和使用過(guò)程中，污染一般來(lái)自六個(gè)方面：空氣、水、固體廢棄物、放射性、噪聲和熱等的污染。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,建筑材料對(duì)環(huán)境的影響,（1）廢氣、粉塵對(duì)大氣的污染 建筑材料生產(chǎn)過(guò)程中大多伴有燒制過(guò)程。在燒制過(guò)程中燃料燃燒產(chǎn)生的粉塵、飛灰、煙霧等氣溶膠，直接對(duì)人體呼吸道、眼睛等器官造成損害，以及對(duì)環(huán)境的破壞等。水泥粉塵是建筑業(yè)的又一大污染源，水泥粉塵占水泥產(chǎn)量的30左右，我國(guó)年排放量為15001800t。而發(fā)達(dá)國(guó)家的排放量控制在0.01以下。水泥粉塵回收后可直接作為水泥的原材料或是作為膠凝材料。 （2）廢液造成的水體污染 在建材的選礦、冶煉、軋鋼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多污水，其中含有大量的無(wú)機(jī)懸浮材料，如砂、爐渣、鐵屑等。在冶金、涂料等行業(yè)會(huì)產(chǎn)生有毒污染物汞、鎘、鉛、砷等廢液；在金屬加工、制造業(yè)中可產(chǎn)生酸、堿污染物；在建筑工地上由于攪拌水泥而產(chǎn)生的污水中也都含有偏堿性的溶液。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,建筑材料對(duì)環(huán)境的影響,（3）固體廢棄物 工業(yè)窯爐產(chǎn)生的爐渣、采礦和冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的冶金渣、尾礦與碎石；建筑過(guò)程中產(chǎn)生的砂、碎石；金屬、塑料、木材等行業(yè)加工產(chǎn)生的金屬屑、木屑、碎塑料、碎玻璃等；拆卸老舊建筑物的碎磚、碎瓦等大大增加了固態(tài)廢棄物排放量。據(jù)1997年的統(tǒng)計(jì)資料，由建筑產(chǎn)生的廢棄材料約為10.6t，其中尾礦、煤矸石、粉煤灰、礦渣分別占30、18、18、12。1998年固體廢物利用率僅為45.2，約3直接排放到環(huán)境中，約40被貯存，占地面積近5億m2，其中綠地面積、農(nóng)田高達(dá)4000萬(wàn)m2。 （4）原材料的開采占用大量的土地 建筑材料制品所需的主要原料，無(wú)論是金屬原料或是非金屬礦原料，對(duì)這些原料的開來(lái)及選礦過(guò)程都會(huì)占用大量土地，據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，每生產(chǎn)1億塊磚，就要用1.3104m2土地。另外，在開山取石，或是挖土制磚等過(guò)程中，可能影響到動(dòng)植物的生存，也破壞了自然景觀等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,建筑材料對(duì)環(huán)境的影響,（5）噪聲污染 在建筑施工中，不同的機(jī)械會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲，它是城市噪聲的主要來(lái)源之一。相當(dāng)多的施工現(xiàn)場(chǎng)其噪聲都在90100dB，遠(yuǎn)離于國(guó)家規(guī)定的白天要小于70dB，夜間小于55dB的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)。而噪聲對(duì)人的聽覺(jué)、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管、腸胃功能等都會(huì)造成破壞作用。 （6）其他污染 家庭裝修中所使用的各種裝飾材料會(huì)釋放如甲醛、苯系物、酮等有機(jī)物，可直接剌激人的眼睛、皮膚，或引發(fā)氣管炎等；所使用的尾礦、天然石板材（如花崗巖石、大理巖石）瓷磚及瀝青中，有時(shí)會(huì)含有過(guò)量的放射性元素如氡等，氡是一種氣體元素，如果被人吸收，有可能會(huì)引起肺癌等，這是建材對(duì)人體的直接危害作用。生產(chǎn)各種瓷磚的工業(yè)窯爐排氣過(guò)程中產(chǎn)生熱水、高溫氣；保溫材料中大量使用的石棉，是一種纖維狀的礦物，在開采和使用過(guò)程中被人體吸入后，可導(dǎo)致矽肺??；城市高樓所用的玻璃幕墻也會(huì)產(chǎn)生光污染，高層建筑群不利于汽車尾氣及光化學(xué)煙霧的排放，也不利于由空調(diào)產(chǎn)生的熱量的排放，從而形成的熱島現(xiàn)象等。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,2)地球環(huán)境對(duì)建筑材料的影響,環(huán)境污染通常也會(huì)對(duì)建材及建筑物有所損害。其中，大氣中CO2濃度的增大會(huì)造成氣溫上升，加速混凝土的碳化過(guò)程，從而影響混凝土構(gòu)件的耐久性，縮短建筑物的使用壽命。此外，臭氧層的破壞會(huì)使波長(zhǎng)短的紫外線輻照量增大，從而加速高級(jí)裝飾涂料等有機(jī)建筑材料的老化，降低抗風(fēng)化的能力，而酸雨的增加將加速欄桿、扶手等外露金屬的腐蝕。 環(huán)境變化對(duì)建材及建筑物的主要影響如下： （1）大氣污染與酸雨的影響 大氣中的SO3，S02，N0X，H2S，CO2等溶入雨水中，使雨水pH值小于5.6。我國(guó)西南地區(qū)及長(zhǎng)江下游地區(qū)酸雨的pH值已降到4.0以下，嚴(yán)重影響生物的生存，使土壤嚴(yán)重酸化。同時(shí)，酸雨對(duì)建筑物、材料、雕塑、古文物、金屬等的腐蝕作用明顯。酸雨使材料表面的涂層失去光澤或變質(zhì)而脫落，使光潔的大理石建筑逐漸變成松軟的石膏。大理石主要成分是CaC03，侵蝕反應(yīng)機(jī)理為 CaCO3SO422HH2OCaS042H2OCO2 CaCO32N0312HCa（NO3）2H2OCO2 另外，在建筑物中，酸雨對(duì)金屬腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,（2）建筑物表面析白現(xiàn)象 建筑物表面析白現(xiàn)象，俗稱泛堿或起霜，是建筑物的混凝土、砂漿、磚砌體等表面常發(fā)生的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物析白現(xiàn)象出現(xiàn)的概率可高達(dá)36。形成原因是水泥、砂、石子、磚和化學(xué)外加劑中可溶性成分被水榕析出，隨著水分蒸發(fā)逸出，留下物呈白色固體，或留下物與空氣中CO2作用生成白色固體，其主要成分為Ca(OH)2，CaCO3，Na2SO4，Na2CO3，K2CO3，大都是堿性物質(zhì)。本質(zhì)原因還是與原材料質(zhì)量和施工質(zhì)量有關(guān)，但與外部環(huán)境陰濕、不通風(fēng)、氣溫偏高、水源不潔也有重要關(guān)系 （3）建筑用高分子材料老化 導(dǎo)致高分子材料老化的因素主要是光、熱、機(jī)械力、氧氣、水、霉菌及化學(xué)物質(zhì)。這些因素往往是綜合作用于高聚物，通過(guò)物理化學(xué)過(guò)程使其老化。主要老化反應(yīng)可歸納為鍵的裂解反應(yīng)和鍵的交聯(lián)反應(yīng)。裂解反應(yīng)是大分子鍵斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量降低，使高分子化學(xué)物變軟、發(fā)粘并喪失機(jī)械強(qiáng)度；交聯(lián)反應(yīng)是大分子與大分子相連結(jié)，產(chǎn)生體型結(jié)構(gòu)，使高分子化合物進(jìn)一步變硬、變脆，而喪失彈性。兩種反應(yīng)往往同時(shí)并存。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,（4）金屬材料的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕 許多建筑物的欄桿、扶手、支架，甚至衛(wèi)星天線等，都是金屬構(gòu)筑物由于酸雨的作用，使這些金屬構(gòu)筑物的使用壽命大大縮短，甚至造成嚴(yán)重事故 （5）其他影響 江水、海水、污水對(duì)江河堤壩的沖刷侵蝕，地下水對(duì)地下建筑的滲析破壞，還有自然災(zāi)害的破壞，地震、水澇、龍卷風(fēng)及臺(tái)風(fēng)等的自然力的破壞。 總之，隨著地球環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，使損害建筑材料的“外力”隨時(shí)間推移而漸趨增大，從而加速建筑材料的破壞。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.6.2 關(guān)于建筑材料及其構(gòu)件的長(zhǎng)壽命與再生循環(huán)相互兼容的問(wèn)題,假如希望建筑物的使用期限為30100年，那么，結(jié)構(gòu)材料的要求特別嚴(yán)格，要求在設(shè)計(jì)使用期限之內(nèi)必須具有盡可能長(zhǎng)的壽命。對(duì)建筑材料及其構(gòu)件進(jìn)行不易劣化的耐久性設(shè)計(jì)，則可確保建筑物的長(zhǎng)壽命，并可減少產(chǎn)生廢棄物的批量，其結(jié)果是減輕地球環(huán)境負(fù)荷的效果。 但是，大多數(shù)建筑材料及其構(gòu)件一旦被廢棄時(shí)，幾乎都變成了很難處理的殘留物，拆卸和再生循環(huán)都很困難。因此，在進(jìn)行建筑材料及其構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)時(shí)必須有新的設(shè)計(jì)思想。比如說(shuō)設(shè)想一種像紡織品那樣的，當(dāng)拔出一根線就嘩啦一下子破壞的結(jié)構(gòu)形成，使之在使用期限滿了之后能夠迅速解體，也能進(jìn)行再生循環(huán)。這就是預(yù)先考慮了再生循環(huán)的建筑材料及其構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,關(guān)于建筑材料及其構(gòu)件的長(zhǎng)壽命與再生循環(huán)相互兼容的問(wèn)題,改善混凝土的質(zhì)量，利用表面涂料的鋼筋混凝土構(gòu)件長(zhǎng)壽命化的問(wèn)題，已成為新的耐久性設(shè)計(jì)的方法。與此同時(shí)，以代替易腐蝕的普碳鋼鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋為目的，采用以碳素材料、芳香族聚酰胺、玻璃等連續(xù)纖維強(qiáng)化的新型塑料材料（CFRP,AFRP,GFRP）作為混凝土中輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕的新型增強(qiáng)材料。最近，將這種新型增強(qiáng)材料與高強(qiáng)度混凝土組合，以謀求混凝土構(gòu)件的輕質(zhì)、高強(qiáng)與長(zhǎng)壽命的研究開發(fā)相當(dāng)活躍。 但是這些復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其構(gòu)件在達(dá)到使用年限之后解體廢棄時(shí)，其解體有相當(dāng)?shù)碾y度，成為難以再生循環(huán)的難處理殘留物（廢棄物），從而增加地球的環(huán)境負(fù)荷。因此，必須確立新型增強(qiáng)混凝土構(gòu)件長(zhǎng)壽命與再生循環(huán)相互兼容的總體壽命設(shè)計(jì)及其相關(guān)技術(shù)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,8.6.3 兼顧再生循環(huán)的建筑材料及其構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)方法,(1)混合結(jié)構(gòu)形式 通常鋼筋混凝土建筑物采取柱、梁和墻壁在現(xiàn)場(chǎng)整體混凝土灌注方式。對(duì)于確實(shí)需要耐久性的場(chǎng)合，這種方式具有壽命長(zhǎng)，非常堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，但如解體，特別是在今后高強(qiáng)度混凝土的使用逐漸增加的情況下，就不容易破碎。因此，高強(qiáng)度、高耐久性的現(xiàn)場(chǎng)整體鋼筋混凝土建筑物從解體和再生循環(huán)這一點(diǎn)來(lái)看多少存在一些困難。為此，不完全采用現(xiàn)場(chǎng)整體灌注方式，一半利用工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，只將結(jié)合部在現(xiàn)場(chǎng)施工。如柱體是鋼筋混凝土構(gòu)件，梁體是新型增強(qiáng)混凝土構(gòu)件，結(jié)合部由鋼制接頭做成混合結(jié)構(gòu)形成，這樣解體時(shí)就比較容易。從建筑材料的再生循環(huán)這一觀點(diǎn)來(lái)講，混合結(jié)構(gòu)形式是今后應(yīng)開發(fā)的建筑技術(shù)。,北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,(2)高功能性和再生循環(huán)性結(jié)合的增強(qiáng)材料及其應(yīng)用,與地球環(huán)境相協(xié)調(diào)，并具有良好再生循環(huán)性的混凝土構(gòu)件是既具有長(zhǎng)的使用壽命，又能在解體后容易再生循環(huán)的構(gòu)件。這是個(gè)很重要的開發(fā)思路。 現(xiàn)在開發(fā)的大部分的樹脂固化新增強(qiáng)纖維，是環(huán)氧樹脂或乙烯脂樹脂等熱固性樹脂，這類樹脂一旦固化就很難分解。要求再生循環(huán)性也要兼顧耐火性，因而利用熱塑性樹脂、光降解樹脂或生物降解樹脂以確保再生循環(huán)性是重要的。 另外，既追求混凝土的高強(qiáng)度化，又要求更輕質(zhì)化，即適當(dāng)使用人工輕質(zhì)骨料，并轉(zhuǎn)換成輕質(zhì)、高強(qiáng)度混凝土構(gòu)件，也是很重要的。 為了使混凝土再生循環(huán)，首先必須將混凝土構(gòu)件破碎成小塊。為此，加入適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性物質(zhì)（例如生石灰），或者混入具有物理敏感性的物質(zhì)，以便于外部刺激等形式，促進(jìn)解體混凝土快速膨脹破壞，以備于隨后的再生循環(huán)，這樣的技術(shù)開發(fā)也是必要的。,北