環(huán)境材料學材料的環(huán)境影響評價.ppt

環(huán)境材料學 材料的環(huán)境影響評價,主要內容：,材料的環(huán)境協(xié)調性評價 常見的環(huán)境指標及其表達方法 材料的環(huán)境影響評價方法與標準 LCA的技術框架及評價過程,如何判斷是否是環(huán)境材料,I、材料的環(huán)境協(xié)調性評價,環(huán)境材料主要的問題就是：強調人類與環(huán)境的關系必須發(fā)生變化（消耗型轉變?yōu)橘Y源再生型，從損壞環(huán)境轉變?yōu)榕c環(huán)境協(xié)調的生產、生活方式）。 在可持續(xù)發(fā)展思想的指導下，評價系統(tǒng)包括：材料的環(huán)境負荷評價系統(tǒng)、材料對自然環(huán)境的作用程度評價、現(xiàn)用材料的合理性評價、環(huán)境材料的論證體系及其標準、材料再生的合理性評價等。,能耗 環(huán)境影響因子 環(huán)境負荷單位 單位服務的材料消耗 生態(tài)指數 生態(tài)因子,II、常見的環(huán)境指標及其表達方法,能耗一項指標難以綜合表達對環(huán)境的復雜影響，故在全面的環(huán)境影響評價中，已基本淘汰能耗表示法。,能耗,能效標準把能效水平分從高到低分為1、2、3、4、5五級進行區(qū)分，2級以上的產品才稱得上是節(jié)能產品。 能耗限定值 E=(VF2.15+VR)FC0.777+303365,表達材料對環(huán)境的影響： EAF資源，能源，污染物，生物影響，區(qū)域性 比能耗指標要全面綜合一些。,環(huán)境影響因子- environmental affect factor, EAF,環(huán)境負荷單位是用一個綜合的指標，包括能 源、資源、環(huán)境污染等因素來評價某一產品、 過程或事件對環(huán)境的影響。,環(huán)境負荷單位,單位服務的材料消耗量（materials intensity per unit of service, MIPS），指在某一單位過 程中的材料消耗量，這一單位過程可以是生 產過程也可以是消費過程。,單位服務的材料消耗,生態(tài)指數表示法(eco-point)：對某一過程 或產品，根據其污染物的產生量及其他環(huán) 境作用大小,綜合計算出該產品或過程的生 態(tài)指數，判斷其環(huán)境影響程度。,生態(tài)指數,生態(tài)因子（eco-indictor, ECOI）： 主要兩部分：一部分是材料的環(huán)境影響（EI），包括資源、能源的消耗，以及排放的廢水、廢氣、廢渣等污染物，加上其他環(huán)境影響，如溫室效應、區(qū)域毒性水平，甚至噪聲等因素； 另一部分是材料的使用或服務性能（SP） ECOI=EISP,生態(tài)因子,早期單因子法進行評價，但是單因子很難 反映出環(huán)境影響的綜合效應。 到20世紀90年代初，提出了一個綜合的 評價方法生命周期評價方法(life cycle assessment，LCA)。,III、材料的環(huán)境影響評價方法與標準,LCA 起源,20世紀60年代-“物質-能量流平衡方法” 80年代-“從搖籃到墳墓”的生命周期評價技術 1990年8月由國際環(huán)境毒理學與化學學 會(SETAC, Society of Environmental Toxicology and Chemistry)正式給出LCA的定義和規(guī)范。,LCA 定義：是一種評價某一過程、產品或事件從原料投入、加工制備、使用到廢棄的整個生態(tài)循環(huán)過程中環(huán)境負荷的定量方法。 目的:在于尋求改善環(huán)境影響和合理利用資源的途徑。即從“搖籃”到“墳墓”的整個周期。 基本思想是：產品設計應著眼于整個周期過程，以使最終的設計達到環(huán)境保護和資源合理利用的目的。,LCA的評估對象,ISO明確定義了LCA的評估對象是產品系統(tǒng)或服務系統(tǒng)造成的環(huán)境影響，而不是評估空間意義上的環(huán)境的質量，這與環(huán)境科學中的環(huán)境質量評估有著根本區(qū)別。另外，LCA方法著眼于產品生產過程中的環(huán)境影響，這與產品質量管理和控制等方法也是完全不同的。 其次，LCA的評估范圍要求覆蓋產品的整個壽命周期，而不只是產品壽命周期中的某個或某些階段。,實施LCA的主要目的,幫助提供產品系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用的盡可能完整的概貌； 促進全面和正確地理解產品系統(tǒng)造成的環(huán)境影響； 為關注產品或受產品影響的相關方(interested party)之間進行交流和對話奠定基礎； 向決策者提供關于環(huán)境的有益的決策信息; LCA方法鼓勵各種組織，尤其是企業(yè)，將環(huán)境問題結合到他們的總體決策過程中。,LCA的特點,首先，LCA方法不是要求企業(yè)被動地接受檢查和監(jiān)督，而是鼓勵企業(yè)發(fā)揮主動性，將環(huán)境因素結合到企業(yè)的決策過程中。 其次，LCA評估建立在Life Cycle概念和環(huán)境編目數據的基礎上，從而可以系統(tǒng)地、充分地闡述與產品系統(tǒng)相關的環(huán)境影響，進而才可能尋找和辨別環(huán)境改善的時機和途徑。這體現(xiàn)了環(huán)境保護手段由簡單粗放向復雜精細發(fā)展的趨勢。,LCA的技術框架及評價過程,這一結構也叫SETAC三角形，即：編目分析（Inventory analysis）、損害評價（Impact assessment）、改進評價（Improvement assessment）。即由三個頂點（3I）和中心（定義目標和范圍）構成。,目標和范圍確定,目標的定義包括：目的、原因和評價結果的輸出方式。 研究范圍包括：規(guī)定評價邊界、選擇和優(yōu)化評價的模型、明確數據的要求、規(guī)定審核方法、審核報告的格式與類型等。必須與目標相一致。,編目分析,定義：是對系統(tǒng)邊界內的所有過程中資源的能耗及“三廢”排放量對環(huán)境負載的影響進行量化的合理分析。 核心：是建立以產品功能單位表達的產品系統(tǒng)（評價對象）的輸入和輸出。根據物質平衡及能量平衡進行正確的調查。 數據獲得：正式出版的文獻或有關論文；各類統(tǒng)計年鑒和報表；有關環(huán)境數據手冊；國家統(tǒng)計局統(tǒng)計結果；各行業(yè)的有關環(huán)境統(tǒng)計分析資料等。,影響評估,是對編目分析階段所識別的環(huán)境影響壓力進行定量或定性的確定、表征和評價，即確定產品系統(tǒng)的物質和能量交換對其外部環(huán)境的影響。 步驟： 分類 表征 歸一化 評價,評估結果分析,是在清單分析和影響評價基礎上，系統(tǒng)地評估產品、工藝過程或活動的整個生命周期內削減能源、原材料的使用和減少廢物排放的機會及可能采取的措施。,IV、常用的LCA評價模型,關于LCA評價模型可分為精確方法和近似方法，前者有輸入輸出法，后者有線性規(guī)劃法、層次分析法等。,輸入輸出法,線性規(guī)劃法,層次分析法,該瓷磚生產線的年產量為30萬m2，采用連續(xù)性流水線生產。所需原料有鋼渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加劑等，消耗一定的燃料、電力產水，排放出一定的廢氣、廢水、廢渣。,V、LCA應用實例1建筑瓷磚的環(huán)境影響評價,實例2用層次分析法評價,定義一個環(huán)境指數為LCA的評價目標。,LCA應用實例3目標和范圍的確定,本研究的目的是對聚甲醛基自潤滑材料在其原材 料的提取、制備、使用、廢棄和再利用的全過程中的 物質、能量輸入輸出及其污染排放物對環(huán)境造成的影 響進行了評價。這一模式能夠定性和定量的評價自潤 滑材料在整個生命周期中的環(huán)境行為。,編目分析的主要范圍,物質輸入 能量輸入 化學回收 機械回收 三廢輸出 能量輸出 其他釋放物 能量輸出,原料獲取,精 煉,制造單體,化學合成,聚合物造粒,運 輸,形成產品,產品廢棄,塑料的生命周期評價（單位：1千克）,產品系統(tǒng)工藝流程圖,烘 干,油井操作,原油運輸,原油煉制,石油生產,單體生產,單體合成,聚合物造粒,加入填料,混 合,模壓成型,燒 結,使 用,回收利用,簡式生命周期評價矩陣的應用,LCA作為一個環(huán)境管理決策工具存在著理論和實踐上的局限性。研究者必須經常依據工程估計或專業(yè)判斷等來獲取數據，其結果可能造成較大的數據誤差，另外從實踐上看，完成一個完整、有效的生命周期評價需要較高的費用和很長的時間。 簡式生命周期評價矩陣是一種半定量的方法，其評價系統(tǒng)為58二維矩陣，其中一維代表產品生命周期的5個階段：原料獲取、產品生產、銷售(包括運輸)、產品使用、回收或處置;另一維代表環(huán)境因素，為了全面描述產品生命周期全過程的環(huán)境行為，一般選定8個環(huán)境因素:有害物質、大氣污染、水污染、土壤污染、固體廢物、噪聲、能源消耗、資源消耗。 研究者根據每個元素對環(huán)境影響程度的不同劃分為5個等級（以數值0，1，2，3，4表示），其中數值越小，表示污染越重。在對矩陣中每個元素取值之后，按照每個元素所得的數值求和作為評價指數。,數據收集,聚甲醛基自潤滑材料環(huán)境影響評價矩陣評分結果,應用范圍的局限性 評估范圍的局限性 評估方法的局限性,VI、LCA的局限性：,應用范圍的局限性,LCA只考慮生態(tài)環(huán)境、人體健康、資源和能源消耗等方面的影響因素，不涉及技術、經濟或社會效果方面的評價； 不考慮諸如質量、性能、成本、利潤、公眾形象等影響因素。,評估范圍的局限性,時間和地域范圍的影響 ； 風險范圍界定的局限性,評估方法的局限性,LCA的評價方法既包括了客觀因素，也包括主觀因素； 標準化方面,VII、材料的環(huán)境性能數據庫,建立材料性能數據庫的基本原則 常用環(huán)境數據庫介紹,建立材料性能數據庫的基本原則,（1）有一定的通用性： （2）要具有可比性； （3）應具有服務性的功能； （4）具有預測性的功能。,常用環(huán)境數據庫介紹,國際上，提出了一種統(tǒng)一的編目數據格式-SPOLD格式，還建立了一個SPOLD數據庫網絡。 http：/ 我國材料環(huán)境影響數據庫研究始于90年代中期，如清華大學建立的涂料及表面材料環(huán)境影響數據庫重慶大學蓮立的金屬材料環(huán)境影響數據庫等 SimaPro軟件,SimaPro軟件,可完整應用于生命周期評估-清單及影響評估的各個階段，亦可應用于不同生命周期工序階段。； 豐富的環(huán)境負荷數據庫，如 ETH-ESU96（能源、電力制造、運輸），BUWAL 250 （包裝材料的產品、運輸、銷售及最后處置方面），IDEMAT 2001 （不同材料、工藝和工序的工業(yè)設計方面），Dutch concrete（水泥及混凝土）， IVAM （用于建筑部門的超過100種材料和250個工藝生產的有關能源和運輸方面）等； 提供多種評價方法，如 Eco-Indicator99，Ecopoints97，CML 92，CML 2(2001)，。用戶可以選擇一種評價方法模型進行單一評價，也可以同時針對一種產品或服務選擇多種評價模型進行對比評價； 使用界面良好，提供向導式的評價模式，自動生成評價工藝流程圖，大幅度降低了專業(yè)軟件的使用難度，便于用戶使用和易于理解； 數據處理的圖形化，可以直觀地描述各工序對整個產品或材料的環(huán)境負荷的供獻。 該軟件也正在將技術、經濟分析引入到評價體系中。 ,環(huán)境材料學 材料的生態(tài)設計,主要內容,材料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 工業(yè)生態(tài)學 材料流分析 材料生產的資源效率 材料的生態(tài)設計,可持續(xù)發(fā)展, 、 材料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,可持續(xù)發(fā)展 可持續(xù)發(fā)展的實質是在生產過程中盡量做到少 投入。多產出；在消費過程中盡量做到多利用 少排放。其最終目標是實現(xiàn)經濟效益、社會效 益、環(huán)境效益的統(tǒng)一 。,材料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)材料可持續(xù)發(fā)展的關鍵：開發(fā)新材料。,材料產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向：用資源節(jié)約型產品代替資源消耗型產品：用環(huán)境協(xié)調型工藝替換環(huán)境損害性工藝。,材料產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,II、工業(yè)生態(tài)學,工業(yè)生態(tài)學原理 工業(yè)生態(tài)學是一種提高資源效率和促進環(huán)境保護的系統(tǒng)原理。 工業(yè)生態(tài)學的目標是通過分析自然界的生物循環(huán)系統(tǒng)，將生物圈的循環(huán)原理用于工業(yè)過程，把現(xiàn)有的工業(yè)體系通過工業(yè)生態(tài)學的途徑，轉化為可持續(xù)發(fā)展的體系，最終實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。,工業(yè)過程的生態(tài)結構重組 :,轉換的層次：宏觀層次是改善整體經濟的物質和能源效率； 中間層次：重新審視產品與制造過程，減少廢物的排放量； 微觀層次：設計最簡潔的工藝，優(yōu)化工藝過程，提高生產效率。 轉換的戰(zhàn)略：一將廢棄物作為資源重新利用，力爭達到零排放；二封閉物質循環(huán)系統(tǒng)并盡量減少消耗性排放；三工業(yè)產品和經濟活動的非物質化，降低資源和能源的輸入量；四能源脫碳，減少全球溫室效應。,凱隆堡生態(tài)工業(yè)園,3、材料流分析,材料流理論,材料流(materials flow)又稱物質流(mass flow)，也稱材料鏈(substance chain)。材料 流理論是指用數學物理方法，對在工業(yè)生產過程 中按照一定的生產工藝所投入的原材料的流動方向 和數量的一種定量分析的理論。 材料流理論是一種方法學，其理論基礎就是物質不 滅定律和能量守恒定律。主要用于研究評價工業(yè)生 產過程中所投入的原材料的資源效率，找出提高資 源效率的途徑。,（1）4倍因子理論 核心：為了消除社會的貧富懸殊，實現(xiàn)各國間的健康、和平發(fā)展而建立的。,4倍因子理論 是指在經濟活動和生產過程中，通過采取各 種技術措施，將能源消耗、資源消耗降低一 半，同時將生產效率提高一倍，如式所示： R=P/I=2/0.5=4 式中：R：資源效率；P：產品產出量；I：原材料、能源投入量。,（2）10倍因子理論 核心思想是：我們必須繼續(xù)減小全球的材料流量，在一代人之內將資源效率提高10倍，才能使發(fā)達國家保持現(xiàn)有的生活質量，逐步縮小國與國之間的貧富差距，且可以讓子孫后代能夠在這個星球上繼續(xù)生存。,Schmidt-Bleek教授認為：到2050年，地球上的 人口將在現(xiàn)有的基數上增加1倍，即P等于2；同 時，世界各國的國內生產總值屆時將增長3-6倍， 取平均值為5；2乘以5等于10，由此，對環(huán)境的影 響將增加10倍。為了保持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境水平，我 們必須通過提高資源效率來平衡和補償對環(huán)境的破 壞。因此必須將資源效率和能源效率提高10，才有可能真正實現(xiàn)社會、經濟的可持續(xù)發(fā)展。,（3）極值理論 針對投入和產出的效率問題，極值理論指出：對一 定的原材料投入，有效產品的產出率越高，廢棄物 產生量就越小。從環(huán)境保護的角度看，就是要求最 大的產出率和最小的廢物排放率?？捎檬絹肀硎荆?材料流理論的應用實踐,4、材料生產的資源效率,資源概述 在一般意義上資源是指人類可以直接從自然界 獲得并用于生產和生活的物質。資源是自然環(huán)境的 重要組成部分，通常又稱為自然資源。 自然資源通常可以分為三大類，第一類稱為取之 不盡的資源；第二類稱為可再生的資源；第三類稱 為非再生資源。,資源效率 資源效率指在某生產過程中所產出的有用 產品占所投入原料總量的百分比。,資源保護和綜合利用 （1）資源保護 （2） 一次資源和二次資源的綜合利用,（1）資源保護,廣義的資源保護指人類在維護自然的生態(tài)系統(tǒng)及其綜合體過程中，對開采和利用資源采取的平衡觀念和行動； 狹義的資源保護一般指對資源進行有效的綜合利用，提高資源效率。 資源的有效利用，從技術方面來考慮: 首先是節(jié)約自然資源;其次是發(fā)展替代資源;第三是延長產品的生命周期，使用壽命的延長。 關于資源保護，從管理上說: 注意經濟、社會和生態(tài)效益相結合; 注意當前與長遠相結合，,一次資源的綜合利用：將某一生產過程中排出的廢棄物直接作為下一生產過程的原料而加以利用。我國目前的一次資源綜合利用主要集中在3個方面：礦業(yè)廢棄物的綜合利用、冶金廢棄物的綜合利用和化工廢棄物的綜合利用。 二次資源綜合利用是指將某種廢物經過加工處理使其重新變?yōu)橘Y源的過程，也稱為廢棄資源的再生利用。通過二次資源的綜合利用，使物質的生產真正實現(xiàn)生產、消費、廢物排放、加工處理、再回到生產的完全循環(huán)過程。,1、生態(tài)平衡 生物體(動物、植物、微生物，與環(huán)境相互作用形成的一種機能系統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)。在生態(tài)系統(tǒng)中，保持物質和能量輸入和輸出平衡的過程稱為生態(tài)平衡。 生態(tài)平衡，其實質就是保持資源平衡、能源平衡和環(huán)境平衡。是目前人類最為關注的問題之一。 為保護生態(tài)平衡，早在20世紀70年代，就提出了生態(tài)設計的概念。,材料的生態(tài)設計,2、生態(tài)設計,減少材料環(huán)境影響的措施包括減少材料的用量、回收循環(huán)再利用、降解及廢物處理等。,生態(tài)設計的方法,系統(tǒng)設計 模塊化設計 長壽命設計,系統(tǒng)設計,生態(tài)設計要求設計人員在產品開發(fā)設計過程中要有系統(tǒng)的觀點，充分掌握設計的全盤性，相互聯(lián)系及制約的細節(jié)。 設計思想：整體性、綜合性和最優(yōu)化。 特點：采用物料和功能循環(huán)的思想，擴大了產品的壽命周期，有利于維護生態(tài)系統(tǒng)平衡，提高資源效率，減少廢棄物數量及處理成本。,模塊化設計,模塊化設計指對一定范圍內的不同功能、不同性能、不同規(guī)格的產品進行分析，劃分并設計出一系列功能模塊。通過模塊的選擇和組合可以組裝成不同產品，以滿足市場需求。 同時，摸塊化設計也有利于產品使用后的拆卸，繼續(xù)利用一些可用的模塊。 特點：現(xiàn)在拆卸技術和回收技術等方面，目前，摸塊化設計已廣泛應用于汽車、家電、計算機、復印機以及 許多工業(yè)機器行業(yè)。,長壽命設計,按照LCA理論，產品的壽命越長，其環(huán)境負擔性越小。因此，長壽命設計目前在工業(yè)產品設計中也比較流行。特別是對一些影響到人身安全的產品，長壽命設計更是苜選的設計原則，以確保產品能夠長周期安全地使用。,再生設計,要點：一般包括把上一個過程的廢棄物作為下一個過程的原料，建立利用廢棄物作為資源的觀念。 在技術可能的條件下，考慮最經濟的再生循環(huán)利用率。減少一次污染，把污染物盡量在過程內部消化，控制排出循環(huán)過程以外的污染物總量。對那些不得不排出循環(huán)過程以外的污染物，應設計污染處理流程，對污染物進行治理，努力避免二次污染等。,習題