材料循環(huán)再生.ppt

第十二章廢棄材料的循環(huán)再生 2 人類圈與材料再生循環(huán)塑料的再生循環(huán)技術(shù)有色金屬的再生循環(huán)技術(shù)簡單合金復(fù)合材料的設(shè)計建筑材料的再生循環(huán) 3 12 1人類圈與材料再生循環(huán) 4 在人類圈中建立符合自然規(guī)律的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的方針應(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)為模型來設(shè)計人類圈的物質(zhì)循環(huán) 2 盡可能少地使用在自然界中不可循環(huán)的材料 對那些非用不可的材料 應(yīng)事先設(shè)計一個再生循環(huán)系統(tǒng) 在材料的廢棄和再生的過程中 嚴格控制數(shù)量 并使其處于不活潑狀態(tài) 5 廢棄物的回收利用是一個嚴峻的現(xiàn)實問題 就目前的情況來看 兩種方法頗引人關(guān)注 一是資源的再生利用 二是直接回收 處理廢棄物 環(huán)境材料所追求的就是材料及相關(guān)資源的循環(huán)再生利用 6 7 上圖示出了日本日立公司廢物回收的主要方法該公司分四種類型回收利用廢棄物 例如 將廢棄物 如廢汽車 廢彩電等 回收粉碎后 對其中的金屬直接分選再生利用 對于塑料 采用熱分解或催化反應(yīng)等方法 生成供發(fā)電或其他動力用燃料 對造成臭氧層破壞和大氣污染的氟里昂 則采用催化方法使之分解 對其他垃圾 采用電磁輻射加熱 使之熔融 固化 8 11 2塑料的再生循環(huán)技術(shù) 9 如果將分選 清洗方法等處理技術(shù)除外 塑料再生技術(shù)大致可以分為兩類 一是回收使用過的塑料再作為原材料應(yīng)用 稱為材料再生循環(huán) 二是分解成塑料的初始原料即單體 重新合成新的塑料 稱為化學(xué)再生循環(huán) 10 材料再生循環(huán) 材料再生循環(huán)的基本方法是將石油等原料所合成的塑料在其功能喪失以前 多次進行使用 在實際的再生循環(huán)過程中 由于雜質(zhì)的混入 加工過程的變質(zhì)等原因 不可避免地帶來某些性能的劣化 因此由石油原料合成的新塑料主要應(yīng)用于性能要求特別嚴格的制品 而將回收材料作為第二次用途的原料時 一般用于特性要求較不嚴格的制品 再次回收的材料作為第三次用途的原料時 則用于特性更不嚴格的制品 例如 新合成的聚乙烯塑料第一次用于電線等電氣制品或充氣薄膜 第二次用于保護管或型材 第三次則用于模板或內(nèi)裝飾材料等 11 例如 新合成的聚乙烯塑料第一次用于電線等電氣制品或充氣薄膜 第二次用于保護管或型材 第三次則用于模板或內(nèi)裝飾材料等 而目前很多場合實際使用的都是新塑料 這就造成了不必要的環(huán)境代價 12 進入市場的制品 回收之后作為原料的一部分摻合進去 已有被再利用的實際事例 實際制品用單一成分生產(chǎn)的比較少 多數(shù)制品為求商品化外觀 表面要涂層 為了獲得高性能又要制成疊層材料 又有涂層又有疊層的組合情況則更為普遍 作為再生材料利用時 由于涂料和黏合劑起異物 雜質(zhì) 的作用 所以性能比新合成材料的要低 這常常就是限制再次用于同一用途的原因 13 化學(xué)再生循環(huán)將回收材料通過水解或解聚等化學(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塑料 或者還原到石油狀態(tài)以便再生利用 例如 在材料再生循環(huán)中 對已多次利用了的塑料 因其功能下降而不能再進行或者很難進行材料再生循環(huán)的產(chǎn)品 則適合于采用化學(xué)再生循環(huán)處理 例如 德國塑料包裝材料廢棄物再生利用協(xié)會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理 并得到制造塑料的原料 14 可以考慮 研究 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)品使用時并不起什么作用 但在回收后進行化學(xué)再生循環(huán)加熱等處理時產(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 塑料再生技術(shù)還應(yīng)包括保護環(huán)境的科學(xué)技術(shù) 當(dāng)將塑料進行化學(xué)再生循環(huán)時 要防止可能對生物及地球環(huán)境產(chǎn)生不利影響的副產(chǎn)品排入大氣 水等造成環(huán)境污染 或者要將其變換為無害物質(zhì)或有用物質(zhì) 15 11 3有色金屬的再生循環(huán)技術(shù) 定義 狹義的有色金屬又稱非鐵金屬 是鐵 錳 鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱 廣義的有色金屬還包括有色合金 有色合金是以一種有色金屬為基體 通常大于50 加入一種或幾種其他元素而構(gòu)成的合金 有色金屬可分為四類 1 重金屬 一般密度在4 5g cm3以上 如銅 鉛 鋅等 2 輕金屬 密度小 0 53 4 5g cm3 化學(xué)性質(zhì)活潑 如鋁 鎂等 3 貴金屬 地殼中含量少 提取困難 價格較高 密度大 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 如金 銀 鉑等 4 稀有金屬 如鎢 鉬 鍺 鋰 鑭 鈾等 16 有色金屬作為家用電器和計算機使用的功能材料 或作為汽車 建材等結(jié)構(gòu)材料 或作為日常生活用品材料 如飲料罐 而被大量應(yīng)用 介紹幾種典型的有色金屬材料的再生循環(huán)技術(shù)的現(xiàn)狀及今后的發(fā)展 17 鋁再生技術(shù)鋁作為罐裝飲料的包裝材料應(yīng)用很廣 這些廢鋁罐回收后首先對其進行熱振動分選 廢鋁 過篩 磁選除鐵 高溫熔化 攪拌打渣 合金化處理 除氣精煉 澆注 鋁合金錠 再生鋁合金 該工藝流程的能耗為200kg焦炭 t鋁 比用原鋁為原料生產(chǎn)鑄造鋁的能耗大為降低 金屬回收率在88 以上 鋁錠 再生鋁 18 銅再生技術(shù)廢銅再生按其來源有兩類 一類是新廢銅 或新廢雜銅 它是銅工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料 另一類是舊廢銅 或叫舊廢雜銅 它是使用后被廢棄的物品 如從舊建筑物及運輸系統(tǒng)拋棄或拆卸的 新廢銅 舊廢銅 19 銅和銅基材料 不論處于裸露狀態(tài) 還是被包在最終產(chǎn)品里 在產(chǎn)品壽命周期的各個階段都可回收再生 直接應(yīng)用廢雜銅具有簡化工藝 設(shè)備簡單 回收率高 能耗少 成本低 污染輕等優(yōu)點 其前提是嚴格的分類堆放及嚴格的分揀 20 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 粉碎處理法對涂層材料和銅導(dǎo)體進行分離分選 銅經(jīng)壓塊或破碎后被再生利用 21 現(xiàn)在進行的大部分再生循環(huán)利用 并不是將回收廢料再生為原來的使用材料 而只是變?yōu)榈鸵患壍牟牧?即回收罐不是再用于鋁罐 回收廢電線不是再用于電線 研究方向應(yīng)該是從罐到罐或者說從產(chǎn)品到產(chǎn)品的完全再生系統(tǒng) 為此 從材料開發(fā) 設(shè)計階段就要考慮再生循環(huán)性 在技術(shù)上推進開發(fā)環(huán)境協(xié)調(diào)型材料以及開發(fā)有效地除去雜質(zhì)的工藝 22 11 4合金的變化 簡單合金 合金 由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì) 一般通過熔合成均勻液體和凝固而得 根據(jù)組成元素的數(shù)目 可分為二元合金 三元合金和多元合金 中國是世界上最早研究和生產(chǎn)合金的國家之一 在商朝 距今3000多年前 青銅 銅錫合金 工藝就已非常發(fā)達 公元前6世紀左右 春秋晚期 已鍛打 還進行過熱處理 出鋒利的劍 鋼制品 常見合金 球墨鑄鐵 錳鋼 不銹鋼 黃銅 青銅 白銅 焊錫 硬鋁 18K黃金 18K白金 23 然而 在再生循環(huán)時 合金組成越復(fù)雜 則分選與分離就越困難 此外 存在不能分離再生的合金元素時 有可能使原來各合金元素的功能不能充分發(fā)揮出來 在這種情況下 利用合金元素的作用實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的控制 也是一個難題這就是說 由于再生過程中混入的雜質(zhì)使正確的控制難于進行了 以簡單組成為前提的合金 簡單合金的設(shè)計原則包括兩個方面 首先要使合金規(guī)格簡單化 容易分選 其次 原則上不添加現(xiàn)在尚不能精煉脫除的元素 24 但是 只賦予材料以再生循環(huán)性 不能生產(chǎn)出支撐現(xiàn)代發(fā)達技術(shù)的材料 還必須充分滿足高強度 高可靠性 舒適性等方面的要求 因此 其設(shè)計有多方面的考慮 即 1 強度 也包括疲勞強度等 韌性 高比強度 先進性 2 簡單組成 易解體結(jié)構(gòu) 環(huán)境協(xié)調(diào)性 3 功能兼容 多功能性 舒適性 然而 一般而言 強度和延性 韌性 強度和其他的物理性能 減振性 導(dǎo)電性等 難于兼容 強度超高越脆 強度越高電導(dǎo)率越低 要想在同一材料上使難以兼容的性能共存 只有采用 復(fù)合化 設(shè)計才能實現(xiàn) 25 不用合金化而采用細化晶粒的辦法也可以強化金屬 此外 改變多相共存時各相的比例 形狀和分布狀態(tài)等等對強度 延性 韌性 疲勞強度等機械性能和導(dǎo)電性 減振性等物理性能都有很大影響 因此用這種方法研究開發(fā)出可再生循環(huán) 高性能合金的可能性是很大的 然而 一般而言 強度和延性 韌性 強度和其他的物理性能 減振性 導(dǎo)電性等 難于兼容 強度超高越脆 強度越高電導(dǎo)率越低 要想在同一材料上使難以兼容的性能共存 只有采用 復(fù)合化 設(shè)計才能實現(xiàn) 26 11 5復(fù)合材料的設(shè)計 日常生活中使用的復(fù)合材料有很多 最常見的是一些增強塑料材料 大多數(shù)塑料的機械強度低 作為結(jié)構(gòu)材料尚有一些問題 另一方面 玻璃纖維 碳纖維等無機材料機械強度優(yōu)異 具有結(jié)構(gòu)材料的良好基本性能 但脆性大和粘接性差是其主要缺點 因此 把這些材料復(fù)合成兼?zhèn)鋬烧唛L處的復(fù)合材料是十分重要的 有機材料和無機材料復(fù)合的典型代表是玻璃纖維強化塑料 FRP 它作為輕質(zhì)和強度兼?zhèn)涞牟牧嫌卸喾N用途 27 強化玻璃纖維塑料 FRP 短切玻璃纖維 28 但要使這種復(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 在這種有機 無機復(fù)合材料的再生循環(huán)過程中存在著許多困難 例如 為了再生循環(huán)這種材料 必須首先粉碎原料 然后再熔融成形 但是 在這種情況下 材料中所含的發(fā)揮機械強度的玻璃纖維也一并被粉碎了 再生循環(huán)作為產(chǎn)品時 就會使機械強度變低 從而失去了復(fù)合材料的優(yōu)點 29 一種解決的辦法是將兩種以上的聚合物復(fù)合 做成具有新功能的材料 即所謂的塑料合金 塑料合金是利用物理共混或化學(xué)接枝的方法而獲得的高性能 功能化 專用化的一類新材料 塑料合金 液晶聚合物經(jīng)加熱變成兼有固體和液體二者特征的液晶狀態(tài) 其分子排列雖然不像固體晶態(tài)那樣三維有序 但也不是液體那樣無序 而是具有一定 一維或二維 的有序性 它是一種流動性很好的熱塑性材料 由于溫度一下降即發(fā)生纖維化 因而是一種輕質(zhì)高強的材料 將液晶聚合物 LCP 和工程塑料復(fù)合 做成輕質(zhì)和機械強度兼?zhèn)淝胰菀自偕h(huán)的材料 這種材料作為取代上述有機 無機復(fù)合材料的新材料而被普遍關(guān)注 30 形成液晶的物質(zhì)通常具有剛性的分子結(jié)構(gòu) 導(dǎo)致液晶形成的剛性結(jié)構(gòu)部分稱為致晶單元 分子的長度和寬度的比例R l 呈棒狀或近似棒狀的構(gòu)象 同時 還須具有在液態(tài)下維持分子的某種有序排列所必需的凝聚力 這種凝聚力通常是與結(jié)構(gòu)中的強極性基團 高度可極化基團 氫鍵等相聯(lián)系的 31 根據(jù)分子排列的形式和有序性的不同 液晶有三種結(jié)構(gòu)類型 近晶型 向列型和膽甾型 近晶型向列型膽甾型液晶結(jié)構(gòu)示意圖 32 致晶單元與高分子鏈的連接方式 33 34 35 熱塑性塑料 如尼龍6 與液晶聚合物混合成形材料中液晶聚合物相分離成纖維狀而起強化相的作用 大致能發(fā)揮出與鋁合金相當(dāng)?shù)目估瓘姸?據(jù)報道 實驗設(shè)定的10次再生循環(huán)中 該材料的強度也都基本保持不變 這是因為再生循環(huán)過程中的粉碎雖然切斷了液晶聚合物的原纖維 纖維體 但在再成形時融熔又會使原纖維再生 因此 即使材料再生循環(huán) 強度也不會下降 這與以往的無機纖維增強塑料不同 36 11 6建筑材料的再生循環(huán)建筑材料與環(huán)境 長期以來 建筑材料主要依據(jù)建筑物及其具體部位對材料提出的力學(xué)性能與功能方面的要求進行開發(fā) 具體講 結(jié)構(gòu)材料主要追求高強度 高耐腐蝕性等方面的 先進性 而外部裝飾材料則追求其高功能性和設(shè)計圖案的美觀性等方面的 舒適性 37 可再生循環(huán)建筑復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其構(gòu)件的設(shè)計 1 混合結(jié)構(gòu)形式 鋼筋混凝土建筑采取柱 梁和墻壁在現(xiàn)場整體混凝土灌筑方式 對于確實需要耐久性的場合 這種方式具有壽命長 非常堅固的優(yōu)點 但高強度 高耐久性的現(xiàn)場整體鋼筋混凝土建筑物從解體和再生循環(huán)這一點來看多少存在一些困難 為此 不完全采用現(xiàn)場整體灌筑方式 一般利用工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件 只將結(jié)合部在現(xiàn)場施工 例如柱體是鋼筋混凝土構(gòu)件 梁件是新型高強混凝土構(gòu)件 結(jié)合部由鋼制接頭做成混合結(jié)構(gòu)形式 這樣解體時就比較容易 38 現(xiàn)在開發(fā)的大部分的纖維增強復(fù)合材料 FRP 是環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂 這類樹脂一旦固化就很難分解 要求再生循環(huán)性也要兼顧耐久性 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度化 又要求更輕質(zhì)化 即適當(dāng)使用人工輕質(zhì)料 并轉(zhuǎn)換成輕質(zhì) 高強度混凝土構(gòu)件 也是很重要的 2 高功能性和再生循環(huán)性結(jié)合的增強材料及其應(yīng)用 39 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) 以便用外部刺激等形式 促進解體混凝土快速膨脹破壞 以備隨后進行再生循環(huán) 這樣的技術(shù)開發(fā)也是必要的 像這樣將關(guān)鍵技術(shù)一項一項地開發(fā)成功 就可以實現(xiàn)建筑材料再生循環(huán)所預(yù)期的目標 并為解決地球環(huán)境問題助一臂之力 40 廢輪胎再利用 日本每年廢輪胎數(shù)量很大 其中約53 變成水泥廠或金屬冶煉廠的燃料 40 變成再生橡膠或輪胎 據(jù)日本汽車輪胎協(xié)會調(diào)查 每1公斤廢輪胎燃燒產(chǎn)生3000千瓦的熱 這是廉價的熱源 在水泥廠利用比較有價值 將廢輪胎投入燒結(jié)爐中 除了當(dāng)作燃料燃燒之外 因輪胎中含有鐵絲 可直接變成水泥的添加物 但若混入量太多會導(dǎo)致水泥品質(zhì)的下降 41 鎳氫電池由一個涂鎳薄鋼板制成的密閉外殼 電極 隔膜 密封圈和電解質(zhì)構(gòu)成 正極材料是鍍鎳鋼 其上覆蓋一層由氫氧化鎳 氧化鈷 粘合劑和導(dǎo)電媒劑等混合物組成的活性材料 負極材料是貯氫合金 其成份包括鎳 稀土 RE 鈷 錳和其它物質(zhì) 電池的回收與處理 42 磨碎后的物料 用0 15mm篩子進行濕篩 這樣就獲得了包含諸如Ni Co和稀土等有價成份的細粒產(chǎn)品 以及鐵屑 電極格板 塑料屑 紙和隔膜絮狀物等混合物組成的粗粒產(chǎn)品 在處理電池的起始階段 有一個加熱工序 可以除掉有機成份 43 木屑 廢紙變建材的再生循環(huán) 辦公室 家庭產(chǎn)出的垃圾大部分是紙屑和塑料類 而工廠丟棄的則是大量的木質(zhì)與塑膠樹脂類 這些丟棄物幾乎都用燃燒或掩埋的方式處