環(huán)境材料學課后習題第1-5章

1、第一章1-1 用自己的理解給出環(huán)境材料的定義環(huán)境材料是指那些具有滿意的使用性能和可接受的經(jīng)濟性能，并在其制備、使用及廢棄過程中對資源和能源消耗少，對環(huán)境影響小且再生利用率高的一類材料。1-2 從人類的歷史進程分析一下材料科學與技術的發(fā)展，找出材料與環(huán)境的關系。在人類歷史上，有許多時代都是以材料的發(fā)展來命名的，如遠古時期的石器時代、青銅器時代和鐵器時代、現(xiàn)代的高分子時代，都是由于材料科學和技術的發(fā)展而推動了歷史車輪的前進。同時就材料科學與技術本身的發(fā)展來看，也是隨著歷史發(fā)展的需要而誕生的，如20世紀60年代的半導體材料、20世紀70年代的能源材料、20世紀80年代的信息材料以及20世紀90年代的

2、環(huán)境材料，他們都是應時代的要求、社會的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。 1-3 你認為哪些材料可以屬于環(huán)境材料？試從你身邊找出一些環(huán)境材料的例子。冰箱內(nèi)的全無氟制冷劑、可降解塑料、可食用包裝袋、無溶劑涂料、生態(tài)水泥、環(huán)保建材、降解樹脂、環(huán)境工程材料、天然資源環(huán)境材料、電磁波防護類材料、電子功能材料領域的毒害元素替代材料1-4 用自己的理解分析一下，環(huán)境材料的研究內(nèi)容應該包括哪幾部分。包括材料的環(huán)境影響評價、生態(tài)設計及清潔生產(chǎn)、廢棄物再生循環(huán)利用、環(huán)境材料關鍵技術、環(huán)境功能材料、環(huán)境友好材料、環(huán)境工程材料。1-5 結(jié)合自己的體會，分析一下環(huán)境材料的未來發(fā)展趨勢。 1. 材料的環(huán)境性能將成為21世紀新材料

3、的一個基本性能，各種環(huán)境材料及綠色產(chǎn)品的開發(fā)將成為材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個主導方向。 2. 環(huán)境治理材料仍然是環(huán)境工程材料的主要研究內(nèi)容，更高的性能、更長的壽命以及更低的成本成為新型環(huán)境治理材料必須具備的性質(zhì)，環(huán)境修復替代材料和廢棄物的自資源化研究也將成為環(huán)境工程產(chǎn)業(yè)的另一大熱門。 3. 大力推廣環(huán)境友好型的材料設計和制備工藝，開發(fā)環(huán)境友好型的新材料及綠色材料制品。 4. 功能化、智能化的環(huán)境功能材料在技術進步的帶動下正漸漸走下“高端”的神壇，更好的耐久性能和經(jīng)濟性能將成為環(huán)境功能材料研究的主攻方向。1-6 環(huán)境材料是材料和環(huán)境兩大學科之間的一個交叉學科?？紤]如何從交叉學科這個角度去發(fā)展環(huán)境材料。環(huán)

4、境材料作為跨材料和環(huán)境兩大領域的一門新興交叉學科，在保持資源平衡。能量平衡和環(huán)境平衡，實現(xiàn)社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展等方面產(chǎn)生著積極的作用。將環(huán)境性能融入21世紀所有的新材料開發(fā)，完善材料環(huán)境負擔性評價的理論體系，開發(fā)各種環(huán)境相容性新材料及綠色產(chǎn)品，研究降低材料環(huán)境負擔性的新工藝、新技術和新方法，也將成為21世紀材料科學與技術發(fā)展的一個主導方向。第二章2-1 為什么把材料與能源、信息并列為線代高科技的三大支柱？考慮一下它們各起什么作用。材料、能源與信息并列的現(xiàn)代高科技中的三大支柱。材料是指最近發(fā)展和正在發(fā)展的具有比傳統(tǒng)材料更具優(yōu)異性能的材料，如智能材料、超導材料等。獲取新材料所需的各種先進儀器、設

5、備和新工藝協(xié)同組成的體系，就是新材料技術。而能源技術則是指替代傳統(tǒng)化合燃料能源，開發(fā)和利用核能、太陽能、風能、生物質(zhì)能、海洋能、地熱能和氫能等一系列新能源的高科技。信息科學是有關信息產(chǎn)生、獲取、識別、轉(zhuǎn)換、組織、存儲、處理、顯示、控制和利用的學科。信息技術是以微電子和光電子科技為基礎，集電子計算機、通信技術和控制技術為一體的綜合性高新科技。材料、能源與信息科技，構成了當今世界任何其他高新科技賴以發(fā)展的基礎，是衡量一個國家的科學技術和經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，在國民經(jīng)濟中具有特別重要的戰(zhàn)略地位。能源相當于城市的血液，它驅(qū)動著城市的運轉(zhuǎn)?，F(xiàn)代化程度越高的城市對

6、能源的依賴越強，因為能源在維系著：照明、交通、餐飲、供暖、降溫、自動化管理系統(tǒng)等的重要功能。在今天來說，信息管理技術對于人類的活動上升到了比較重要的地位。從人類社會活動的過程來看，人們的活動所依據(jù)的就是信息。因此可以說，今天有沒有信息，有沒有真實可靠的信息，是大到國家、小到企業(yè)個人決策的重要依據(jù)。因此，在二十一世紀，信息在我們的生活中扮演著一個十分重要的作用?？梢哉f，誰掌握了信息，誰就掌握了主動權。盡管信息不是一個可以直接利用的資源，它不像物質(zhì)資源那樣直接創(chuàng)造財富，但是信息在創(chuàng)造物質(zhì)財富和精神財富中起著非常重要的作用。下面我們通過一些事例來看信息在經(jīng)濟社會和其他社會生活中的重要作用。材料服務于

7、國民經(jīng)濟、社會發(fā)展、國防建設和人民生活的各個領域，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎和先導。在歷史上材料被作為文明社會進化的標志；16世紀以來人類的兩次世界范圍的產(chǎn)業(yè)革命，它們的成功都離不開新材料的開發(fā)；從世界科技發(fā)展史看，重大的技術革新往往起源于材料的革新；在眾多工業(yè)部門中，材料的作用十分廣泛且重要；而隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類生活水平的提高，對材料及其產(chǎn)品的需求日益增長，對材料的發(fā)展和應用提出更高、更迫切的需要。2-2 使用物質(zhì)不滅和能量守恒的理論來說明材料與資源、環(huán)境的關系。眾所周知，材料的生產(chǎn)往往要消耗大量的資源。當生產(chǎn)效率一定時，除有效產(chǎn)品外，大量的廢棄物被排放到環(huán)境中去，造成了環(huán)境的污染

8、。因此對材料的生產(chǎn)和使用而言，資源消耗是源頭，環(huán)境污染是末尾。也就是說，材料的生產(chǎn)和使用與資源和環(huán)境有密不可分的關系。2-3 結(jié)合實際，舉例說明某一材料或產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用直至廢棄對環(huán)境產(chǎn)生的影響。 零部件和整車生產(chǎn)過程：不僅體現(xiàn)在工業(yè)廢氣和廢水方面，而且含有重金屬的零部件、含有刺激性氣味的內(nèi)飾件等在整車裝配時對人有一定的影響 汽車在使用過程中對人、環(huán)境的影響。汽車尾氣排放是全世界環(huán)保呼聲最高的問題，汽車排放污染已經(jīng)成為中國城市大氣污染的重要因素。所排放的污染物產(chǎn)生的酸雨和光化煙霧，破壞臭氧層，汽車排放的氮氧化物在空氣中進一步反應，形成淡藍色的光化學煙霧，這些淡藍色的光化學煙霧對人的身體健康構成

9、潛在危險,威脅到人類的安全.另外，汽車內(nèi)飾氣味等對駕乘者的直接和潛在危害以及汽車噪音等都嚴重影響了人的生活質(zhì)量 報廢汽車對環(huán)境的影響已經(jīng)是全世界高度重視的問題。目前我國每年報廢汽車200萬輛，這個數(shù)字還在逐年遞增。由于我國的汽車拆解行業(yè)技術落后，汽車拆解管理混亂，大量報廢汽車被野蠻拆解，通過正規(guī)途徑回收的不到40%。我國超期使用報廢車現(xiàn)象比較普遍。報廢汽車形成的垃圾不僅占用大量土地，而且對環(huán)境也造成了極大的影響。2-4 圖2-1是一個典型的開環(huán)工業(yè)生產(chǎn)鏈，從環(huán)保的角度看，若能實現(xiàn)閉環(huán)的工業(yè)生產(chǎn)鏈，可明顯減少廢棄物排放。請選擇一個你感興趣的產(chǎn)品設計一個閉環(huán)生產(chǎn)流程。 資能源 資能源 資能源 資能

10、源鐵礦 鐵水 鋼壞 成品（熱軋鋼板等） 使用 廢棄 污染物 污染物 污染物 污染物 2-5 除本書提出的一些材料對環(huán)境的影響外，在材料的生產(chǎn)和使用過程中，對環(huán)境還有哪些應該注意，如沙漠化、二噁英、瘋牛病等與材料與生產(chǎn)和使用是否有關系？ 礦渣污染、土地鹽堿化、水俁病等中國土地沙漠化的形成，除了因力作用而造成沙丘前移 入侵的自然因素以外，由于過度開墾、過度放牧、過度砍伐、工業(yè)交通建設等破壞植被的人為因素引起沙漠化的現(xiàn)象更為普遍，而這些過程都與材料的使用有關。環(huán)保專家稱，“二惡英”，常以微小的顆粒存在于大氣、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工業(yè)、垃圾焚燒、造紙以及生產(chǎn)殺蟲劑等產(chǎn)業(yè)。日常生活所用的膠

11、袋，PVC（聚氯乙烯）軟膠等物都含有氯，燃燒這些物品時便會釋放出二惡英，懸浮于空氣中。第三章3-1 表達材料的環(huán)境影響有許多方法，試對這些方法加以討論，并提出一種可以表征材料環(huán)境性能的無量綱指標。能耗表示法：用能耗這項單一指標來表達其對環(huán)境的影響環(huán)境影響因子：考慮了資源、能源、污染物、生物影響、區(qū)域性等因素。環(huán)境負荷單位：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(chǎn)品、過程或事件對環(huán)境的影響。單位服務的材料消耗：在某一單位過程中的材料消耗量。生態(tài)指數(shù)表示法：對某一過程或產(chǎn)品，根據(jù)其污染物的產(chǎn)生量及其他環(huán)境作用大小，綜合計算出該產(chǎn)品或過程的生態(tài)指數(shù)，判斷其環(huán)境影響程度。生態(tài)因子表

12、示法：綜合考慮材料的使用性能和環(huán)境性能。無量綱指標：環(huán)境負荷單位、生態(tài)指數(shù)表示法、環(huán)境影響因子。3-2 近10年來，有關LCA方法學的研究一直是環(huán)境材料研究的熱點，試對LCA方法學的研究及應用現(xiàn)狀加以描述。 LCA 技術的發(fā)展已有30多年的歷史，但由于其研究對象的復雜性及目的的多重性，LCA 技術尚處在發(fā)展階段。目前有待改進的主要問題是：（1）清單分析技術，特別是影響評價技術尚不成熟，需要進行很多假設；（2）LCA 的完成需要大量的數(shù)據(jù)支持，所能獲得的數(shù)據(jù)完整性和精度有限；（3）完成費用較高（國外做1次LCA 通?；ㄙM1 萬10 萬美元）。為了改進上述問題，專業(yè)人員正在努力通過下述措施，為LC

13、A提供更好的研究基礎：（1）方法學和信息的標準化；（2）軟件開發(fā)，提高可重復能力和降低費用；（3）組織評審小組對分析進行校核；（4）研究和開發(fā)新的影響評價和解釋技術（例如環(huán)境影響評價的“生態(tài)指數(shù)法”）。國外，在LCA方法的研究方面，由國際標準化組織制定的環(huán)境管理標準ISO1410和ISO1411體現(xiàn)了世界范圍內(nèi)LCA研究的共識，對于其發(fā)展最具影響力。目前LCA評價方法的研究主要集中在清單分析和生命周期影響模型的構建。其中，清單分析的理論方法趨于完善，側(cè)重于結(jié)合工業(yè)應用要求、面對數(shù)據(jù)采集及其進行規(guī)范化。影響評價方法研究涉及到評價指標體系研究、影響評價特征化模型研究、標準化和權重確定的依據(jù)以及評價

14、結(jié)果的規(guī)范化等。主要進展體現(xiàn)在一系列環(huán)境影響類型的提出和生命周期影響數(shù)學模型的建立以及污染物對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)毒性的量化。我國對于LCA理論研究已呈現(xiàn)出在諸多領域均有涉獵的格局。總的來說，我國LCA方法論研究當前主要集中在兩個方面：一是建立國內(nèi)區(qū)域性的生命周期清單數(shù)據(jù)庫。二是探索研究滿足我國國情的生命周期影響評價方法。國內(nèi)外LCA應用現(xiàn)狀：在應用領域，LCA方法能夠為企業(yè)實施節(jié)能、降耗、減排工作提供技術支持和決策支撐，有利于工礦企業(yè)部門在保證經(jīng)濟效益的前提下，實現(xiàn)社會效益和環(huán)境效益的多重功效，在國外已經(jīng)成為很多大型知名企業(yè)實現(xiàn)提高能源利用率，降低污染排放水平的重要環(huán)境管理工具，這種方法已經(jīng)廣

15、泛的被國際上的研究機構、企業(yè)和政府部門所接受，并得到了大量的應用和推廣。國外LCA在企業(yè)層面的應用，主要基于產(chǎn)品的生態(tài)設計理念，很多大企業(yè)非常重視對產(chǎn)品的環(huán)境標志的標識工作，而引進LCA是實現(xiàn)這一理念的最直接的渠道；在政府層面，國外經(jīng)常運用LCA引導相應的政策法規(guī)的制定，如將LCA應用于面向產(chǎn)品的綠色采購政策，引導市民消費方向等。在國內(nèi)，LCA的應用已涉及到很多行業(yè)，諸如高分子材料、建筑行業(yè)、石化產(chǎn)品、環(huán)境保護等多個領域進行了實踐探索。3-3 根據(jù)你對LCA的理解，現(xiàn)有的技術框架是否完善，還應該進行怎樣的改進？根據(jù)ISO14000系列標準，現(xiàn)在LCA的技術框架主要有目標和范圍定義、編目分析、環(huán)

16、境影響評價以及評價結(jié)果解釋?，F(xiàn)有技術框架是不完善的，這也是LCA仍處于不停發(fā)展和改進的原因。迄今為止，環(huán)境影響評價被認為是LCA中技術含量最高、難度醉倒，同時也是發(fā)展最不完善的一個技術環(huán)節(jié)，環(huán)境評價是一個典型的數(shù)學物理過程，經(jīng)常要用到物理數(shù)學模型和方法。不同的方法往往帶有個人和社會的主觀因素和價值判斷。所以在評價過程中，要清楚、詳細地給出所用的數(shù)學物理方法、假設條件和價值判斷依據(jù)。3-6 本書給出了一些有關LCA的局限性，請根據(jù)LCA的原理，分析一下LCA的這些不足可否改進或避免。 改進途徑：1）更多的研究和更多的數(shù)據(jù)。通過繼續(xù)研究獲得更好的背景清單登記數(shù)據(jù)和更好地軟件工具提高LCA的決策有用

17、性。2)更簡單和更廉價的工具。建立和使用更簡單和更廉價的工具，側(cè)重有限數(shù)量的環(huán)境影響，以篩選的方法取代詳細地登記清單。3）放棄現(xiàn)行的LCA方法，側(cè)重特定地點的工具和信息，側(cè)重對每個公司的準確的、實際的和具有代表性的數(shù)據(jù)進行持續(xù)記錄。3-7 材料的環(huán)境影響數(shù)據(jù)庫主要應包括哪些功能和結(jié)構？功能：1）由于數(shù)據(jù)庫的通用性使得不同國家、不同地區(qū)可以對同一類材料在相同條件下進行比較，以判斷不同地區(qū)材料在生產(chǎn)和使用過程中環(huán)境影響的大小。2）用戶能就所面臨的環(huán)境問題得到?jīng)Q策信息咨詢服務。3）使新研制的材料在環(huán)境性能方面有所改善和提高，為材料的生態(tài)設計提供可靠的依據(jù)和手段。結(jié)構：包括兩大部分，一部分是LCA評價

18、軟件（數(shù)據(jù)輸入、評價、輸出、打印等），另一部分是材料的環(huán)境性能數(shù)據(jù)（表面處理工藝流程、涂料、建材、稀土及其他各種材料的環(huán)境影響數(shù)據(jù)）。第四章4-1 LCA和材料流理論的異同：LCA是一種用于估計環(huán)境承受能力的方法，它是一種匯總和評價一個產(chǎn)品體系在整個生命周期內(nèi)的所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成的和潛在的影響的方法，也是用以確定和估計影響環(huán)境發(fā)展的機會的方法。LCA首先辨識和量化整個生命周期階段中能量和物質(zhì)的消耗以及環(huán)境釋放，然后評價這些消耗和釋放對環(huán)境的影響，最后辨識和評價這些影響的機會。LCA強調(diào)所研究的體系對生態(tài)平衡、人類健康和資源消耗等方面在內(nèi)的環(huán)境影響。LCA和MFA是兩種定量分析工業(yè)系統(tǒng)與環(huán)

19、境之間物質(zhì)和能量交換的統(tǒng)計方法，兩種方法的統(tǒng)計口徑不同，在分析材料對環(huán)境影響時有很強的互補性。LCA方法沿著材料的生命周期，統(tǒng)計各階段所有的資源、能源輸入和廢棄物排放數(shù)據(jù)，因而可以描述單位數(shù)量的材料所造成的環(huán)境影響，并有助于系統(tǒng)化地尋找改進材料環(huán)境表現(xiàn)的途徑。MFA則是統(tǒng)計某個區(qū)域在某個時間段內(nèi)一種材料流入和流出的各種渠道與數(shù)量，因而可以描述材料流的來龍去脈以及發(fā)生的規(guī)模。如果統(tǒng)計的對象是一種原材料，通常可用于資源問題分析；如果統(tǒng)計的是一種污染物質(zhì)，則可用于污染問題分析。后一種情況也稱為物質(zhì)流分析SFA(Substance Flow Analysis)。4-2 從如何提高材料生產(chǎn)及使用的資源效

20、率的角度，綜述物質(zhì)流分析方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。資源效率是指在某一生產(chǎn)過程中所產(chǎn)出的有用產(chǎn)品占所投入原料總量的百分比。研究現(xiàn)狀：物質(zhì)流分析分為三個層面：國家層面、區(qū)域?qū)用嬉约爱a(chǎn)業(yè)部門層面。具體見：書本71-75頁發(fā)展趨勢：1）借鑒國際經(jīng)驗，建立統(tǒng)一的計算方法，開展國家層次上更為嚴謹、精確的物質(zhì)流分析；在計算物質(zhì)流賬戶系統(tǒng)中各個物質(zhì)流指標時，結(jié)合生命周期評價方法來輔助評價。2）投入更大的精力進行高資源消耗量和環(huán)境污染嚴重的重點行業(yè)的物質(zhì)流分析研究，得到一套完整的計算方法。3）借鑒已有的銅及鐵元素的物質(zhì)流研究經(jīng)驗，開展對國民經(jīng)濟發(fā)展非常重要的戰(zhàn)略性資源以及對環(huán)境危害較大物質(zhì)的物質(zhì)流研究工作。4-

21、4 選擇一個你所熟悉的材料產(chǎn)品或過程，用物質(zhì)流方法進行資源效率分析，并就如何提高資源效率提出具體的技術措施。鋼鐵的資源效率高達10.4%，就是生產(chǎn)1t純金屬材料所消耗的原材料將近12t。具體技術措施：1）由外界向高爐-轉(zhuǎn)爐流程內(nèi)某中間工序輸入廢鋼，可提高流程鐵資源效率；2）由外界向高爐-轉(zhuǎn)爐流程內(nèi)某中間工序輸入鐵礦石等自然鐵資源，可提高該流程鐵資源效率。3）通過提高電爐鋼比，提高鐵資源效率。4-5 分析一下哪些產(chǎn)品或資源在短期內(nèi)是一種補充產(chǎn)品，而從長遠看可能是一種替代品？ 聚合物材料代替鋼材、光纖代替銅質(zhì)線第五章5-1 根據(jù)你對可持續(xù)發(fā)展的理解，考慮如何實現(xiàn)（1）金屬材料，（2）高分子材料，（

22、3）無機非金屬材料（選一種）的可持續(xù)發(fā)展，并提出幾項可具體實施的技術措施。金屬材料：利用微生物冶金；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，以及廢棄物無害資源化轉(zhuǎn)化技術；少合金化與通用合金，形成綠色/生態(tài)材料體系，有利于材料的回收與再生利用。高分子材料：1）建立必要的法規(guī)，加強全民的環(huán)保意識；2）回收塑料，變廢為寶：燃燒廢舊塑料利用熱能，熱分解提取化工原料和改進操作技術、設備3）發(fā)展環(huán)境友好高分子：可降解塑料的開發(fā)和合成，采用生物發(fā)酵的方法合成的生物高分子。5-3 你認為材料的生態(tài)設計應該從哪幾個角度考慮？應包括哪些內(nèi)容？請按重要性進行排序。角度：1）從保護環(huán)境角度考慮，減少資源消耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；2）從商業(yè)角度考慮：降低成本、減少潛在的責任風險，以提高競爭力。內(nèi)容：1）盡可能減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)；2）選擇對環(huán)境影響小的生產(chǎn)技術；3）選擇清潔能源和材料；4）建立ISO14001環(huán)境管理體系。5-4 剛和碳-塑復合材料，選擇一種做汽車引擎蓋，你選哪種？為什么？ 選擇碳-塑復合材料。該種材料機械強度大，比起普通鋼材的汽車，最大特點是輕和快，抗沖擊性比鋼鐵強。碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代