環(huán)境材料學(xué)-環(huán)境替代材料課件

1、環(huán)境工程材料環(huán)境替代材料環(huán)境替代材料氟里昂替代品石棉替代品含磷洗滌替代品氟里昂化學(xué)組成氟里昂是鹵代烴的總稱。最早商品化的氟里昂是二氟二氯甲烷(1932) 、一氟三氯甲烷(1931) ,還有四氟二氯乙烷、五氟一氯乙烷、二氟二氯甲烷等。用途：由于其優(yōu)良的性能,20 世紀(jì)30 年代以來(lái),氟里昂被廣泛用作制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑、滅火劑和噴霧劑。致命缺點(diǎn)它是一種“溫室效應(yīng)氣體”,溫室效應(yīng)值比二氧化碳大1700 倍,更危險(xiǎn)的是它會(huì)破壞大氣層中的臭氧。氟里昂臭氧層破壞CFCs (氟氯烴)在紫外線的作用下放出氯原子,氯原子與臭氧發(fā)生自由基鏈反應(yīng),一個(gè)氯原子就可以消耗上萬(wàn)個(gè)臭氧分子。CFCl3UvCFCl2Cl

2、CF2Cl2UvCF2ClClClO3ClOO2ClOOClO2后兩個(gè)反應(yīng)中Cl和ClO都未被消耗，其凈效果是：OO32O2臭氧層保護(hù) 1985年3月，22個(gè)國(guó)家簽署了關(guān)于臭氧層保護(hù)的維也納公約。這是原則上限制使用含氯氟烴化合物的初步協(xié)議。1987年4月，30多個(gè)國(guó)家的代表出席了日內(nèi)瓦關(guān)于臭氧層公約的臨時(shí)磋商會(huì)議，并通過(guò)一項(xiàng)條約，將CFCs的生產(chǎn)與使用凍結(jié)在1986年的水平上。只要有2/3主要簽約國(guó)家的努力，68年內(nèi)CFCs就會(huì)降低30。1987年9月，46個(gè)國(guó)家的代表在蒙特利爾通過(guò)了關(guān)于臭氧層耗損物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)，并于1989年1月1日生效。此協(xié)議要求1993年各國(guó)削減CFC11、CFC

3、12實(shí)際消耗量的20，1998年消減50。1988年10月，在海牙召開(kāi)了關(guān)于保護(hù)臭氧層的國(guó)際會(huì)議。與會(huì)代表認(rèn)為，即使實(shí)施了蒙特利爾議定書(shū)，也不能消除南極臭氧洞的存在，因此，需要更嚴(yán)厲的措施。臭氧層保護(hù) 1989年，蒙特利爾議定書(shū)締約國(guó)第一次會(huì)議通過(guò)關(guān)于臭氧層保護(hù)的赫爾辛基宣言。1990年，蒙特利爾議定書(shū)締約國(guó)第二次會(huì)議在倫敦舉行，通過(guò)蒙特利爾議定書(shū)修正案。2000年1月1日全部淘汰CFCs。1991年，蒙特利爾議定書(shū)締約國(guó)第三次會(huì)議，呼吁對(duì)臭氧耗損進(jìn)行新的緊急科學(xué)評(píng)價(jià)。1992年11月，蒙特利爾議定書(shū)締約國(guó)第四次會(huì)議在哥本哈根舉行。氟里昂一些新型制冷劑,如四氯乙烷、二氟乙烷、五氟乙烷、二氟甲烷

4、、三氟甲烷以及它們的混合物雖然不破壞臭氧層,但它們大都是溫室氣體,也被聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約大會(huì)(1997) 在日本京都通過(guò)的“京都議定書(shū)”列為限制使用的物質(zhì)。因此尋找替代氟里昂類物質(zhì)的無(wú)公害的新型制冷劑已成為目前研究的熱點(diǎn)。替代制冷劑目前廣泛應(yīng)用的有:(1) 異丁烷它是很早被使用的制冷劑,但由于其具有可燃性沒(méi)有得到推廣。德國(guó)綠色和平組織在上世紀(jì)重新論證了其在小型制冷系統(tǒng)上使用的可靠性后逐漸大規(guī)模用于冰箱制冷。由于其作為制冷劑具有原料易得、對(duì)臭氧層無(wú)破壞、高循環(huán)率和不用換壓縮機(jī)潤(rùn)滑油等優(yōu)點(diǎn),因而有著良好的應(yīng)用前景。1999 年,該種物質(zhì)占到冰箱制冷劑的15 % ,我國(guó)和美國(guó)的小型冰箱使用的是這

5、種制冷劑,在日本,安全法規(guī)不允許使用這種制冷劑。這種制冷劑的缺點(diǎn)除了使用上的安全性外,碳?xì)浠衔锞哂斜菻FCS 類物質(zhì)高的光化學(xué)煙霧,也是值得考慮的問(wèn)題。替代制冷劑(2) 二氟乙烷與二氟一氯甲烷的混合劑它們具有良好的制冷性能,在我國(guó)和美國(guó)的部分冰箱生產(chǎn)線用了此物質(zhì)。它具有環(huán)保性能優(yōu)越、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)可以自行生產(chǎn),適合我國(guó)國(guó)情。到1999年,這種制冷劑占到15%。此外還有三氟二氯乙烷與三氯甲烷、五氯己烷、四氯己烷的混合劑。三氯甲烷、五氟乙烷的混合劑等。這些制冷劑其中仍含有對(duì)大氣臭氧層具有破壞性的氯,但由于有著比較理想的制冷效應(yīng),目前尚沒(méi)有被淘汰,屬于過(guò)渡替代品。替代制冷劑據(jù)報(bào)道,國(guó)內(nèi)有公司選

6、擇多元混合物作為替代品,于1997 年底成功地開(kāi)發(fā)出無(wú)毒、難燃的KLB 綠色制冷劑,其成品破壞臭氧層值僅為0. 008 ,溫室系數(shù)僅為0. 015 ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際組織對(duì)氟利昂替代品所規(guī)定的環(huán)保指數(shù)。KLB 制冷劑不但能直接替代氟利昂,而且節(jié)能效果也十分顯著。替代制冷劑此外,科研人員還發(fā)展了磁致冷和吸附致冷等替代技術(shù)。磁致冷又叫“順磁鹽絕熱致冷”。順磁鹽中包含鐵或稀土元素,其3d、4f 層電子未充滿,因此具有磁性,在勵(lì)磁和退磁過(guò)程中會(huì)吸熱或放熱,例如以硝酸鎂鈰為致冷劑的磁致冷機(jī)降溫可接近0 K。利用這種性質(zhì)發(fā)展的制冷技術(shù)具有效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),其最大好處在于不污染環(huán)境。替代制冷劑吸附

7、致冷是利用吸附- 脫附時(shí)吸熱或放熱的性質(zhì)制冷,常用的制冷劑體系包括金屬氫化物- 氫、沸石分子篩- H2O、活性炭- 氮?dú)?、氧化? 氧化鈰體系等。目前世界上關(guān)于氟利昂的替代方案很多,但都不很令人滿意。迄今為止,世界上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)和能效超過(guò)氟利昂的電冰箱制冷、發(fā)泡替代品在未來(lái)能最大滿足人與自然的和諧和可持續(xù)發(fā)展的制冷劑應(yīng)為自然物質(zhì),如氨、二氧化碳、異丁烷等,是今后值得關(guān)注和研究的方向。石棉石棉概述石棉按礦物組成和化學(xué)成分不同,可以分為蛇紋石石棉(溫石棉) 和角閃石石棉。通常所稱石棉多指蛇紋石石棉,化學(xué)組成為Mg6 (Si4 O10 ) (O H) 8 ,淺黃綠色或藍(lán)綠色,常含少量Fe 、A

8、l 、Ca 等機(jī)械混入物,單斜晶系,呈層狀構(gòu)造,在高倍電子顯微鏡下,纖維呈平行排列的極細(xì)空心管。石棉概述石棉是一種能劈分有彈性、弧度高的耐熱和耐化學(xué)腐蝕的天然硅酸鹽礦物纖維。石棉經(jīng)加工后的各種制品過(guò)去曾被廣泛采用,主要有(1) 石棉紡織制品,用作隔熱保溫材料,密封填料。其產(chǎn)品基體用作水電解、食鹽電解的隔膜材料。(2) 石棉摩擦材料,有剎車片、離合器片、火車閘片、石油鉆機(jī)剎車塊等。(3) 石棉橡膠制品,有高壓板、中壓板、絕緣板、耐油板和耐酸板等。(4) 石棉保溫制品,如石棉粉、石棉板、石棉紙、石棉磚、石棉管等作保溫絕熱絕緣襯墊等材料。石棉的危害石棉本身并無(wú)毒害，它的最大危害來(lái)自于它的纖維。這是一

9、種非常細(xì)小，肉眼幾乎看不見(jiàn)的纖維，當(dāng)這些細(xì)小的纖維被吸入人體內(nèi)，就會(huì)附著并沉積在肺部，造成肺部疾病，如：石棉肺，胸膜和腹膜的皮間瘤。這些肺部疾病往往會(huì)有很長(zhǎng)的潛伏期(肺癌一般1520年、間皮瘤2040年)，嚴(yán)重時(shí)引起肺癌。石棉已被國(guó)際癌癥研究中心肯定為致癌物。美國(guó)環(huán)保局已經(jīng)對(duì)一些石棉制品進(jìn)行限制使用，如1972年頒布的有關(guān)禁止噴涂含石棉纖維的耐火涂料的條例。因此我國(guó)早在20 世紀(jì)80 年代初就限制使用、生產(chǎn)和銷售石棉制品。石棉替代品(1) 膨脹石墨膨脹石墨是由天然鱗片石墨經(jīng)插層、水澆、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀物質(zhì)。它既保留了天然石墨的耐熱性、耐腐蝕性、耐輻射性、無(wú)毒害等性質(zhì),又

10、具有天然石墨所沒(méi)有的吸附性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、生物相容性等特性,不造成二次污染,在石油化工、原子能、電力、農(nóng)藥、建材、機(jī)械等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。油類污染是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題,據(jù)估計(jì)因海上運(yùn)輸、生產(chǎn)、事故和陸地注入海洋的油量達(dá)105 t/ a ,嚴(yán)重威脅著人類的生存。膨脹石墨對(duì)油類有很強(qiáng)的吸附作用,且吸附油類物質(zhì)后仍漂浮于水面,便于分離。因而它是一種很有前途的清除水面油污染的環(huán)保材料。膨脹石墨膨脹石墨的孔結(jié)構(gòu)有開(kāi)放和封閉孔2 種,孔容積占98 %左右,孔徑分布范圍1 nm103 nm ,峰值- 103 nm。由于它是以大孔、中孔為主,所以與活性炭、分孔篩等微孔材料在吸附特性上也有所不同。它適于液相

11、吸附,而不適于氣相吸附。在液相吸附中它親油疏水。1 g 膨脹石墨可吸附80 g 以上重油。(2) 柔性石墨用膨脹石墨軋制或壓制成箔或板制造的密封填料,稱為柔性石墨,由于柔性石墨的氣固兩相結(jié)構(gòu)使其具有良好的密封性能。我國(guó)鱗片石墨年產(chǎn)量35 萬(wàn)噸,加工成膨脹石墨的年生產(chǎn)能力不少于3 萬(wàn)噸,但目前國(guó)內(nèi)柔性石墨的產(chǎn)量約為1000 多噸,僅占全球產(chǎn)量的5 %左右,而且品種單一,基本上是含碳98 %99 %、殘硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 310 - 3 左右的普通工業(yè)級(jí)別,這與我國(guó)作為石墨產(chǎn)量第一大國(guó)很不相稱。改善性能、降低成本,更多的使用石墨柔性材料,不僅有利于合理利用資源,而且更重要的是,根除了石棉等材料在制造、

12、使用、廢棄過(guò)程中給環(huán)境和人類帶來(lái)的危害。(3) 其他替代品日本已有用樹(shù)皮陶瓷材料制得的汽車剎車片上市。對(duì)隔熱墊或其他保溫絕熱材料,現(xiàn)在大多用硅酸鋁、硅酸鋅陶瓷纖維材料。國(guó)內(nèi)外已有用芳族聚酰胺纖維代替石棉纖維制成的高溫防護(hù)材料,它有優(yōu)良的阻燃、耐熱性能,分解溫度可達(dá)385 ,在火焰中不延燃,可用于冶金服、消防服以及特種部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗服等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,新的環(huán)境友好型的保溫隔熱材料不斷涌現(xiàn),基本替代了石棉制品。含磷洗滌替代品洗衣粉是現(xiàn)代合成洗滌劑的主要組成部分。我國(guó)年產(chǎn)量超過(guò)250 萬(wàn)噸,人年均用量超過(guò)2 kg。大量洗衣粉流入不同水系中,造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。當(dāng)某一湖泊中氮磷比超過(guò)7 1 時(shí),磷就成

13、為湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要限制因子。生活污水中的洗滌廢水是磷的外源污染物的一大組成。我國(guó)目前每年有約50 萬(wàn)噸含磷化合物排入地表水中,而生活污水中的17 %20 %的磷來(lái)源于洗滌劑所用三聚磷酸鈉STPP。無(wú)磷洗滌劑的開(kāi)發(fā)由于三聚磷酸鈉(STPP) 所具有的化學(xué)性質(zhì)很符合理想助洗劑的特征, STPP就一直在洗滌劑助洗劑市場(chǎng)上占居支配地位,其用量約占總助劑的95 %。在發(fā)達(dá)國(guó)家, 洗衣粉中STPP 含量在20 世紀(jì)60 至70 年代達(dá)到40 % ,目前含磷洗衣粉的STPP 含量已降為20 %。現(xiàn)在世界上出現(xiàn)了很多無(wú)磷洗滌劑,新品種超過(guò)了幾百種。一般認(rèn)為,開(kāi)發(fā)新的助洗劑必須具備4 個(gè)條件:對(duì)人安全不污染環(huán)

14、境、要有可靠的去污效果、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。無(wú)機(jī)系助洗劑分子篩合成洗滌劑分子篩是一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的不溶高聚物固體,它可與液體中的Ca2 + 和Mg2 + 進(jìn)行離子交換反應(yīng),吸附纖維織物中含有的污垢和金屬離子,使其分散脫離,凝聚,最后形成難溶的沉淀物以達(dá)到去污的目的。分子篩對(duì)Ca2 + 交換容量大于STPP 的交換容量,而Mg2 + 的交換容量卻不如STPP。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),分子篩與陰離子或非離子表面活性劑混配,既可彌補(bǔ)鎂離子交換的不足,又能提高鈣離子的交換容量,增強(qiáng)洗滌效果。其中2烯烴磺酸鈉(AOS)表面活性劑混配效果最為突出。無(wú)機(jī)系助洗劑最新的品種有(1) 美國(guó)的Philadelphia Quartz公司的Britesil 產(chǎn)品,它是一種改性沸石產(chǎn)品,其SiO2 / Na2O = 22. 4 ,堿性比硅酸鈉小,能與Ca2 +和Mg2 + 反應(yīng)生成可溶物。該產(chǎn)品成為美國(guó)無(wú)磷和低磷洗滌劑的主要添加物。(2) 東京工業(yè)實(shí)驗(yàn)所開(kāi)發(fā)的堿性亞胺磺酸鹽,它是以SO3 和N H3 反應(yīng)生成的亞胺基、亞硫酸銨為原料,于其水溶液中加入計(jì)量的NaOH ,在減壓下置換出NH3 ,反應(yīng)式為:(N H4 SO3) 2N H + 2NaOH(NaSO3) 2NH + 2NH3 + 2H2O該產(chǎn)品pH低,對(duì)皮膚無(wú)刺激,分散力