第一章環(huán)境友好材概論精簡版課件

環(huán)境友好材料陳大柱深圳大學材料學院dzchen@2023/6/51第一章環(huán)境材料概論1.1環(huán)境材料概念的建立重新認識和評價過去人類研究材料、開發(fā)材料、使用材料的活動是解決環(huán)境問題的要求2023/6/52材料的環(huán)境影響

大氣層中的某些微量組分，如CO2、CH4、N2O、CFC（氟氯烷烴）等，能使太陽的短波輻射透過，加熱地面，而地面增溫后所放出的熱輻射，卻被這些組分吸收，使大氣增溫，這種現象稱為溫室效應。造成全球氣候變暖的主要原因是由于人類活動造成空氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體的含量在逐漸增加。1、全球氣候變暖2023/6/532.臭氧層的破壞

大氣層是指包圍在地球表面并隨地球旋轉的空氣層。

臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧濃度相對較高的部分，主要作用是吸收短波紫外線。2008年形成的南極臭氧空洞的面積到9月第二個星期就已達2700萬平方公里，而2007年的臭氧空洞面積只有2500萬平方公里。2023/6/54氯氟烴，為化學惰性物質，對生物不存在毒性和其他有害影響。然而惰性意味著其無處可去，在大氣中只有一直上升到平流層，才會發(fā)生紫外光解：

CF2Cl2+hν→Cl+CF2ClO3+Cl→ClO+O2O+ClO→Cl+O2Cl和ClO形成催化循環(huán)。一個氯原子可以破壞10萬個臭氧分子2023/6/55（1）臭氧的減少使皮膚癌和角膜炎患者增加，誘發(fā)非常危險的皮膚病--惡性黑瘤，也會損害人的免疫系統(tǒng)，使傳染病的發(fā)病率猛增。臭氧層破壞的后果2023/6/56（2）破壞地球上的生態(tài)系統(tǒng)。過量的紫外線影響植物的光合作用，使農作物減產。紫外線還可能導致某些生物物種的突變。（3）引起新的環(huán)境問題，過量的紫外線能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，結果又帶來新的環(huán)境污染——光化學大氣污染2023/6/573生物多樣性減少在過去的兩億年中，每27年中才有一種植物從地球上消失，每100年有90多種脊椎動物滅絕。地球上究竟存在多少物種？我們目前仍不知曉，大約為1000萬～3000萬，其中有140萬已經被命名或被簡單地描述過。

世界上每年至少有5萬種生物物種滅絕，現在物種滅絕的速度是自然滅絕速度的100-1000倍！2023/6/584酸雨煤炭、天然氣、石油燃燒以及金屬冶煉等產生的二氧化硫、二氧化氮大量排入空氣中，經過復雜的大氣物理和大氣化學過程最終轉化為硫酸和硝酸等，與水氣或雨雪相遇，形成酸雨。2023/6/59酸雨帶來什么？危害生態(tài)系統(tǒng)水生生物不能存活土壤酸化建筑等受損2023/6/5105森林銳減森林是人類的搖籃“樹木撐起了天空，如果森林消失，世界之頂的天空就會塌落，自然和人類就一起死亡?！?/p>

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森林銳減的危害森林平均每年消失4000平方公里一、綠洲淪為荒漠二、水土大量流失三、干旱缺水嚴重四、洪澇災害頻發(fā)五、物種紛紛滅絕六、溫室效應加劇涵養(yǎng)水源，保持水土，吸收二氧化碳，提供資源能源

森林的作用2023/6/5126土地荒漠化據聯合國統(tǒng)計，荒漠化已影響到全世界1／5的人口和全球1／3的陸地，成為導致貧困和阻礙發(fā)展中國家經濟與社會持續(xù)發(fā)展的重要原因之一。

沙漠化每年埋沒許多村莊、鐵路、公路，造成越來越多的沙塵暴侵襲，給我國經濟建設和人民生活造成巨大經濟損失。

2023/6/5137大氣污染粉塵、煙液滴、霧、降塵、飄塵、懸浮物等大氣污染物氣溶膠狀態(tài)污染物氣體狀態(tài)污染物硫氧化合物氮氧化合物碳氧化合物碳氫化合物2023/6/5148水污染

水體因某種物質的介入，而導致其化學、物理、生物或者放射性等方面特征的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質惡化的現象稱為水污染。

2023/6/515水污染對人體健康的影響1.污染的水體含有致病的微生物和病毒等。這些病毒微生物會引起各種腸道傳染病的蔓延。2.水中的有毒有害物質會引起人中毒或慢性中毒。

2023/6/5169海洋污染聯合國海洋法公約1982年將海洋污染定義為:人類直接或間接把物質或能量引入海洋環(huán)境,其中包括河口灣,以至造成或可能造成損害生物資源和海洋生物、危害人類健康,妨礙包括捕魚和海洋的其他正當用途在內的各種海洋活動、損壞海水使用質量和減損環(huán)境優(yōu)美等有害影響。

海洋——生命的搖籃2023/6/517①赤潮頻發(fā)②石油污染嚴重③廢棄物污染劇增海洋污染的主要表現2023/6/518

大量城市工業(yè)廢水和生活污水排入海洋中，氮、磷等營養(yǎng)鹽類，鐵、錳等微量元素以及有機化合物的含量大大增加，赤潮生物大量繁殖。造成魚、蝦、貝類大量死亡，海龜、海豚也不能幸免。

海洋污染帶來的危害赤潮生物包括浮游生物、原生動物和細菌等，其中有毒、有害赤潮生物以甲藻居多，其次為硅藻、藍藻、金藻、隱藻和原生動物等。

2023/6/51910危險性廢物越境轉移

危險性廢物是指除放射性廢物以外，具有化學活性或毒性、爆炸性、腐蝕性和其他對人類生存環(huán)境存在有害特性的廢物。

美國在資源保護與回收法中規(guī)定，所謂危險廢物是指一種固體廢物和幾種固體的混合物，因其數量和濃度較高，可能造成或導致人類死亡率上升，或引起嚴重的難以治愈疾病或致殘的廢物。

2023/6/5201989年3月簽訂的“控制危險廢物越境轉移及其處置巴塞爾公約”規(guī)定，應加控制的廢物有：醫(yī)藥廢物、木材防腐化學品、廢焦油、爆炸廢物、含鈹、砷、鎘、汞、碲、鉈、鉛的化合物，含氰、酚、醚的化合物，多氯苯及二噁英同系物、多氯苯并呋喃同系物，有機溶劑及有機鹵化物等。

2023/6/521一般工業(yè)產品的鏈式生產流程示意圖2023/6/522

冶煉噸

鋼材的輸入和輸出參數2023/6/523，20世紀初的資源環(huán)境問題主要是局部的污染和廢棄物等問題；進入20世紀90年代后，全球氣候變暖、沙漠化、臭氧層破壞、食物短缺等危及全人類的生態(tài)環(huán)境和健康的問題日益突顯出來；到2050年，地球上的人口將達到100億左右，許多礦物資源將面臨枯竭；到2070年，石油與天然氣資源將枯竭，屆時人類的能源結構將發(fā)生觀念性的變革；到2100年，地球上的人口將超出整個地球所能承載的能力。同時，由于氣候變暖，海

平面將上升。人類面臨的資源環(huán)境問題示意圖2023/6/524地球面臨著人口膨脹和資源過度消耗，大氣、水質的污染，有毒廢物的排放，溫室氣體導致的全球氣候變暖，生物物種的大量消失等一系列危機。面對如此困境，脆弱的地球還能承受嗎？

2023/6/52520世紀中期，資源能源過渡消耗，環(huán)境惡化，環(huán)境問題引起重視。2023/6/5261970年4月22日

第一個世界地球日

哈佛大學學生丹尼斯·海斯發(fā)起并組織的環(huán)境保護活動,全美有2000萬人參加，呼吁拯救地球。2023/6/527

20世紀80年代由單純重視環(huán)境保護問題轉移到環(huán)境與發(fā)展的主題，體現了人類社會高速發(fā)展和社會進步的內在需求.各國已普遍認識到，環(huán)境的保護與治理只有與社會發(fā)展問題共同考慮，才能獲得最終的解決。2023/6/528

材料的生產、處理、消耗、使用、回收和廢棄的過程中也帶來了沉重的環(huán)境負擔。這促使各國材料研究者從頭審視材料的環(huán)境負擔性，研究材料與環(huán)境的相互作用，定量評價材料生命周期對環(huán)境的影響，研究開發(fā)環(huán)境協調性的新型材料。所謂‘環(huán)境協調性’是指資源和能源消耗少，環(huán)境污染小和循環(huán)再利用率高。2023/6/529環(huán)境材料基本性能示意圖2023/6/530

材料只有賦予其環(huán)境性能、使用性能和經濟性能，才可以稱之為環(huán)境材料。

即環(huán)境材料是指那些具有滿意的使用性能和可接受的經濟性能，并在其制備、使用及廢棄過程中對資源和能源消耗最少，對環(huán)境影響最小且再生利用率最高的一類材料。2023/6/531環(huán)境對材料的作用材料的性能在很大程度上決定于環(huán)境的影響，環(huán)境包括社會環(huán)境和自然環(huán)境。社會環(huán)境是推動材料科學發(fā)展的動力，正確的材料生產、加工和使用，體現了人們的認識過程。自然環(huán)境是材料生產的基礎，而以落后的技術，大量消耗資源和污染環(huán)境為前提的材料生產和加工，最終必然會導致資源的枯竭，使材料的生產難以持續(xù)發(fā)展。因此，發(fā)展循環(huán)經濟，促進資源的循環(huán)再生利用，無論對企業(yè)還是于國于民都大有好處，可以將廢物轉化為商品產生經濟效益，減少環(huán)境污染，節(jié)約成本，提高資源效率，降低能源消耗。2023/6/5322023/6/5332023/6/534生態(tài)環(huán)境材料概念的提出

1992年，日本東京大學的山本良一教授等提出了“生態(tài)環(huán)境材料”的概念（Ecomaterials，由EnvironmentalConsciousMaterials或EcologicalMaterials縮寫而成）。按英文字面含義可理解為環(huán)境意識的材料或生態(tài)材料，也即環(huán)境友好型材料或環(huán)境協調性材料。（綠色，環(huán)境友好，生態(tài)，環(huán)境協調，生態(tài)環(huán)境材料）山本良一RyoichiYamamoto

2023/6/535環(huán)境材料的各種表示方法2023/6/536材料的使用對環(huán)境損害的必然性：大規(guī)模的生產和人類生存活動所必須的材料總是意味著一定程度上損害生態(tài)環(huán)境。為了人類的持久生存和發(fā)展，人們所面臨的迫切課題，即如何設計和生產將環(huán)境負荷減至最低，再生率增至最大的材料。要考慮材料“生命過程”的完整性，從原材料開采到產品最終廢棄的一個全過程。

2023/6/537定義：環(huán)境材料是指在加工、制造、使用和再生過程中具有最低環(huán)境負荷、最大使用功能的人類所需材料。既包括經改造后的現有傳統(tǒng)材料，也包括新開發(fā)的環(huán)境材料。環(huán)境材料學的核心思想是在材料的四大要素，即成分、結構、工藝和性能的基礎上，加上材料的環(huán)境指標或環(huán)境負荷，強調了材料的環(huán)境協調性2023/6/538環(huán)境負荷：是指某一具體材料在其生產、使用、消費或再生過程中耗用的自然資源數量和能源數量，以及其向環(huán)境體系排放的各種廢棄物（如氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)廢棄物）的總和。即

材料的環(huán)境負荷＝{資源，能源，排放物}

2023/6/539環(huán)境負荷主要包括

資源攝取量；能源消耗量；污染物排放量及其危害；廢棄物排放量及其回收、處置的難易程度等因素。2023/6/540（1）節(jié)約能源（2）節(jié)約資源（3）可重復使用（4）可循環(huán)再生（5）結構可靠性（6）化學穩(wěn)定性（7）生物安全性（8）舒適性（9）有毒、有害替代（10）環(huán)境清潔、治理功能環(huán)境材料的主要特征：2023/6/541環(huán)境材料綠色工藝特征節(jié)約能源節(jié)約資源降低污染凈化環(huán)境2023/6/542低碳經濟今年3月，溫家寶總理在政府工作報告中提出：“中國要努力建設以低碳排放為特征的產業(yè)體系和消費模式?！卑l(fā)展低碳經濟，轉變經濟發(fā)展方式、促進經濟結構調整正成為中國社會的共識。中國正式簽署哥本哈根協議，并積極采取各項行動，在節(jié)能減排、綠色能源、低碳城市等領域取得了令人矚目的成就。但同時，在低碳發(fā)展的道路上，仍然面臨著理念、機制、技術等各方面挑戰(zhàn)。2023/6/543所謂低碳經濟，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產業(yè)轉型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經濟發(fā)展形態(tài)。是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，實質是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色GDP的問題，核心是能源技術和減排技術創(chuàng)新、產業(yè)結構和制度創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉變。

2023/6/5441.2環(huán)境材料的分類2023/6/545按照環(huán)境材料的性質和功能分類：天然資源環(huán)境材料金屬材料類環(huán)境材料無機非金屬材料類環(huán)境材料高分子生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境功能材料2023/6/546環(huán)境材料的研究目標:發(fā)展階段目標主要內容治表末端治理治理現在的污染，改善生態(tài)環(huán)境治本始端治理預防污染，減少污染發(fā)生量回歸環(huán)境協調所有過程和產品與生態(tài)環(huán)境相容1.3環(huán)境材料的研究目標和內容2023/6/547材料的經濟、技術、生態(tài)環(huán)境協調研究材料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展要求三者達到綜合平衡。材料的生命周期評價材料的生態(tài)設計

生態(tài)設計的宗旨是把生態(tài)環(huán)境意識貫穿或滲透于產品和生產工藝的設計之中。材料的清潔生產技術，

又稱為零排放與零廢棄加工技術。就我國目前狀況來看，環(huán)境材料學的主要研究內容和方法：2023/6/548材料流和能流循環(huán)再生及相關技術由于資源和環(huán)境容量的有限性!未來的材料應當是可循環(huán)再生的。

傳統(tǒng)材料的環(huán)境友好加工及制備技術

傳統(tǒng)材料在現代國民經濟中占有重要地位，處于大量生產#大量消費和大量廢棄中。新型生態(tài)環(huán)境材料及相關技術

主要包括：環(huán)境修復和凈化材料，自行恢復和修復，延長壽命的智能材料，超導材料，納米技術和材料，仿生材料及無紙辦公，無線微波輸電，微型化技術等。2023/6/54921世紀的環(huán)境問題逐漸呈現以下新的特點：

環(huán)境問題全球化環(huán)境問題政治化環(huán)境問題綜合化１.4研