1、第二章 材料产业与生态环境,人类与其生存环境之间存在着密切的关系，它们即相互依存，相互作用。相互依存人类 环境相互作用下面先简要介绍一下有关生态环境的基础知识,一、生态环境基础,1.生态系统在一定空间范围内，生物群落与其生存环境之间通过物质循环和能量流动所构成的综合体叫生态系统。 物质循环 生物群落 生存环境 生态系统 能量流动 生态系统中有三大最基本、与环境关系密切的循环1)水循环2)碳循环3)氮循环,2.生态平衡主要体现在结构平衡/、功能平衡、输入和输出物质在数量上的平衡三个方面。生态平衡如果失调，会导致生态危机，直接威胁到人类的生存和发展。生态平衡可以恢复。环境保护的基本任务是维持生态平
2、衡、恢复生态平衡。,二、环境质量评价,主要有三种评价方式：环境质量回顾评价环境质量相撞评价环境质量影响评价1:质量现状评价程序,确定评价对象明确目的确定精度,污染源调查,环境调查监制,环境效应分析,环境质量综合评价,环境污染规律建立数学模型,环境质量现状评价,2：质量现状评价的方法调查法：进行实地考察，评价出环境污染程度。监测法：对环境布点采样，进行分析测试，取得数据。综合分析法：收集环境污染现状有关数据 根据评价目的，选取合适的评价标准 对相关数据进行计算并做出评价主要评价方面有：1）大气环境质量评价2）水环境质量评价3）土壤环境环境评价4）整体环境质量综合评价,三、材料对生态环境的影响,众
3、所周知，材料的生产在原料开采、提取、制备、使用及废弃过程中，不仅要将废弃物排放到环境中，造成污染，而且消耗大量的资源。能源消耗 材料的生产与使用 环境污染1：材料在国民经济中的地位和作用材料既是一个独立的领域，又与几乎所有其他新兴产业密切相关。从世界科技发展史看，总打的技术革新往往起始于材料的革新。可以说，没有先进的材料，就没有先进的科学技术和现代化的工业。例如，镍基高温合金，使用温度由原来的700提高到900，从而产生超音速飞机。高温陶瓷的发明，使表面温度到1000的航天飞机的发展。,随着经济的快速发展和人类生活水平的提高，对材料需求日益增长，而且对材料的发展提出了更高的要求。到20世纪90
4、年代末，全世界12项新兴产业的年销售额已达1万亿美元，其中新材料约占20%。 在我国，材料产业历来都列入国民经济的基础性产业。从表2-2（P33）中可以看出，我国几种主要材料，如钢铁、水泥、煤炭、平板玻璃等产量已列世界第一位。目前，我国每年进入经济循环的原材料达60亿吨，而且由于我国国民经年纪持续稳定的发展，在今后较长时间内，对原材料的需求将持续保持增长趋势。,2：材料生产和使用带来的环境和资源问题,1）材料生产和使用对环境的影响 不用说，地球人都知道，两个字“污染”。 举个具体例子：20世纪10大环境公害事年 地点 事件 致死/致病 原因 比利时 烟雾 60/2万人 炼钢、SO2气体 美国
5、烟雾 17/6千 炼钢、SO2气体 英国伦敦 烟雾 4千/8千 工业排放SO2气体 美国洛杉矶 光化学雾 400/ 汽车尾气、碳氧化合物1956 日本 水俣病 60/ 含Hg废水1961 日本 哮喘病 6736/ 工业排放SO21968 日本 米糠病1972 日本 骨痛病 207/258 含镉废水1984 印度 农药泄漏 600/20 万有机物1986 前苏联 核泄漏 核污染,例2：2000年全世界人口62亿，气温上升1，海平面上升20cm，预计2050年，人口100亿，气温升高3，海平面上升60cm，矿物、石油、天然气枯竭，2100年人口爆炸，地球上的人口将超出整个地球所承载的能力。到时候，
6、人类没有采取任何措施或者是迁移别的星球，人类将面临灭亡。例如书中举得玻璃生产对环境的污染。大气污染 各种颜色的重金属氧化物、硫化物或硫酸盐、铬酸盐、特种玻璃使用的硫化砷、硒化砷、氧化铊、氧化铍在高温熔化时，少量气体进入大气而污染。熔化过程中产生的有毒气体CO2、NO2、CO、HF等、原料粉尘及玻璃加工粉尘污染，是造成硅沉着病（硅肺）的主要原因。到2000年1月统计，硅沉着病人累计达55万人，占全世界1/2，其中已死亡13万人。水污染 含磨料、抛光剂、洗涤剂的废水进入，污染水。噪音污染 除各种动力设备及机械噪音外，还有摔碎玻璃生产的特色噪声。例4. 生产1t钢要消耗铁矿石、煤炭、石灰等原料78t
7、 80%变成各种废物和有害物质，排入环境,例5. 电子垃圾：电子材料包含有害物质，铅、磷、氟、砷、镉等，而且是大多经高温熔融、烧结进入材料中，极难分离，回收异常困难。在日本，二手电器你要花钱想办法处理掉，或者交给回收部门，随便乱扔是要罚款的，不像在中国，还得花钱买二手电器，在国外，别人白送，还得给你钱。例6. 臭氧层的破坏：氟氯烃类气体、氮氧化物一经释放到大气中，就慢慢上升到臭氧层区，使臭氧变为氧。但当前，从灭火器、冰箱、冷冻机到计算机、汽车等都离不开氟氯烃，想全面禁止十分困难。大气中的臭氧每减少1%，照射到地面上的紫外线就会增加20%，人类皮肤癌的发病率会增加70%，白内障会增加60%。另外
8、，它可能使地球上2/3的农作物减产，导致粮食危机，还可以导致海洋生物灭绝。材料用过之后，固体废弃物处理已成为世界性难题。塑料包装的“白色污染”已经差不多解决了，现在最突出的就是混凝土问题，每年中国城市解体混凝土600万立方米，无法再生利用，占用大量土地，污染土壤和地下水。另外，生产材料要消耗大量的能源。以上资料充分说明，一方面，材料工作者和材料产业为国民经济发展、国防建设和人民生活水平提高做出了巨大的贡献，是有功之臣；另一方面，材料产业又是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者。,2)资源问题资源问题是当今人类发展所面临的一个主要问题。非再生性资源，包括煤、石油、天然气等能源资源及各种矿
9、物质资源，一旦被消耗，就不可恢复了。资源是社会发展的重要物质基础，是人类生存、生活的重要物质源泉。矿产资源根据20世纪90年代对主要矿产的探测，在43种重要矿产资源中有16种如锰、铜、铅、锌、锡、汞、金等，50年内将枯竭，21世纪中叶，石油、天然气资源也将枯竭。土地资源从1975年至20世纪末，全球有近3亿公顷耕地被侵蚀，另有3亿公顷可能被城镇和公路占用。全世界每年流失的土壤达240亿吨。现在世界上有8.5亿人口生活在不毛之地或贫瘠的土地上。由此可见，土地资源问题的严重性。,森林资源随着人类社会的发展，森林的面积一直在减少。1万年前 76亿公顷1862年 55亿公顷1985年 41.47亿公顷
10、而且正以每年1170万平方公里的速度消失。水资源 目前，全世界每年约有4200亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5500亿立方米的淡水。估计今后30年内，全世界污水量将增加14倍。水资源短缺已经成为许多国家经济发展的障碍。,3：材料中化学元素对环境和人体的影响,据估计，就有机合成的化学物质产量已从1950年700万吨增加到1970年6300万吨，到1985年已达25000万吨，这意味着越来越多的化学物质进入环境，当积累浓度较高时，就会导致环境质量下降，甚至对生物或人造成危害。现代食品中的添加剂只有少数来自天然物质，大部分是人工合成的化学物质。常见的防腐剂亚硝酸盐，它虽然能抑制一些细菌生长，但人
11、们发现亚硝酸盐能和胺类化合物作用生成亚硝胺化合物致癌物。高分子化学发展的时代，为人们提供了很多优良的化工制品，但同样带来了很多环境问题。例如：氯乙烯塑料，单体氯乙烯能诱发人体血管疾病；合成橡胶的添加剂如1-萘胺，有致膀胱癌的作用；一些三乙醇胺的化妆品，则含有二乙醇亚硝胺，是一种致癌物。,有机溶剂的危害，如涂料、干洗剂、胶粘剂等都含有机溶剂。有机溶剂易挥发，经呼吸器官摄入，马上进入血液，到全身各部位，中毒往往表现为急性，进入中枢神经，导致全身麻醉。 化学物质污染物最为潜隐性的危害是其致突变作用，并且这种作用都与癌症有关系。,三、材料中主要元素的环境和资源特征,1.化学元素的环境分布特征 由于自然
12、界的物质循环，使构成物质的化学元素在循环中不断的迁移变化，转化形成多种多样，这与化学元素的迁移能力有关。化学元素分为三种基本类型：第一类元素迁移的非常强烈；第二类元素具有微弱的迁移能力；第三类元素基本上不迁移（惰性气体）。44页图2-7反映了化学元素在自然界的迁移。 对于活跃的第一类元素又可以分为二大类：空气迁移和水迁移 第一类元素：强烈 空气迁移H C N O I 水迁移碱金属、碱土金属、卤族元素和Fe、 Mg 、Co、Cu、Zn、S等 第二类元素：微弱 第三类元素：不迁移惰性气体,正是由于化学元素的迁移变化，使其在环境中分布体现出了大特征： ：普遍性 自然界中化学元素存在于地壳层中由矿物、
13、岩石、土壤等构成的各种地质体中，从而体现出化学元素的普遍性。 地壳：主要元素 O、Si、Al、Mg、Ca、Na、K、Fe等10多种 次要元素 Pb、Zn、Sn、Mo、Cr、Ni、W等大多数，80 种。 显然，各元素含量分布相差很大 ：富集性 化学元素的分布含量相差很大，而且很不均衡，就是它的富集性。,例如：有贫矿和富矿之分，山西煤矿比较富集，但是元素富集成矿的时间很漫长，通常以亿年为单位。就是说开采容易，形成难。 ：共生性 元素具有负极性，但是这种富集是一种多元的共生富集，即共生性或复合性。就是说一个铁矿，他不只有铁，同时伴有Co、Ni、Cu等元素，在世界上上不存在单一的化学元素矿。常用金属元
14、素在环境中的迁移特性 ：铁 在所有金属中，铁含量占第三位 铁的天然循环：岩石风化 河流 海洋 再沉积成岩石 其中，每年的人工开采量大于天然循环量,：铅 铅是重金属含量最多的元素，多数以硫化物或氧化物存在，并常以锌、铜等元素存在。 岩石风化（5.66t/年） 河流（11万吨） 海洋 人工开采量每年400万吨 ：铜 铜也是以氧化物或硫化物存在，常见的有辉铜矿【Gu2S】、黄铜矿、青铜矿、黑铜矿、蓝铜矿等。 ：钴 钴是一种较稀的金属元素，钴的矿物主要有硫化物、砷化物、氧化物、硫酸盐、磷酸盐等。 ：镍 以硫化镍矿、氧化镍矿存在,：锰 ：铝 ：铬 ：铍 不形成矿物，大部分以分散状态存在 ：镉 上面介绍的
15、是各种金属元素在环境中的宏观迁移金属资源的储量及其寿命 1）：储量及寿命 金属储量的定义： 是指由于地质作用的结果，在地壳中某些地段内，形成金属矿物的富集，其质和量能够满足工业要求，并在当前经济条件下能够开采的自然堆积体的总量。,静态寿命： 指金属的开采年限，即某金属资源的当年总储量与其当年总产量（开采量）之比 在金属形成过程中： 分散 富集成矿 开采： 富集 分散状态 根据物质不灭的原理，自然界中金属元素的总量应该是不变的，但是说就再把分散的元素重新富集起来，这就是二次循环利用。但是再富集的周期会很长。一般人也等不了那么久。 2）：影响寿命的因素 3个：总储量 消耗量或生产量 再生量 前两个
16、因素构成了金属元素的静态寿命。而金属的再生同样会对其寿命产生影响，为了说明这个因素关系，引入了静态寿命或循环寿命的概念。,即某一资源的当年储量总量与其当年总产量和再生量的差的比=当年储量/当年总产量-再生量 再生量 循环寿命 从长远观点看，若实现社会的可持续发展，人类对一次金属资源的开开采要减慢，而对资源循环（二次资源）开发和利用将逐步强化，但金属的回收率不能达到100%，而有些如W、Mo等目前无法回收。,五.材料流与资源效率和环境影响,1.材料流 材料流也称物质流 材料流动示意图有限资源 原料 制造 加工 使用 废弃 自然生物圈 有限的环境,例：8t矿石 1t钢（轧、挤、冲、锻） 700Kg
17、金属材料（机械加工） 500Kg金属制品（超过寿命） 废弃，排放到环境中 材料流也可以说是材料背负的生态负荷或称生态包袱，要考虑直接消耗和间接消耗。2.材料流分析 materials flow analysis MFA 指的是对材料物理流动的分析，他通过对自热原始物质的开采、生产、转移、消耗和废弃等过程的分析，揭示物料（包括能源、水资源等）在特定范围内的流动特征和转化效率，提出环境压力的直接来源，进而通过技术措施，提出相应的减少环境压力生物解决方案，提高资源效率，作为评价该地区产业和行业及产品等发展的可持续性的指标，为实现可持续发展的近中期目标提供科学依据。 分析 揭示特征 找到来源 技术改进
18、 解决方案 提高效率 评价指标 科学依据,3.资源效率，环境影响分析的X倍因子理论 利用材料流分析，研究资源效率、环境影响理论，代表性3各理论 4倍因子理论（Factor4+） 10倍因子理论（ Factor10+ ） 8倍因子理论（ Factor8+ ） （1）：4倍因子理论 德国最先提出 原因：1990年以来，20%人口的发达国家消耗80%以上的能源和资 源，其他80%的人口消耗20%的资源。为了能保持现在的生 活质量，又要消除贫富差距，所以根据计算得出将现有的资 源和能源效率提高4倍就能达到上述指标。,出现：1995年4倍因子，半分消耗，倍数产品出版 宗旨：社会经济和生产活动中，通过采取
19、各种技术措施将能源消耗 资源消耗降低一半同时将生产效率提高一倍，即在同样能源 消耗的水平上，得到了4倍的产出。 意义：得到了世界上许多政治家、经济学家、社会学家、生态学 家、环境学家一呼百应，得到各界人士的共识。对有效利用 资源、改善生态环境、实现社会和经济的可持续性发展具有 指导意义，从源头上实现了减少排放，保护了环境。 （2）：10倍因子和8倍因子理论 原因：为了保持现有的生态环境水平，必须通过提高效率来平衡 和补偿对环境的破坏，必须减少全球的物质流量。,内容：按照平等原则，20%发达国家人口应该消耗资源和能源的 20%，推测：2050年，地球上人口将是现在的2倍，二GDP 届时将增长3-
20、6倍，取平均值5，两者乘积2*5=10，按现在水 平发展对环境的影响将增加10倍，因此必须讲效率提高10倍。 影响：欧洲许多国家赞同10倍因子作为实现目标。 （3）：8倍因子理论 原因：日本，山本良一对全球环境问题进行材料流分析发现： 2000年 发展中国家： 人口 48亿 人均环境影响为A 发达国家： 人口 12亿 人均环境影响为B 全人类以超过可持续发展水准（S）的40% 48*108+12*108=（1+0.4）S (1),2050年 发展中国家：人口新增30亿 48+30=78亿 发达国家： 人口不变12亿 世界平均环境影响为C 达到可持续发展水准（S） 78*108C+12*108C=S (2) 经两式计算得：C/A1/8 C/B1/100 也就是说为了保证全球可持续发展，能达到可持续发展水准，发展中国家必须将资源效率提高8倍，实现Factor8+目标，发达国家必须人均资源效率提高100倍。 （4）：X倍因子分析的应用（4、10、8） 目标为了可持续发展 提出了MET独特计算方法 科学技术的任务：“最大限度的向自然索取财富” 合理利用资源， 保护环境，保持生态平衡，保持可持续发展。,
