材料与环境2材料产业与生态环境.docx
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材料与环境2材料产业与生态环境
第二章材料产业与生态环境
⏹材料产业简介
⏹材料与资源、能源、环境的关系
⏹材料的环境负荷及其对生态环境的影响
2.1材料产业简介
⏹材料：
是可以用来制造构件、器件或物品的物质。
⏹材料的分类
⏹材料是人类社会进步的里程碑
⏹材料是国民经济和社会发展的基础和先导
2.2材料与资源、能源、环境的关系
⏹资源：
是指人类可以直接从自然界获得并用于生产和生活的物质。
⏹能源：
是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。
⏹环境：
相对于中心事物而言的背景。
在环境科学中，是指以人类为主体的外部世界，主要是地球表面与人类发生相互作用的自然要素及其总体。
它是人类生存发展的基础，也是人类开发利用的对象。
一般工业产品的生产工艺流程
⏹材料的环境负荷：
是指某一具体材料在生产、使用、消费或再生过程中耗用的自然资源数量和能源数量，以及其向环境体系个排放的各种废弃物（如气态、固态和液态废弃物）的总和。
即
材料的环境负荷＝{资源，能源，排放物}
⏹我国的资源和能源现状
“资源丰富、地大物博”
土地面积世界第三
水能资源世界第一
煤炭资源世界第一
全世界已利用的160多种矿藏中，我国有148种已探明储量，其中稀土、石墨、钨、锑、锌、镁、锰、钛、重晶石、硫铁矿等20多种矿产资源的储量居世界首列。
⏹
⏹
⏹全球的资源和能源现状
全球矿产资源枯竭时间的预测
年代
21世纪50年代
21世纪70年代
21世纪80年代
22世纪20年代
矿产资源
一般矿产资源
金属矿产资源
石油、天然气
煤资源
静态储量50年内枯竭的非能源矿产资源有16种：
锰、铜、铅、锌、锡、汞、钒、金、银、硫、金刚石、石棉、石墨、石膏、重晶石、滑石等。
⏹全球的资源和能源现状
非再生资源迅速消耗
淡水资源不足
水土流失
人均水平低
经济发展快，资源需求大
资源的利用率不高，资源浪费严重
矿产能源结构核分布不合理：
每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤，为发达国家的10倍。
标准煤：
又称标准燃料，是计算能源总量和折合各种能源的综合指标，我国规定每公斤标准煤的含热量为7000Cal，以此可把其他能源的含热量折合成标准煤来计算。
⏹材料加工和使用过程中的资源消耗
直接消耗：
直接用于材料的生产和使用的资源消耗。
间接消耗：
指在材料的运输、储藏、包装、管理、流通、人工、环境迁移等环节造成的资源消耗。
材料的生产过程涉及大量的资源消耗。
这种资源包括两大类。
一类是主原料，例如生产碳钢时的铁矿石。
另一类是辅料，例如碳钢生产过程中的脱氧剂、脱硫剂、铁合金等。
我国几种原材料的单位GNP资源消耗率与世界平均水平的比较
材料
钢材
铜
铝
铅
锌
单位GNP的资源消耗率*
3.6
3.7
2.4
2.7
2.2
世界平均水平
1
1
1
1
1
*指在单位国民生产总值条件下，生产某种材料的资源消耗量与世界水平的比较
⏹材料加工和使用过程中的能源消耗
直接能耗：
直接用于材料的生产和使用的能源消耗。
间接能耗：
指在材料的运输、储藏、包装、管理、流通、人工、劳保、照明等环节造成的资源消耗。
材料生产使用过程的排放物及环境影响
一些材料生产过程的排放物及环境影响
材料
大气
水
土壤/土地
纸、纸浆
排放含SO2、NOx、CH4、CO2、CO、硫化氢、硫醇、氯化物、二噁英等的废气
（1）水资源消耗；
（2）排放悬浮性固体物、有机物等
水泥、玻璃、陶瓷
排放含砷、钒、铅、铬、碱、氟化物等的粉尘，及SO2、NOx、CO2、CO等废气
排放含油、重金属离子的废水
（1）矿物资源及土地消耗；
（2）排放固体废弃物
金属及矿物开采
排放各种粉尘及有害气体
排放含金属离子及有害化学品的废水
（1）矿物资源及土地消耗；
（2）土地退化
钢铁
（1）排放含重金属的粉尘，以及含有机物、H2S、HCl等的废气；
（2）紫外线辐射
（1）水资源消耗；
（2）排放含悬浮性固体物、有机物、重金属离子等的废水
（1）矿物资源及土地消耗；
（2）排放固体废弃物
有色金属
排放含砷、钒、铅、铬、碱、氟化物等的粉尘，及SO2、NOx、CO2、CO等废气
排放含金属离子及有害化学品的废水
（1）矿物资源及土地消耗；
（2）排放固体废弃物
（3）土地退化
●材料生产过程的排放物
2001年我国主要原材料工业污染物排放统计
材料产业
工业废水/万t
工业废气/亿m3（标准状态）
固体废物/万t
矿业
125804
4089
35903
化学纤维工业
59695
2811
355
橡胶制品业
7070
431
72
塑料制品业
2588
246
33
非金属矿制造业
其中：
水泥制造业
46194
34062
1960
28055
27975
1071
黑色金属冶炼
191745
25015
11858
有色金属冶炼
37451
9958
4477
金属制品业
11742
487
76
合计
510344
105074
55805
占工业排放总量百分数（％）
25.19
65.32
62.81
2.3材料的环境负荷对生态环境的影响
⏹大气污染
温室效应
臭氧层破坏
酸雨
⏹水体污染
⏹固体污染物
⏹其他污染
噪声污染
放射性物质污染
光污染
2.3.1大气污染
主要气体污染物特征
名称
分子式
重要性质
在大气污染中的特征
二氧化硫
SO2
无色气体，强烈窒息性气味
产生于自然过程、燃烧、工业活动。
三氧化硫
SO3
易溶于水，形成H2SO4
腐蚀性强，由SO2氧化而成。
硫化氢
H2S
低浓度时有臭蛋气味
毒性大，产生于有机物降解及工业过程。
一氧化二氮
N2O
无色气体
不大活泼，有毒。
一氧化氮
NO
无色气体
产生于高温高压燃烧过程，N2氧化为NO。
二氧化氮
NO2
棕橙色气体
产生于光化学烟雾形成过程或工业过程，有毒。
一氧化碳
CO
无色无臭气体
产生于不完全燃烧过程，有毒。
二氧化碳
CO2
很活泼
产生于自然过程、工业生产和燃烧过程。
臭氧
O3
产生于形成光化学烟雾过程。
碳氢化合物
HC
产生于汽车、化学工业，其中一些有毒。
⏹温室效应
是指大气层中一些气体吸收了地球表面的红外线能量，并将其反射回地球表面，引起地球表面温度升高的现象。
温室气体：
CO2、CO、CH4、CF4等。
表一次能源的含碳量及消费过程中气体排放数据统计表
含碳量
质量分数
CO2
g/kg
NOx
g/kg
SO2
g/kg
煤
约70％
772
10.26
14.74
重油
约85％
782
6.86
31.85
轻油
约90％
679
3.86
6.34
天然气
约75％
650
0.89
0.75
我国材料产业的平均能耗约占总工业能耗的40％
⏹臭氧层破坏
在紫外线的照射下，氟氯烃化物（CFCs）与臭氧发生链式反应，破坏臭氧层。
氟氯烃化物（CFCs）的应用领域：
冰箱、雪柜、空调机、摩丝、空气清新剂、灭火剂、喷雾杀虫剂、发泡剂、漂白剂等。
⏹酸雨
是指因空气污染而造成的酸性降水，通常认为大气降水与二氧化碳气体平衡时的酸度pH5.6为降水天然酸度，并将其作为判断是否酸化的标准，当降水的pH低于5.6时,降水即称为酸雨。
材料产业对酸雨的贡献：
（1）化石燃料燃烧；
（2）工业生产过程：
金属冶炼；（3）土法炼硫；（4）机动车尾气
2.3.2水体污染
地球上水体总储量海水,占97.3%,冰川和冰冠占2.14%,地面水包括江河湖泊在内约占0.02%,地下水占0.61%,大气中的水蒸气不到0.01%。
水是一种宝贵的自然资源，材料的生成和加工都离不开水资源，例如生成1t钢需要49吨水资源。
水体受到污染，不仅妨碍了工农业生产，影响水生生态系统，还直接或间接地危害人体的健康。
尤其是重金属元素以可溶离子状态溶解在水中，通过人体吸收，会造成严重的病变，如金属镉离子污染会引起人体的骨痛病；汞中毒可以使人中枢神经失灵，并造成永久性病变；铬、锑及其化合物具有致癌作用。
水体污染物的来源：
一是生活废水，一般来自居民住宅、医院、学校、商业等生活活动；二是工业废水，主要是由工业生产中一些有害物如重金属有机物、酸碱盐、油、放射性废水等混入工业用水造成的。
工业水体污染来源
水中主要污染物的主要来源
污染物质
主要来源
镉及其化合物
金属矿山、冶炼厂、电镀厂、镉电池厂、化工厂
铅及其化合物
金属矿山、冶炼厂、汽油、电池厂、油漆厂、铅再生厂
铬VI及其化合物
金属矿山、冶炼厂、电镀厂、合金制造厂、催化剂制造厂
汞及其化合物
炼汞厂、化工厂
氰化物
电镀厂、焦化厂、金属清洗厂、化工厂
砷及其化合物
铜矿厂、冶炼厂、油漆厂
铜及其化合物
金属矿山、冶炼厂、电镀厂
锌及其化合物
金属矿山、冶炼厂、电镀厂、化工厂
锰及其化合物
金属矿山、冶炼厂、电镀厂、干电池厂
石油烃类
石油开采、加工、炼制厂、石油化工厂
2.3.3固体污染物
在生产活动及其他活动过程中产生的各种固态半固态和高浓度液态废弃物统称为固体废弃物，因这些固体废弃物对环境造成的变质现象称为固体废弃物污染，相应地，这些可污染环境的固体废弃物称为固体污染物。
⏹固体污染物的环境影响
固体污染物的主要危害形式有侵占土地、污染土壤、污染水体、污染大气、影响环境卫生等。
我国固体废弃物的排放量已超过6亿t／a。
固态废弃物的堆存占地面积已超过100万亩（1亩＝666.6m2），其中农田25万亩。
这些固体废弃物被雨雪淋湿，浸出大量毒物和有害物，使土地毒化、酸化、碱化，污染面积往往超过所占土地数倍；进入土壤中的各种有害成分还会导致水体污染。
在材料生产中排放的固体废弃物对大气造成的污染不容忽视。
如尾矿和粉煤灰在4级以上风力作用下，可飞扬40～50m，使其周围灰砂弥漫；长期堆放的煤矸石因含硫量高可引起自燃，向大气中散发大量的二氧化硫气体
由固体废弃物造成的危害中，最为严重的是危险废物的污染。
易燃、易爆、腐蚀性、剧毒性和放射性固体废弃物既易造成即时性危害，又易产生持续性危害，如我国有色金属冶炼过程中，每年从固体废物中约流失上千吨砷、上百吨镉、几十吨汞，其危害无法估计。
⏹固体污染物的来源
固体污染物的来源可分为工业、矿业、城市和放射性废弃物等。
工业废弃物主要有冶金钢渣、煤灰、硫铁矿渣、碱渣、含油污泥、木屑以及各种机械加工产生的固体边角料等；矿业废弃物主要来自采、选矿过程中废弃的尾矿；城市固体废弃物主要有生活垃圾、城建渣土以及商业固态废弃物等；放射性废弃物主要有核电站运行排放的废弃核燃料及旧的核电设备等。
2.3.4噪声污染
环境噪声的来源主要有由机械振动、摩擦、撞击和气流扰动而产生的工业噪声，由汽车、火车、飞机、拖拉机、摩托车等行使过程中产生的交通噪声，以及由街道或建筑物内部各种生活设施、人群活动产生的生活噪声等。
在工业噪声中，材料的生产和使用所产生的噪声占主要份额。
如金属材料的生产和加工，无机材料如水泥、陶瓷材料的粉碎和研磨等，都产生大量的噪声，影响环境和居民的日常生活
2.3.5放射性污染
放射性污染主要指在生产和使用具有放射性物质的过程中，由于辐射作用对环境造成的不良影响。
放射性污染多与核能使用及核科学试验有关，如核材料的生产与加工，核设备的制造与使用，核电站运行过程中的核废料排放，废旧核设备的替换与放置等。
因此，放射性污染主要是在能源和材料加工和使用过程中造成的。
除了突发性的放射性物质泄漏引起的放射性污染外，一般情况下，放射性污染的区域性较强，多与核电站和核科学研究地区有关。
由于放射性污染的危害性较大，又与核材料或核燃料的加工和使用密不可分，在材料对环境的影响研究中，放射性污染的影响不可忽视。
2.3.6光污染
光污染问题近年来也提到了议事日程上来，特别是城市建筑中玻璃幕墙、大型建筑的外墙贴装饰性瓷砖，以及金属表面装饰性镀层的反射光污染问题，影响居民的日常生活，并容易诱发交通事故。
因此，材料科学工作者在考虑材料的环境影响时，不得不分析因使用材料造成的光污染问题。
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