概述生态环境材料利用.docx
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概述生态环境材料利用
生态环境材料
目前全球的环境情况越来越不容乐观，污染问题日益加剧，例如化学品污染、塑料污染、工业废料的大量排放，造成了诸如酸雨、臭氧层被破坏、生物物种锐减等全球性灾难，人类的过度开垦和砍伐森林造成土地的沙漠化日益严重等。
所以在1992年，国际上首次提出了生态环境材料（Ecomaterials）的概念，生态环境材料是20世纪90年代国际上材料发展的最新趋势之一。
1、生态环境材料概念
生态环境材料是一种具有与环境协调的特殊功能材料，是指在设计、制造、加工、使用以及废弃时均考虑到资源、环境、生态等因素的材料，生态环境材料应该是同时具有优异的使用性能和优良的环境协调性,或者是能够改善环境的材料。
所谓的环境协调性是指对资源和能源消耗少,对环境污染小和循环再生利用效率高。
2、发展生态环境材料的意义
人类的生产过程从材料的生产-使用-废弃的过程来看，可以说是将大量的资源提取出来，又将大量废弃物排回到自然环境的循环过程，人类在创造社会文明的同时，也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。
传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能，而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源，并造成严重的环境污染，危害人类生存的严峻事实重视不够。
生态环境材料的研究进展将有助于解决资源短缺、环境恶化等一系列问题，促进社会经济的可持续发展，并已逐渐兴起了全球性的生态环境材料的研究、开发和实施热潮。
4、生态环境材料评价
目前通常采用环境协调性评价，也称为生命周期评价（LCA，LifeCycleAssessment），这是对产品系统在整个寿命周期中的（能量和物质的）输入、输出和潜在的环境影响的汇编和评价。
环境材料学主要研究在材料加工和使用过程中如何减少对环境的破坏；建立定量的评价材料环境负担性的生态循环评估方法（LCA）,将环境负荷作为一个考核材料的新指标，用于指导开发具有环境意识的绿色材料和产品。
生态环境材料应该具有以下特点:
一是具有先进性,能够为人类开拓更广阔的活动范围和环境;
二是具有良好的环境协调性,即对外部环境尽可能的协调;
三是舒适性,使人们生活的环境更加美好、舒适。
4、生态环境材料研究的对象
生态环境材料研究的内容比较广泛，主要有材料的环境协调性评价、材料的设计及加工中的环境协调性技术，包括零排放和零废弃技术。
从广义范围上看，围绕着生态环境材料所作的研究有:
（1）生态环境材料及生态产品的研究与开发，目前的研究主要集中于纯天然材料、仿生物材料、绿色包装和生态建材。
（2）生物降解材料，目前生物降解材料主要包括生物降解塑料和可降解无机磷酸盐陶瓷等材料。
（3）材料的再生循环利用，材料的再生是实现可持续发展的一个重要途径，目前主要研究的是再生循环利用的工艺。
（4）降低环境负荷性的材料加工工艺，采用新方法、新工艺，提高材料各种性能的同时，减少对环境的影响。
（5）环境工程材料，包括治理大气污染、水污染，处理各种固体废弃物等不同用途的各种材料。
（6）环境材料负荷评价，进行环境材料研究，就必须对其进行客观的表征和评价。
（7）制定相关的法律规定，提高人们对环境的认识,把生态环境理念应用于材料的开发和研究当中。
落实到具体的项目上，从狭义上讲，生态环境材料研究的主要方向有：
1、减少人均材料流量，减少材料集约化程度；
2、减少寿命周期中的环境负荷，使用生态化的生产工艺；
3、开发天然能源，使用藏量丰富的矿物和天然材料；
4、避免使用有害物质，使用“清洁”材料；
5、用长寿命材料，强化再生利用，强化生物降解性；
6、环境，强调生态效率（性能-环境负荷比）；
7、使用负荷小的高分子合金设计；
8、生物循环高分子材料的设计；
9、降解高分子材料设计；
10、材料加工和使用过程中产生的有害物质无害化处理技术。
5、生态环境材料的分类
生态环境材料
分类
相关产品
环境相容材料
纯天然材料
木材、竹材、石材
仿生材料
人工关节和脏器
绿色包装材料
绿色包装袋
生态建材
无毒装饰材料、环境相容性涂料
可降解材料
生物降解塑料、可降解无机磷酸盐
可再循环制备和使用的材料
再生纸、再生塑料、再生金属
环境工程材料
环境修复材料
治理大气污染的吸附、吸收和催化转化材料；治理水污染的沉淀、中和、氧化还原材料
环境净化材料
过滤、分离、消毒、杀菌材料替代佛里昂的制冷剂材料
环境替代材料
工业和民用的无极磷化学品材料用竹、木等代替那些环境负荷较大的结构材料
生态环境材料主要有以下几个方面：
•纯天然材料的开发和利用
•环境兼容性涂层材料
•汽车尾气净化用催化剂材料
•生物降解材料
•生态建筑材料
•绿色包装材料
•仿生材料
•降低环境负担性的材料加工工艺和技术
6、无机非金属生态环境材料
无机非金属材料的许多特点与金属材料和高分子材料差异很大,无机非金属材料是以某些元素氧化物、炭化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料,是除高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称,是三大材料之一。
由于无机非金属材料的环境负荷比较大,使用性能和环境协调性能的矛盾突出，主要表现为以下几点：
（1）使用性能与环境协调性的矛盾是主要的生态环境问题。
如新型陶瓷性能优良，强度能够高于1000MP，应用广泛，但环境协调性较差（加工工艺复杂，排出有害物多）。
（2）制备过程中能耗高。
（3）很难再循环利用。
（4）固体废弃物难处理，我国废玻璃每年高达200万吨以上，陶瓷等废弃物量也非常大，基本上不能回收再利用，污染严重，造成严重的生态环境问题。
（5）有毒有害添加剂和排放物问题，氟、镉、铬、铅、砷等；粉尘污染，如每年水泥生产的全国年粉尘排放量就高达1300万吨。
基于以上几点，无机非金属材料的使用性质的改善就显得尤为重要，一般通过用高新技术提升改造传统材料产业，提高产品品质、节能降耗、提高效益、减少或消除排放，主要方法包括：
（1）高纯化和复合化。
原料的高纯化是无机材料的一个重要发展方向，随着纯度的提高，晶界玻璃相和有害物质减少，材料的力学性能，特别是耐高温性能显著提高；
（2）通过添加多种原料形成多种相结构的复合或复相材料。
经过合适的晶界设计和相设计，复合或复相材料具有单一组成所不具备的优良性能；
（3）充分利用工业废渣、城市垃圾、尾矿改变原料体系，减轻对地表的破坏；
（4）循环再生利用，零排放零废弃；
（5）发展替代材料，淘汰环境负荷重、对人体有毒害的材料。
如禁止用实心粘土砖。
传统无机非金属材料多使用天然矿物原料,由于成分范围宽,含有有害杂质,性能差,为提高其性能,多使用高纯化和复合化的合成原料。
但是天然原料来自于自然界,其组成以及存在形式与周围环境达到了最佳的协调与稳定,此后制成的制品废弃后,与周围环境也会有比较好的亲和性,不会对水系统和土壤造成污染。
7、高分子、复合类生态环境材料
在高分子的合成过程中，会使用大量的溶剂、催化剂等物质，它们可能会残留在产品中，同时，在合成反应中有时会生成有毒的副产物，对产品的使用者带来危害。
高分子生态环境材料合成工艺：
合成中无毒副产物的产生或者有毒副产物无害化处理；采用高效无毒化的催化剂，提高催化效率，缩短聚合时间，降低反应所需的能量；溶剂实现无毒化，可循环利用并降低在产品中的残留率；聚合反应的工艺条件应对环境友好；反应原料应选择自然界中含量丰富的物质，而且对环境无害。
作为有机材料的代表，塑料以其质轻柔韧等特点而广泛应用。
随着工业农业、建筑、包装、电器、汽车、电子信息、航空和军工等行业的高速发展，对高分子从数量、质量、品种和功能方面都提出了更高的要求，在提高高分子产业发展的同时，也将带来不可估量环境影响。
大多数塑料力学性能低，不能作为要求较高强度的结构材料使用。
另一方面，玻璃纤维、碳纤维等无机材料强度高，具有作为结构材料的良好的性能基础，但是其脆性大，黏结性。
因此将两者复合，发展成为环境协调性复合材料。
高分子材料废弃物对生态环境的破坏表现如下：
①废弃物品种繁多、数量巨大、体积庞大；
②绝大部分废弃物几乎不能自然降解，造成各种污染；
③废弃物对海洋的污染；
④废弃物对土壤的污染；
⑤废弃物对大气的污染（焚烧产生CO2，HCl等）；
⑥破坏景观；
其主要污染源分为三大类
1、白色污染：
包装塑料、农膜、快餐盒等为主
2、黑色污染：
废橡胶轮胎为主
3、彩色污染：
家用电器、电缆、光盘等
其中以白色污染最为严重，究其原因，首先是因为我国市场上目前使用的塑料制品还好一些都是不可降解塑料，以发泡聚苯乙烯、聚乙烯或聚丙烯为原料，分子量达2万以上。
只有分子量降低到2000以下，才能被自然环境中的微生物所利用，变成水和其它有机质，而这一过程需要200年。
其次对白色垃圾焚烧会释放出多种化学有毒气体，其中有一种叫二恶英的化合物，毒性极大，即使在摄入很小量的情况下，也能使鸟类和鱼类出现畸形和死亡，对生态环境造成破坏，同时对人也有很大危害。
所以复合类生态环境材料的主要研究方向便是解决白色污染带来的一系列问题，根据降解机理一般将降解塑料分为三大类：
光降解塑料、生物降解塑料、光—生物降解塑料。
具体说来，高分子生态环境材料的开发包括：
光降解高分子材料，向聚合物中添加光敏剂，在光的作用下光降解高分子材料吸收紫外线发生光化学反应使高分子降解；生物降解高分子材料，具有优良的生物降解性，包括化学合成可降解高分子、天然高分子和微生物合成可降解高分子等；光-生物降解高分子材料，结合光和生物的降解作用，以达到高分子材料的完全降解。
8、金属生态环境材料
8.1钢铁生态环境材料
使用钢铁生态环境材料有助于节能和减少CO2排放的高效率。
例如近年来开发的超细晶粒钢，提高了材料的强度，改善了材料的塑性和韧性。
这些材料用于汽车制造，利用较少的材料承担较大的负荷，降低材料消耗，节省生产材料所需的能量，减少了生产过程中CO2的排放，同时由于车体重量减轻，减少了汽车燃料的消耗，因而减少了汽车CO2的排放。
再如，热电站锅炉用耐高温不锈钢管，通过提高其工作温度，减少了电站能源的消耗，大幅度减少了电站CO2的排放。
可循环使用和减少废弃物的钢铁生态环境材料通过各类耐腐蚀材料的开发和应用，可延长材料的使用寿命，减少材料的消耗，减轻环境负荷。
例如在汽车制造中，国外所使用的各类钢板基本是涂镀层钢板，借此延长了汽车的使用寿命。
在建筑结构领域和民用工程中，通过采用耐候钢、高耐蚀性的不锈钢等，延长结构寿命，减少环境负荷。
为了节省资源有限的镍和铬，可将铝和硅作为新一代可循环的耐蚀钢的主要合金元素并且可以较大幅度的提高材料的耐腐蚀性能。
无毒无害的钢铁生态环境材料。
开发不含有对人类和环境有害元素的钢铁材料，例如近年来开发的用于家电产品的无铬镀锌钢板，用于汽车、轮船燃料箱的无铅钢板，含BN的无铅易切削钢等。
8.2有色金属生态环境材料
有色金属生态环境材料在改善环境和促进工业可持续发展方面具有重要作用。
例如：
采用含稀土复合氧化型催化剂用于治理汽车尾气，可使汽车尾气的有害气体排放量减少70%以上。
发展短流程、低能耗、零污染的有色金属生产工艺，也是改善生态环境的重要手段。
此外，在许多有色金属工业废物中含有大量的有用成分，如氧化铝生产残留物赤泥含有大量Al、Ti、Fe以及少量的Si、Ca等，而世界每年大约产生3000万吨赤泥，大部分作为填埋物而废弃。
因此，综合利用有色金属工业的废气、废渣、废液，不仅可以化废为宝、节约资源，更重要的是能够明显降低环境污染。
9、生态建筑材料及应用
我所在的专业是建筑材料，所以对于建筑材料的生态化研究已经略有接触，建
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