材料与环境.docx

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材料与环境

材料与环境——废塑料的污染与防治

材料构筑了整个文明社会，是人类发展的基石。

从人类走过的足迹，可以清楚地看到材料发展的印迹，以至于历史学家根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等。

陶瓷是人类最早发明和应用的材料（公元前一万年以前），制陶工艺的不断完善和发展，创造了新石器时代的仰韶文化和龙山文化（公元前6000年）。

随着制陶技术的成熟，发展起来了青铜的冶炼技术（公元前3000年左右）以及后来的炼铁技术（公元前1400年左右），金属材料用作生产工具，使生产力大大提高，推动了社会生产力的快速发展。

科学的发展又促进了材料的研究和发展。

在20世纪，建立了以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体的完整的材料体系，形成了材料科学。

20世纪80年代以来，新材料技术的迅猛发展使材料科学跃上了一个新的台阶，超导材料、纳米材料、功能高分子材料等具有特定功能的材料不断的被合成和开发，材料科学已经成为社会发展的支柱之一。

但是材料的发展和使用，也带来了一些负面效应，在材料的生产、处理、循环、消耗、使用、回收和废弃的过程中也带来了沉重的环境负担。

其中最典型的就是不易降解的塑料制品造成的“白色污染”。

因此各国从事材料研究的科学家开始从头审视材料的环境负担性，研究材料与环境的相互作用，定量评价材料生命周期对环境的影响，研究开发环境协调性的新型材料。

这就产生了一门新兴学科——环境材料（绿色材料）。

    从20世纪50年代开始，随着石油化工的发展，塑料产量迅速提高，品种极大丰富。

虽然塑料世界色彩斑澜，但大多数仍为白的本色。

由于成本低，大量商品包装袋、各种容器及薄膜都不再反复使用，而是用过即弃：

就是大型构件，最后也会随着产品的老化、损坏而报废。

这样，塑料就成为典型的使用寿命短的物品，其废弃物遍布城乡，形成白色公害。

    近20年来，塑料的人均消费量日益提高，并成为生活质量改善的参数之一。

我国这一参数虽远落后于发达国家，但塑料的应用已普遍，随之废塑料的量也显著增加。

仅北京市，每年扔的塑料袋约23亿个（1．87万t）、一次性塑料餐具2．2亿个（0．132万t），郊区的废薄膜达67．5万m2（0．3万t），数量惊人。

这样，废塑料就随处可见：

城镇郊区的路边，五颜六色的塑料袋比比皆是：

农田里散落的大量废旧农膜碎片，不时在大风中飞舞；学校的教室、宿舍里，办公室、商店的各个角落，遗弃许多塑料器物；铁道、公路沿线两侧，废塑料饭盒满目皆是；城市的垃圾桶内、公园地上、河道水面，甚至树上、架空线上随时可见各种塑料袋、罐、盒。

所有这些都会给人体、动物、农业、水产以及环境、景观、生活和生产带来危害。

    问题一废塑料是怎样危害健康及环境的

    白色污染带来的视觉污染和景观污染是有目共睹的，然而其对人体、动物、农业、航海等各方面造成危害更不容忽视。

    资料1塑料及废塑料的产量

    据有关资料介绍，全世界塑料产量，1979年为6300万t，1992年达1．2亿t.在1992年，我国塑料产量约370万t，1995年为519万t，1996年达1574万t，成为全球十大塑料生产和消费国之一。

各国每年生产的塑料制品有1／3是短期用的一次性用品，如杂品袋、垃圾、堆肥袋、尿布、泡沫聚苯乙烯食品盒，仅1％回收。

据统计，1990年日本产生的废塑料量为480万t，西欧为1140万t，美国1800万t，我国90万t.在北京市生活垃圾日产量1．2万t中废塑料约占3％，年总量14万t；上海市生活垃圾日产量1．1万t中废塑料约占7％，年总量为29万t。

据估测，全世界每年仅向海洋倾倒的塑料垃圾即达50t以上。

据报道，我国北方某中等城市有次组织学生上街打扫卫生，竟从树上摘下4万多个塑料袋。

    随着经济的发展，大型塑料器件如合成橡胶的处置日益成为不可忽视的问题。

其中合成橡胶制造的废轮胎就值得注意。

每年报废的轮胎以与新轮胎制造同步的速率增长。

到1999年世界小轿车产量达4265万辆，而仅1993年澳大利亚报废的轮胎的体积就超过7500万m2，码放起来相当于2000栋长lOOm、宽20m的6层大楼的占地。

废轮胎是昆虫藏身的天堂，在潮湿气候中尤其容易传染各种病菌，对社会公众的健康造成严重威胁。

废轮胎易燃，是重大的火灾隐患。

最近20年来北美大陆就发生了两起近代历史上损失最惨的火灾：

1983年，美国弗吉尼亚州温切斯特市一个放有900万个轮胎的货堆着火，烧了整整8个月；1990年加拿大安大略省哈哥斯维尔市一个存有1400个轮胎的货仓也烧了4周。

燃烧的轮胎产生有害的黑色烟云，排出污染地下水的污油，放出高浓度的有毒气体，造成巨大的环境污染。

    资料2塑料生产及制品对人的危害

    在20世纪60年代中期，人们就发现聚氯乙烯塑料中残存的氯乙烯单体能引起使前指骨溶化，而被称为肢端骨溶解症的怪病。

从事聚氯乙烯塑料生产的工人常会出现手指麻木、刺痛等雷诺氏综合症或叫白蜡症。

长期接触氯乙烯单体后，会出现皮肤硬化问题。

其特点是手指、手腕僵化，失去着力感；颜面浮肿，皮肤变厚失去弹性。

同时还有人出现脾肿大、胃及食道静脉瘤、肝损伤、门静脉压亢进等病变。

从70年代开始，在一些聚氯乙烯生产厂中，发现有人患一种罕见的肝脏血管内瘤即肝癌，虽然尽量控制聚氯乙烯塑料中的单体含量，但问题仍未能彻底解决。

因此，1975年美国首先提出禁用聚氯乙烯塑料包装食品。

    许多塑料化学成分相同但加工方式有异的化学纤维如涤纶、晴纶、氯纶、丙纶等几乎不导电，因摩擦产生的电荷难以在织物表面消失，产生静电效应。

涤棉混纺的衣物，静电压可高达4千伏。

通常人体对2千伏的静电压就会产生电击感（发麻，僵化），虽然电流极小没有危险，但刺激神经、使人感到不舒服而且带来恐惧感。

静电有强吸尘作用，尤其是晴纶毛线衣、涤纶绸长裙、尼龙丝袜等很容易吸附尘土。

这些尘土载有许多病毒、细菌，刺激皮肤，引起皮炎，还分解衣料生成甲醛及酸性物质，导致皮肤过敏，产生湿疹等。

如用上述材料制作工作服，由磨擦产生的静电电火花，甚至可引爆工作场所的汽油、乙醚等易燃物质，也会造成电器的损坏。

    资料3塑料对动物的危害

    动物也受塑料废渣的直接危害。

动物体内无法消化和分解塑料，因此，误食后很快就会引起胃部不适、行动异常、生殖功能障碍，严重者可能由于废塑料影响各种器官，如粘附于气管、肺部，妨碍其正常呼吸而死亡。

1970年到1987年间，人个1调查和解剖了太平洋海域的543只病死的白额鸥等大海鸟，由于它们分不清塑料与海洋浮游生物或海草，竟在其中的458只的胃中发现了塑料品。

其他水产动物也常有类似问题。

    资料4塑料对土壤的危害

    农田中的废农膜，农作物及城市草地上的废塑料袋，不仅影响观瞻而且不利光照，它们还妨碍化肥的灌施和农药的喷洒。

塑料长期残留于土地中后，既会影响土壤透气性、阻碍水分流动和作物根系发育，还会缠绕农机或割草机的转动部件，影响作业。

塑料的碎屑混入土壤中，长期不得降解，会破坏土壤的团粒结构，使毛细管体系紊乱，将导致深层土质劣化，上百年不能恢复，破坏地球生态平衡，进而威胁到人类生存。

    资料5塑料对海洋的污染

    塑料对海洋的污染已成为一个广泛的国际性问题。

除前面已提到的对某些海洋动物的危害外，它们漂浮于海上，常会缠住船只的螺旋桨，损坏船身和机器，引起事故，给航运造成重大损失。

而且，每清除1t海上垃圾（主要是废塑料），其花费为陆地的10倍。

1995年香港为打捞4765t海上废塑料，耗资1200万港元。

目前用聚酰胺等经玻璃纤维增强的塑料制成的中、小型船艇已很普遍，但它们易于老化，一旦报废，就会丢弃在港岸，影响环境卫生和海事业务。

日本每年约有3000只这类船体报废，业已成为沿海一大白色公害。

塑料的简易鉴别

    通常通过外观和燃烧来鉴别各种塑料。

外观鉴别法是指用“看、摸、听、闻、掂”找出塑料的特征，判定其类别；燃烧鉴别法指将塑料在铁板或灯焰下加热，根据其燃烧难易、火焰颜色、燃烧状态产生和气味进行判断。

这些只能作为初步判别。

    1．聚乙烯不加着色剂时，为乳白色透明体，手摸有蜡状滑腻感，质轻柔软，有韧性，易弯曲，能漂于水面；聚乙烯薄膜，用手抖动时声音发脆。

易燃烧，离火后继续燃烧，熔融、滴落，火焰上黄下蓝，有烧蜡烛的气味。

    2．聚氯乙烯硬制品表面坚硬平滑，敲击时带闷音；软制品表面光滑柔软，有弹性，入水下沉。

在50℃的热水中易发软、变形，有时能闻到异味。

不易燃烧，离火后熄灭，燃烧时软化、能拉丝，火焰呈黄色，边缘带绿色，冒白烟，有盐酸的刺激味。

    3．聚苯乙烯无色透明，表面硬，有光泽，制品落地或敲打时，发生类似金属的脆音，外表象玻璃，易摔破；在80℃热水中易软化；易着色，色泽晶亮；易燃烧，离火后继续燃烧，燃烧时软化、起泡，火焰呈橙黄色，有浓黑烟，有特殊苯乙烯气味。

    4．酚醛塑料多为不透明的棕色或黑色固体，表面坚硬，质脆，敲击时发出敲打木刷以的声音；在热水中不溶；燃烧极慢，离火后熄灭，燃烧时膨胀、有裂纹、置黑烟，火焰呈黄色带赤烟，有甲醛的刺激味和焦木味。

  问题二 废塑料“再循环”战略的重要意义何在

    从资源化角度看，废塑料是有巨大利用潜力的。

对于用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等制作的热塑性器件可以在分类、清洗后加热熔融制成新产品。

在理论上，把聚合物解聚成单体是可行的，对有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）已经实现；对于难以解聚的废塑料，也可以将其催化裂解成燃油或燃气。

甚至有人提出，如果将石油先制成塑料，待废弃后再烧，不但可降低原油消耗；而且从作功效率看也很有新意。

“再循环”与“重复利用”

    “再循环”特指回收某类废物将其加工成新产品和这些产品的营销。

    “重复利用”是指废物经简单的净化或恢复后，以同样的方式再利用。

    废塑料的“再循环”有很高的科技含量，包括机械的和化学的两类：

机械再循环和化学再循环。

机械再循环指将废塑料加工成新产品而不改变其化学结构，如热塑性材料的熔融并重新模塑；化学再循环则涉及废塑料分子结构的根本性改变，如废有机玻璃的解聚等。

    资料1废塑料的再循环

     机械再循环指将废塑料通过物理方法转变成新材料，或指将用于新目的的废塑料回收与再加工。

1990年西欧约有100万t废塑料再循环成新材料。

办法是首先将废旧塑料收集、清洗、破碎或撕开，再将其与新鲜树脂原料按合适比例混合，送入标准塑料成型机械中。

也可以将塑料单独再生，例如将它们熔融或用有机溶剂溶解，或粉碎制成颗粒物，再进一步成型。

再生法处理废塑料的工艺路线虽较简便，但在该过程中易发生降解、交联和混入杂质，导致再生制品性能降低。

    为保证废塑料机械再循环制品的功能，常将它们复合化，即制成复合材料，主要用于生产“木材”、混凝土原料及各种土建材料。

例如，将各种颜色的废塑料熔融，与废木材纤维混合挤压制成板材。

据估计，1995年美国由废塑料再循环制得的塑料“木材”，产量达680万t，采用黄砂、碎石为基本原料，加入液态的废料和固化剂，混匀后即得新型混凝土。

用聚苯乙烯或高密聚乙烯废料可加工成降低地表水位的暗沟或防止滑坡塌方的格栅；用废尼龙可制造护坡植草的丝网；用废聚氯乙烯或低密聚乙烯可加工成防漏或保水的地膜：

还可用某些黏性大的废塑料液体制成土筋以加强土的拉力等。

许多废塑料的机械再循环制品还可制造录像带盒、装置支架、杯子托盘、汽车喇叭等。

    化学再循环是指将废塑料通过化学方法转变成产生其它的形式或其他工业原料，也就是用化学法对高聚物进行分子切割及组装。

化学再循环中涉及的主要技术有：

（1）焦化，指油厂高温间歇工艺设备中的重质原料的精炼；

（2）裂解，指炼油厂催化连续工艺设备中的轻质原料的精炼；（3）解聚，用来使废塑料中的大分子催化分解成较短分子分解成某些有用气体；（4）氢化，加氢使废塑料分子结构中的某些键打断和开链，可使化学品增值，是解聚的一条重要途径；（5）水（甲醇、乙二醇）解，在水（或甲醇、乙二醇）存在下，使废塑料分解，其途径与氢化相似，旨在获得单体；（6）溶剂分级，将废塑料混合物分别溶于所选定的溶剂，然后按聚合物类型分离；（7）热解，在无氧或其他保护气氛条件下加热，使废塑料分解成油或气体。

    资料2绝对循环

    绝对循环指将聚合物解聚成单体，或将其转变成初始原料，例如将废塑料提炼成产生它的石油。

从化学理论上讲，这是可以实现的；而从工业实际上看，这是最理想、最合算的办法。

虽然将塑料通过机械及化学再循环加以利用，而不是简单地焚烧或填埋，是一个很大进步，其优越性明显，但仍免不了最终的报废处理，故非尽善尽美。

因此，有人进一步提出，石油在作为燃料烧掉之前，最好都能先制成塑料，经使用报废再回炼成石油。

这样将显著提高石油的使用价值，也进一步改善了其社会效益和经济效益。

对这个返璞归真的梦想，世界各国都在探究。

20世纪80年代能源危机的冲击和环境保护的要求，给废塑料炼油提供了机会与动力。

那些难于解聚的废塑料则可以用来制造燃料，近20年来已取得很大进展。

目前已实现了聚甲基丙烯酸酯有机玻璃的热解和聚酯的甲醇解聚：

    90年代初，英国BP化学公司将废塑料在一个加有合适催化剂的“流化床反应器”中，保持400—600℃下裂解成低分子量的石油烃，再经分馏就得到汽油、煤油、柴油等有用的液体燃料。

他们从每千克废塑料中可得到0．5L汽油和0．5L煤油及柴油，据称，德国的工艺处理每吨废塑料成本仅2．35美元。

有关工艺的关键部分尚处于保密阶段。

    再循环战略在废塑料量大而资源紧缺的西欧国家备受重视，是欧洲塑料制造商协会开展实施的资源优化战略的重要内容。

早在1987年，英国和德国就分别再循环了34万t和18万t废塑料；到1991年17个西欧国家产生的合计1460万t塑料废物中，有110万t或7．4％被再循环。

还要注意到，废塑料的再循环的战略可能与这种废物公众可见性有密切关系。

河面、路边的废塑料盒，树上、电线杆上及空中飘舞的废塑料袋，对执政的水平和城市的形象有政治影响。

    再循环的战略意义还在于它的实施是一项系统工程，它需要在提高全民族环境意识的基础上得到社会公众的配合与支持。

近年来一些国家大力倡导3R运动，即要求做到废塑料的减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle），并在塑料袋上印有3R的图画和保护环境的文字。

毫无疑问，随着人们对废塑料利用的关心和消除白色公害的注意，还会出现许多新的有关设计和构思。

    资料3再循环的实施

    实现再循环的一个关键是废塑料的分类。

例如在催化裂解制油时，用的废塑料中不得含氯、氰等成分，否则将会产生盐酸、氢氰酸等有害物质，腐蚀设备、污染环境。

然而，实际收集到的废塑料制品混杂在一起，很难迅速辨识，给后续处理带来困难。

例如，极性的聚氯乙烯与非极性的烯烃不能《良盱混溶，即或暂时熔炼，制品也很快破裂；有时同一品种不同型号，溶制后强度也显著降低。

为解决这类问题，除前面（再循环战略）提到的行政立法、社会的公众关注与参与外，技术的开发也极为重要。

    废饮料瓶的再循环实施是富有启发性的，它们是用聚酯和高密度聚乙烯为原料制成。

20世纪90年代中期美国塑料回收研究中心投资330万美元开发了一种能回收年产4500t聚酯和高密度聚乙烯的技术，采用破碎、风力分离纸屑和清洗净化胶质及杂质，最后用水介质鼓气泡浮选使聚酯和高密度聚乙烯分离，从而获得很纯的再生塑料资源。

    资料4塑料的标识与分类

    为了加强废塑料的再生利用，目前许多国家采用了统一标识，印制在塑料包装外面，以利于塑料的分类回收和再利用，中国塑料协会也采用这种标识。

    资料5常规废塑料处理造成的二次污染

    废塑料大多与生活垃圾混杂在一起，通过填埋、焚烧等方法进行处理。

然而，目前广泛使用的废塑料的焚烧与填埋造成的二次污染，已经成为白色公害的重要问题。

许多含苯及芳香烃的废塑料，焚烧时燃烧不充分，产生大量黑烟，其中含强致癌物多环芳烃；许多含氯塑料（如聚氯乙烯、氯化聚乙烯）以及存在含氯的染料、颜料，阻燃剂等添加剂的塑料，焚烧时不但释放氯化氢气体，而且会产生目前认为毒性最强的二恶英（dioxine）类物质。

多环芳烃及二恶英不但对人和动物是强致癌和致突变物质，而且它们进入土壤、水体后，至少要在15个月后才能逐渐分解，污染植物和农作物。

因此，用焚烧法处理废塑料排放出的强致癌物引起的环境污染，已经成为全球关注的大问题。

塑料制品使用

    软聚氯乙烯薄膜不能用于盛放食品，特别是热的液体，切忌带油食物。

日常用的塑料茶杯、碗、水壶、奶瓶和包装食品及药剂用的塑料袋，都是用无毒的聚乙烯塑料制成的，可放心使用。

    弄脏了的塑料制品，不宜用肥皂水或碱水洗，应当用冷水和干布擦净，在通风处晾干。

因为肥皂和碱水可使增塑剂受损失，以致塑料制品变硬。

塑料薄膜和软制品不宜曝晒，更不能用沸水烫煮，因为增塑剂会分解或挥发。

    填埋处理塑料废件危害也很大。

通常废塑料都不能被微生物分解，而且迄今尚未发现哪种生物能够产生分解塑料的酶，这样填埋的塑料将长期积存于坑内。

塑料的相对密度小、体积大，填埋不仅占地，而使地绵软难于使用；加之这些废塑料容器中包藏着大量带有细菌、病毒及其他有害物质的生活垃圾，它们不但会使填埋地散发恶臭，还能渗入地下，污染地下水。

我国空地日益紧张，城市不断发展，填埋场地不断减少，因而用填埋废塑料的弊端日益明显，日后必将为他法代替。

  问题三防范白色污染的根本出路是什么

    塑料的发明是20世纪材料科学的重大进展，是人类改造大自然所创造的辉煌成就之一。

虽然白色公害已成为人们的沉重负担，但从20世纪70年代起就开始研制在自然条件下没有污染而又保持原有塑料优点的新材料。

有人认为这是防患白色污染的根本出路。

在这种背景下，可降解塑料应运而生。

然而也有许多人特别是塑料行业的专家认为，如果不能提高公民的环境意识和道德修养，不能杜绝乱扔乱弃的现象，即使使用了可降解塑料，同样会造成严重的视觉污染，因为这种塑料仍需一定的时间才能够分解。

因此，即使这种塑料全面供应，原来的回收、分离，管理及其循环措施仍不可废弃。

    资料可降解塑料

    全世界都瞩目于可降解塑料，日本已将降解塑料与金属材料、无机材料和功能有机材料并列为第四种新材料，并被誉为21世纪的塑料。

美国已生产此类塑料多年，1992年即达38．6万t，并以每年75％的速度增长。

2000年全世界对降解塑料的需求量达100万t以上。

我国也正在研制中，主要有生物降解、光降解、微生物降解、光／生双解和复合降解等多种。

表14-2对当前我国开发的替代产品进行了综合分析比较。

生物降解塑料

    生物降解塑料指在自然条件下能被生物侵蚀或代谢分解的塑料。

    生物降解可分为生物物理作用降解和生物化学作用降解两种过程。

当微生物侵蚀塑料制品后，生物细胞的继续生长使聚合物组分水解、电离或质子化，从而使塑料发生膨胀、裂开等机械性破坏，这就是生物物理降解；真菌或细胞分泌的酶使非水溶性聚合物分解或氧化降解成水溶性碎片，生成新的小分子化合物直至最终分解成二氧化碳和水，这就是生物化学降解。

20世纪70年代初，许多国家就着手研制生物降解塑料，主要途径有：

将常规塑料与天然高聚物混合，如淀粉系列制品，已出现专门生产淀粉基塑料的厂家；直接利用天然高分子，如用豌豆制成的改性淀粉与天然物添加剂制成的塑料，可注塑、挤压成型，用过后埋入土中，数日后即可分解；还有微生物合成法，酶促合成法，均已取得很好成果。

    光降解塑料是指聚合物吸收光后发生光引发键能减弱，长链分裂成较低分子量的碎片，碎片在空气作用下氧化，产生自由基断链反应进一步降解成小分子化合物，最后转化成二氧化碳和水。

目前主要是在聚乙烯链上引入光活性基团或在塑料中加入光降解添加剂。

办法是合成时可利用对紫外线敏感的单体与其他单体共聚；在聚合物链上引入光敏基团；或在塑料加工过程中如溶解或熔融时添加适当光敏剂，使之能在紫外光照射下解聚。

常用的光敏剂有氧化锌与哌啶、苯二甲酸酯与环氧系列增塑剂、铁盐与聚氯乙烯类，也可以是镍、钼、钴等金属的盐。