第一讲概述材料与环境文档格式.docx

1、可见，贵金属元素的环境负荷单位特别大，这与实际情况基本一致。由于单位材料的质量环境负荷单位是一种无量纲单位，在实际应用中如何换算某种材料的环境负荷单位并与其他材料的环境影响进行比较，目前还没有完全为公众了解和接受。4、 单位服务的材料消耗1994年，由德国慢泊塔研究所的斯密特教授提出。单位服务的材料消耗量（materials intensity per unit of service, MIPS），指在某一单位过程中的材料消耗量，这一单位过程可以是生产过程也可以是消费过程。5、 生态指数国外还有一种生态指数表示法（eco-point），即对某一过程或产品，根据其污染物的产生量及其他环境作用大小

2、，综合计算出该产品或过程的生态指数，判断其环境影响程度。例如，根据计算，玻璃的生态指数为148，而在同样条件下，聚乙烯的生态指数为220，由此即认为玻璃的环境影响比聚乙烯要小。由于同环境负荷单位、环境影响因子相同，指数表示法也是无量纲单位表示法。计算新产品或新工艺的环境影响的生态指数是一个很复杂的过程，故目前这些表达法都还不是很通用。6、 生态因子以上环境影响的表达指标都只是计算了材料和产品对环境的影响，在这些影响中并未考虑其使用性能。由此，有些学者综合考虑材料的使用性能和环境性能，提出了生态因子（eco-indictor, ECOI）：主要思路考虑两部分：一部分是材料的环境影响（enviro

3、nmental impact, EI），包括资源、能源的消耗，以及排放的废水、废气、废渣等污染物，加上其他环境影响，如温室效应、区域毒性水平，甚至噪声等因素；另一部分是考虑材料的使用或服务性能（service performance，SP），如强度、韧性、热膨胀系数、电导率、电极电位等力学、物理和化学性能：ECOI=EISP （1-2）式中，ECOI是该材料的生态因子，EI是其环境影响，SP是其使用性能。因此，对某一材料或产品，用式（1-2）来表示其生态因子，在考虑材料的环境影响时，基本上扣除了其使用性能的影响，在较客观的基础上进行材料的环境性能比较。三、 材料的环境影响评价方法与标准最早进行

4、材料的环境影响评价时，往往采用单因子法进行评价。例如：可以测定材料在生产过程中排放的各类污染物的种类及数量，以定量衡量材料制造过程中的环境负荷。而环境问题往往是全球性的、区域性的，单因子很难反映出环境影响的综合效应。 到20世纪90年代初，提出了一个综合的评价方法生命周期评价方法（life cycle assessment，LCA）。LCA方法现已基本为科学工作者所接受，成为全世界通行的材料环境影响评价方法，并已在ISO14000国际环境认证标准中规范化，是标准系列之一。1、 LCA起源20世纪60年代-“物质-能量流平衡方法” 原本是用来计算工艺过程中材料用量的方法。其理论基础是利用能置守恒

5、原理和物质不灭定律，对产品生产和使用过程中的物质或能量的使用和消耗进行平衡计算。80年代-“从摇篮到坟墓”的生命周期评价技术（把“物质能量流平衡方法”引入到工业产品整个寿命周期分析中，以考察工艺过程的各个环节，即从原材料提取、制造、运输与分发、使用、循环回收，直至废弃的整个过程对环境的综合影响，并且逐步在企业中得到了应用。）1990年8月由国际环境毒理学与化学学会（SETAC, Society of Environmental Toxicology and Chemistry）正式给出LCA的定义和规范。国际环境毒理和化学学会是一个非赢利性的学术组织，其目的是促进环境问题上的多学科研究，其30

6、00多个成员来自于不同的学术机构、工商业者和政府部门。SETAC为他们提供了交流和共同研究环境问题的机会。ISO对LCA的标准化有利于LCA方法的统一和实施，促进了LCA的进一步发展。由于ISO的国际影响，以及LCA在ISO 14000标准中所占的地位，经过标准化的LCA方法将会成为评价材料环境影响的重要方法。2、 LCA定义我们可以从LCA的评价对象、方法、应用目的、特点等各个方面去理解LCA的概念、定义，以及该评价方法的内涵。下面给出一个最近的关于LCA的定义。所谓生命周期评价技术（LCA）是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法

7、。具体地说，LCA是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗，废物排放、环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。目的在于寻求改善环境影响和合理利用资源的途径。即从“摇篮”到“坟墓”的整个周期。基本思想是：产品设计应着眼于整个周期过程，以使最终的设计达到环境保护和资源合理利用的目的。3、 实例首先想到的是环境废弃后的自然降解问题；PE袋的生命周期是：原油开采产品制造产品使用产品废弃（产生固体垃圾、废气；一部分可再生循环）；纸制品的生命周期：伐木产品制造产品使用产品废弃（产生固体垃圾、废气； 纸袋的能耗是PE袋的1

8、.52.0倍，PE袋在废弃后所产生的固体垃圾和废气也小于纸袋，且纸袋在废纸再生循环处理时，会产生大量的废水，严重影响了纸类制品的环境协调性。总的来说，PE对环境造成的负荷要低于纸袋。四、 LCA的技术框架及评价过程这一结构也叫SETAC三角形，如图1-1所示，即：编目分析（Inventory analysis）、损害评价（Impact assessment）、改进评价（Improvement assessment）。即由三个顶点（3I）和中心（定义目标和范围）构成。1、 目标和范围确定对某一过程、产品或事件，在开始应用LCA评价其环境影响之前，必须确定其评价目标和评价的定义（goal and

9、scope definition），以界定该过程、产品或事件对环境影响的大小，这是LCA方法应用的起点。需要定义的LCA评价目标主要包括界定评价对象，实施LCA评价的原因，以及评价结果的输出方式。研究范围包括：规定评价边界、选择和优化评价的模型、明确数据的要求、规定审核方法、审核报告的格式与类型等。必须与目标相一致。2、 编目分析定义：是对系统边界内的所有过程中资源的能耗及“三废”排放量对环境负载的影响进行量化的合理分析。核心：是建立以产品功能单位表达的产品系统（评价对象）的输入和输出。根据物质平衡及能量平衡进行正确的调查。数据获得：正式出版的文献或有关论文；各类统计年鉴和报表；有关环境数据手

10、册；国家统计局统计结果；各行业的有关环境统计分析资料等。如图1-2所示，需要收集的输入数据包括资源和能源消耗状况，输出数据则主要考虑具体的系统或过程对环境造成的各种影响，编目分析在LCA价中占有重要的地位，后面的环境影响评价过程就是建立在编目分析的数据基础上的。另外，LCA用户也可以直接从编目分析中得到评价结沦，并做出解释。在编目分析中通常包括以下几个过程或步骤（1）系统和系统边界定义（2）系统内部流程在一个产品的生产流程中通常可以分为主要产品和辅助性产品。例如一个聚乙烯塑料饮料瓶的主要流程如图1-3所示，这个流程图中没有包括辅助性产品如标签、纸箱、粘胶等，但在完整的编目分析中应该包括它们。（

11、3）编目数据的收集与处理 在编目分析中还应注意：分配问题和能源问题。3、 影响评估是对编目分析阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的确定、表征和评价，即确定产品系统的物质和能量交换对其外部环境的影响。步骤（见图1-4）：分类：是将编目条目与环境损害种类相联系并分组排列的过程，它是一个定性的、基于自然科学知识的过程。在LCA中将环境损害分为3类，即资源消耗、人体健康和生态环境影响。然后又细分为许多具体的环境损害种类，如全球变暖、酸雨、臭氧层减少、沙漠化、富营养化，等等。一种编目条目可能与一种或多种具体的环境损害有关。表征；归一化；评价4、 评估结果分析是在清单分析和影响评价基础上，系统地评估产

12、品、工艺过程或活动的整个生命周期内削减能源、原材料的使用和减少废物排放的机会及可能采取的措施。例如，同样是污水排放和处理，有的有机物含量高，有的有害金属离子含量高，有的需采用氧化法处理，有的需采用还原法处理，不可能采用同一种工艺或同一种方法来处理所有的废水。鉴于此原因，1997年，国际ISO组织在LCA标准中去掉了环境改善评价这一步骤，但这并不是否定LCA在环境改善中的作用。材料的环境影响评价-2主要内容：常用的LCA评价模型LCA应用举例LCA的局限性材料的环境性能数据库一、常用的LCA评价模型在LCA评价过程中，常需要用到一定的数学模型和数学方法，简称LCA评价模型。目前为止，关于LCA评

13、价模型可分为精确方法和近似方法，前者有输入输出法，后者有线性规划法、层次分析法等。1、输入输出法这是一种最简单，也是最常用的LCA评价模型，如图1-5所示。在评价过程中仅考虑系统的输入和输出量，从而定量计算出该系统对环境所产生的影响。系统的输入量主要包括整个过程完成所需要的能源和资源的消耗量，如煤、石油、天然气、电力及原料投入等，需要输入定量的数据。系统的输出首先是该系统的有效产品，然后是该系统在生产和使用过程中产生的废弃物排放量，也包括该系统完成过程中对生态环境产生的人体健康影响、温室气体效应、区域毒性影响，以及光、声、电磁污染等影响。一般情况下，输出量也是定量的数据。其缺点是输入输出的指标

14、数据分类较细，不能对环境影响进行综合评价。2、线性规划法线性规划法是一种常用的系统分析方法，其原理是在一定约束条件下寻求目标函数的极值问题。当约束条件和目标函数都属线性问题时，该系统分析方法即被称为线性规划法，在环境影响评价过程中，无论是资源和能源消耗，还是污染物排放以及其他环境影响如温室效应等。一般情况下都在线性范围内，可以用线性规划法对系统的环境影响进行定量分析。例如，一个系统的环境影响因素用线性规划方法可以被定义为如下数学模型：（1-3）由式1-3可见，环境影响因子和这些因子在各个阶段的环境影响数据组成了一个矩阵序列，通过求解矩阵，最后可得到各因子的环境影响评价结果。线性规划法是一种评价

15、和管理产品系统环境性能的常用方法。它不仅可以解决环境负荷的分配问题，而且对环境性能优化也能进行定量的分析。由于LCA方法是探讨人类行为和环境负荷之间的一些线性关系，故线性规划法可以定量地应用于各种领域的环境影响评价。3、层次分析法多准则决策方法（analytic hierarchy process, AHP）AHP方法的具体过程是根据问题的性质以及要达到的目标，把复杂的环境问题分解为不同的组合因素，并按各因素之间的隶属关系和相互关系程度分组，形成一个不相交的层次，上一层次对相邻的下一层次的全部或部分元素起着支配作用，从而形成一个自上而下的逐层支配关系。图1-6是一个典型的层次结构示意图。由图可

16、见，层次分析法的结构可分为目标层。准则层和方案层，其中目标层可作为LCA的评价目标并为范围定义服务，相当于环境影响因子，准则层在LCA应用中可作为数据层，不同的环境影响因子在系统各个阶段有不同的数据；最后的方案层则对应着环境影响的评价结果。除以上介绍的几种常用模型外，还有模糊数学分析法，逆矩阵法等也常用于LCA分析。图1-6 层次分析法示意图二、LCA应用举例1、实例1我国是世界上最大的建材生产国。从资源的消耗到环境的损害，建材行业一直是污染较严重的产业。为考察建材生产过程对环境的影响用LCA方法评价了某建筑瓷砖生产过程对环境的影响。该瓷砖生产线的年产量为30万m2，采用连续性流水线生产。所需

17、原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等，消耗一定的燃料、电力产水，排放出一定的废气、废水、废渣。在LCA实施过程中，首先是目标定义。对该瓷砖生产过程的环境影响评价的目标定义为只考察其生产过程对环境的影响；范围界定在直接原料消耗相直接废物排放，不考虑原料的生产加工过程以及废水、废渣的再处理过程。对该瓷砖生产过程的环境影响LCA评价的编目分析，主要按资源和能源消耗、各种废弃物排放及其引起的直接环境影响进行数据分类、编目。如能耗可分为加热、照明、取暖等过程进行编目；资源消耗则按原料配比进行数据分类，污染物排放按废气、废水、废渣等进行编目分析。由于该生产过程排放的有害废气量很小，主要是

18、二氧化碳，故废气排放量可以忽略，而以温室效应指标进行数据编目。另外，在该瓷砖生产过程中其他环境影响指标如人体健康、区域毒性、噪声等也很小，因此在编目分析中也忽略不计。在环境影响评价过程中采用了输入输出法模型，其输入和输出参数见图1-7所示。其中输入参数有能源和原料，输出参数包括产品、废水、废渣，以及由二氧化碳排放引起的全球温室效应。通过输入输出法计算，得到该瓷砖生产过程对环境的影响结果见图1-8，其中图1-8（a）为能源和资源的消耗情况，图1-8（b）为对环境的影响。由图可见，该瓷砖生产过程的能耗和水的消耗较大。由于采用钢渣为主要原料，这是炼钢过程排放的固态废弃物，因此在资源消耗方面属于再循环

19、利用，这对保护环境是有利的生产工艺。另外，该工艺过程的废渣排放量较小，仅为0.5kg/m2。废水的排放量为30kg/m2，且可以循环再利用。相对而言，该工艺过程的温室气体效应较大，生产1m2瓷砖要向大气层排放19.8kg二氧化碳因此，年产量为30万m2的瓷砖向空中排放的二氧化碳总量是相当可观的。对LCA评价结果的解释，除上述的环境影响数据外，通过对该瓷砖生产过程的LCA评价，提出的改进工艺主要有降低能耗、降低废水排放量、减少温室气体效应影响等。2、实例2 这里介绍用层次分析法评价铁、铝和高密度聚乙烯等三种常用材料在使用过程中的环境影响。前已介绍过层次分析法（AHP）的基本原理。定义一个环境指数

20、为LCA的评价目标，如式1-4所示。评价范围界定为材料的使用过程对环境的影响。如图1-6所示，将目标层、准则层及方案层构造完毕后，按照LCA原理，可以进行环境影响评价的编目分析。由于是评价材料在使用过程中的环境影响，除考虑被评价材料的环境因素如能耗，资源消耗，温室效应，人体健康影响，排放的废气、废水及固态废弃物外，还应考虑材料的使用性能如拉伸强度、线膨胀系数、比热、电导及电极电位等，详细见图1-13的编目分析示意图。图中目标层为环境指数，准则层为环境影响及材料性能，方案层为具体的各种指标。收集编目分析的各种具体数据，可构造如式（1-5）及式（1-6）两个矩阵。解矩阵式（1-5）及式（1-6），

21、得到三种材料环境影响及性能指标的AHP分析结果，见表1-5。显然，从环境指数来看，这三种材料在使用过程中，高密度聚乙烯的环境影响最小，铁的环境影响也比较小，铝的环境影响最大。这个结果与用输入输出法评价的同样三种材料的环境影响趋势是一致的。由以上介绍可见，LCA对评价材料的环境影响是一种有效的定量的方法、工具及手段。 另外，LCA评价是建立在整个寿命循环的概念和环境编目数据的基础上，亦即“从摇篮到坟墓”的全程分析，可以系统地、充分地阐述与系统相关的环境影响，进而寻找环境改善的时机和途径，体现了环境保护由简单粗放向复杂精细发展的趋势。三、LCA的局限性1、应用范围的局限性作为一种环境管理工具，LC

22、A并不总是适用所有的环境影响评价。例如，LCA只评价产品、事件及活动对环境的影响，亦即只考虑生态环境、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响因素，不涉及技术、经济或社会效果方面的评价，也不考虑诸如质量、性能、成本、利润、公众形象等影响因素。所以在决策过程中，不可能依赖LCA方法解决所有的问题，必须结合其他方面的影响因素进行综合评价。2、评估范围的局限性LCA的评价过程中有一个范围定义，在实践中这个范围定义往往使LCA的评价结果发生一些误差。LCA评价范围一般包括时间、地域及风险范围等。无论LCA中的原始数据还是评价结果都存在时间和地域上的限制。一般地，LCA评价对象的周期越长，相应地，其环境影响

23、越小。因为污染物的排放量一定时，时间越长，单位时间内的排放鼍越小。相反，评价对象的周期越短，在相同环境负荷条件下，其环境影响越大，因为单位时间内的排放量增加了。除时间范围外，LCA应用过程中的地域范围定义电有一些局限性。一般情况下，地域范围定义越大，从评价结果看，环境影响越小。当污染物总量一定时，地域范围越大，单位空间内的污染物徘放量越小，反之亦然。除时间和地域范围的影响外，LCA评价还有风险范围界定的局限性。对未来的、不可知的环境风险在LCA应用中无法定量描述，从而产生了LCA的风险范围局限性。3、评估方法的局限性 LCA的评价方法既包括了客观因素，也包括主观因素；标准化方面；事实上，由于环

24、境问题的复杂性，在LCA的每个环节上实现完全的标准化是不可能的。五、 材料的环境性能数据库从LCA评价过程可知，用LCA评价环境影响主要是一个数据处理的过程。显然，用计算机进行评价可以进行批量处理和重复处理，具有明显的优势。 大量的事例表明，在评价环境影响时，数据的收集和编目分析对评价结果有重要影响。另外，为了使评价结果具有可比性相互换性，需要有一定量的数据积累和比较方法。由此产生了对材料的环境性能数据库和LCA评价软件的需求。1、建立材料性能数据库的基本原则（1）建立的数据库要有一定的通用性，能够在一般情况下被不同领域、不同类型、不同行业以及不同层次的用户兼容和使用：（2）所建立的材料环境性

25、能数据库要具有可比性。即不同国家、不同地区的数据库对同一类材料在相同条件下可以进行比较，以判断不同地区的材料在生产和使用过程中对环境影响的大小；（3）所建立的材料环境性能数据库应具有服务性的功能，能够为用户所面临的环境问题提供决策信息咨询服务，使所建立的数据库具有可持续发展的可能性。（4）所建立的材料环境性能数据库要具有预测性的功能，以使新研制的材料在环境性能方面有所改善和提高，为材料的生态设计提供可靠的依据和手段。2、常用环境数据库介绍图1-14是一个材料的环境影响数据库框架结构示意图。可见该数据库包括两大部分，一部分是LCA评价软件，由数据输入、评价、输出、打印等组成，各种LCA的数学物理

26、评价模型也在其中，如输入输出法、线性规划法及层次分析法等；另一部分是材料的环境性能数据，包括表面处理工艺流程、涂料、建材、稀土以及其他各种材料的环境影响数据。不同材料具有不同流程，同一材料也有不同生产工艺，其环境影响性也有不同，通用数据库必须包含不同材料、不同性能、不同环境影响等。如何合理制定数据库框架，编制数据库软件是一个基本问题。国际上，目前提出了一种统一的编目数据格式SPOLD格式，还建立了一个SPOLD数据库网络。数据按照各自的功能定义组织为数据集，在数据集中包含陴多的数据字段，记录了对评估系统的描述、系统的输入输出，以及数据的来源和有效性等方面的内容。用户可以通过查询SPOLD数据目

27、录，找到需要的数据集，并自动向数据提供者发出数据下载请求。而数据提供者可以用口令的方式限制用户对一个或多个数据集的访问，其网址为: http：/www.spold.org。我国材料环境影响数据库研究始于90年代中期，如清华大学建立的涂料及表面材料环境影响数据库重庆大学莲立的金属材料环境影响数据库等。在国家863项目的支持下，由国内几个单位联合开展材料的环境影响评价技术研究的课题，其中一项任务是建立一个材料的环境性能数据库框架，该数据库框架包括了钢铁、有色金属、陶瓷、建材、高分子塑料、橡胶、涂料、耐火材料等材料的环境性能数据。现该数据库已基本建成，正逐步完善充实，对推动我国环境材料的研究具有重要

28、意义。1.2 材料的生态设计一、材料设计的基本概念（1）、可持续发展文明是人类在改造世界活动中所创造的物质成果和精神成果的总和。在历史长河中，人类创造了无与伦比的文明。进入20世纪以来，暴露出来的一系列生态环境问题表明：人类破坏其赖以生存的自然环境的历史可能同人类文明史一样。表1-1总结了20世纪全球十大环境问题。可见无论是大气污染、水污染、水土流失、土地荒漠化等，各种各样的环境问题几乎都是人类文明进程中的伴生物。表1-2给出了人类文明发展几个阶段的梗概。在狩猎文明时期，生产力水平很低，人类对自然的破坏较小，进入农业文明后，人类已经能够利用自身的力量去改造自然，但对自然的破坏作用尚未达到造成全

29、球环境问题的程度。18世纪的工业革命使一部分人自认为已经能够彻底摆脱自然的束缚，征服大自然把自然环境同人类社会分割开来。直到威胁人类生存和发展的环境问题不断地在全球显现，人类终于认识到，环境问题也是一个涉及到人类社会文明的问题，也是一个发展的问题，必须善待自然，走可持续发展之路。人类要发展，发展是有限度的。解决经济发展和环境保护之间的矛盾，唯一可供选择的是走可持续发展之路。过去我们关心的是发展给环境带来的影响。现在是如何把生态与经济紧密联系起来，互为因果，以较低的资源消耗和环境代价获取较高的经济发展水平走可持续发展的道路，是世界和中国未来长期的发展目标。关于可持续发展的定义，不同领域有不同的理解。政治学认为，既满足当代人的需求又不危及后代人满足其需求的发展称为可持续发展；环境学认为，在生存不超过生态系统容纳能力