资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,QINGDAO UNIVERSITY,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物质材料,第一章 绪 论,1/128,同学们，上课啦！,Are You Ready?,2/128,1.1 环境、资源与材料,1.1.1 环境,环境：,指与人类亲密相关、影响人类生活和生产活动各种自然（包含人工干预下形成）力量或作用总和。分为自然环境和社会环境。,自然环境,：由水、土、气、矿藏、热、动物、植物、微生物等各种自然要素组成，主要包含大气环境、水环境、土壤环境、地质环境、生态环境等；,社会环境,：人类与自然要素在长久共处所产生各种依存关系。主要包含居住环境、生产环境、文化环境、交通环境等。,3,3/128,环境对人类功效主要表现在两方面：,首先，它是人类生存与发展终极物质起源；,4,4/128,另首先，它承受着人类活动产生废弃物和各种作用结果。,5,5/128,全球十大环境问题,全球气候变暖,极地冰川融化，海平面每10年将升高6厘米，使一些海岸地域被淹没。,影响降雨和大气环流改变，使气候反常，易造成旱涝灾害,6,6/128,臭氧层耗损与破坏,紫外线辐射能破坏生物蛋白质和基因物质脱氧核糖核酸，造成细胞死亡；使人类皮肤癌发病率增高；伤害眼睛，造成白内障而使眼睛失明；抑制植物如大豆、瓜类、蔬菜等生长，并穿透10米深水层，杀死浮游生物和微生物，从而危及水中生物食物链和自由氧起源，影响生态平衡和水体自净能力。,7,7/128,生物多样性降低,每年最少有5万种生物物种灭绝，平均天天灭绝物种达140个,8,8/128,酸雨蔓延,酸雨是指大气降水中酸碱度（pH值）低于5.6雨、雪或其它形式降水,水中生物生活,土地质量,建筑物（尤其是古迹）,9,9/128,森林锐减,森林正以每年4000平方公里速度消失。森林降低使其涵养水源功效受到破坏，造成了物种降低和水土流失，还加剧了温室效应,10,10/128,土地荒漠化,全球陆地面积占60%，其中沙漠和沙漠化面积29%。每年有600万公顷土地变成沙漠。经济损失每年423亿美元。,11,11/128,大气污染,大气污染主要因子为悬浮颗粒物、CO、O,3,、CO,2,、氮氧化物、铅等。大气污染造成每年有30-70万人因烟尘污染提前死亡，2500万儿童患慢性喉炎，400-700万农村妇女儿童受害。,12,12/128,水污染,如此水还是生命之源吗？,水是我们日常最需要，也上接触最多物质之一，然而就是水如今也成了危险品,13,13/128,海洋污染,赤潮,石油泄漏,14,14/128,危险性废物越境转移,危险性废物是指除放射性废物以外，含有化学活性或毒性、爆炸性、腐蚀性和其它对人类生存环境存在有害特征废物。,15,15/128,面对未来地球，我们真值得迷茫.,我们地球在几千万年进化中一直保持着漂亮面貌，可现在，人类“掌管”地球才这么短时间，他就满面疮痍,16,16/128,17,17/128,18,18/128,1.1.2 资源,一、定义,广义资源,：指人类生存发展和享受所需要一切物质和非物质要素。,既包含一切为人类所需要,自然物,，如阳光、空气、水、矿产、土壤、植物及动物等等，也包含,以人类劳动产品形式,出现一切有用物，如各种房屋、设备、其它消费性商品及生产资料性商品，还包含信息、知识和技术、人类本身体力和智力等无形资财。,19,19/128,狭义资源,：仅指自然资源,联合国环境规划署（UNEP）资源定义：,“,所谓自然资源，是指在一定时间、地点条件下能够产生经济价值、以提升人类当前和未来福利自然环境原因和条件总称,”。,包含太阳能、土地、水、大气、岩石、矿物、森林、草地、矿产、海洋、生态系统环境机能、地球物理化学循环机能等。,20,20/128,1.可耗竭资源,定义：在任何对人类有意义时间范围内，资源质量保持不变，资源蕴藏量不再增加资源称为可耗竭资源。,二、自然资源分类,21,21/128,(1)可回收可耗竭资源,资源产品效用丧失后，大部分物质还能够回收利用可耗竭资源称为,可回收可耗竭资源,。,主要指金属等矿产资源，比如汽车报废后，汽车上废铁能够回收利用。,资源可回收利用程度是由经济条件所决定。只有,当资源回收利用成本低于新资源开采成本,时，回收利用才有可能。,影响可耗竭资源开采量原因有两个：,价格原因和技术进步,。,22,22/128,(1)可回收可耗竭资源,可回收可耗竭资源最终仍无法逃脱被耗竭命运，但耗竭速率是可变，它取决于市场需求、资源产品耐用性和回收利用该产品程度。,需要强调是：可回收可耗竭资源不可能,100%地循环利用,。依据化学热力学第二定律，“在一个封闭系统内，无限内循环是不可能”。,23,23/128,(2)不可回收可耗竭资源,使用过程不可逆，且使用之后不能恢复原状可耗竭资源称为,不可回收可耗竭资源,。,其主要指煤、石油、天然气等能源资源，这类资源被使用后就被消耗掉了。,因为不可回收可耗竭资源使用过程不可逆性，决定了使用机会只有一次。,24,24/128,2.可更新/可再生资源,能够经过自然力以某一增加率保持或增加蕴藏量自然资源是可更新资源。,比如太阳能、大气、森林、鱼类、农作物以及各种野生动植物等。,25,25/128,(1)可更新商品性资源,财产权能够确定，能够被私人全部和享用，并能在市场上进行交易可更新资源是可更新商品性资源。,比如，私人土地上农作物、森林等。,26,26/128,(2)可更新公共物品资源,不为任何特定个人全部，不过却能为任何人所享用可更新资源是可更新公共物品资源。如,公海鱼类资源、物种、空气,等。,特征：消费含有,不可分性或无竞争性,，是指某人对某物品消费完全不会降低或干扰他人对同一物品消费；再是消费,无排他性,，指不能阻止任何人无偿消费该物品。,27,27/128,公共物品可更新资源非专有性,属于公共物品可更新资源是非专有，非专有性是,财产权一个减弱,，它将造成低效率。,这种配制结果是可更新资源,过分开发,，以及在管理、保护和提升生产能力方面投资不足。,28,28/128,三、自然资源蕴藏量,1 已探明储量,已探明储量是利用现有技术条件、资源位置、数量和质量能够得到明确证实储量。又分为：,（1）,采储量,：为在当前经济技术水平下有开采价值资源。,（2）,待开采储量,：定义为储量虽已探明，但因为经济技术条件限制，尚不具备开采价值资源。,29,29/128,30,30/128,2.未探明储量,未探明储量是指当前还未探明但能够依据科学理论推测其存在或应该存在资源，分为：,（1）,测存在储量,：能够依据现有科学理论推测其存在资源。,（2）,应该存在资源,：今后因为科学发展能够推测其存在资源。,31,31/128,3.蕴藏量,资源蕴藏量,等于,已探明储量与未探明储量之和,，是指地球上全部资源储量总和。,因为价格与资源蕴藏量大小无关，所以蕴藏量是一个物质概念而非经济概念。对于可耗竭资源来说，蕴藏量是绝对降低；对于可更新资源来说，蕴藏量是一个可变量。这个概念之所以主要，是因为它代表着地球上全部有用资源,最高极限,。,32,32/128,4.三个主要物质循环,自然界内处于千变万化中物质欲维持质量,能量守恒,，只有经过物质循环来实现。,一旦物质循环程序局部发生故障，即发生环境污染，则整个自然系统就要遭到破坏。,其中,碳循环,、,氮循环,、,氧循环,是三个最主要循环。,33,33/128,(1)碳循环,：,碳是组成有机物质中心元素和组成地壳岩石及矿物燃料（煤和石油）主要成份，也是组成各种材料，比如钢铁材料、高分子材料或陶瓷材料基本元素之一。,碳在钢铁中以间隙原子形式和化合物形式存在，是钢铁材料一个主要化学元素和强化元素。,34,34/128,(1)碳循环,：,在自然环境内，碳循环主要是经过二氧化碳来进行。由动物呼吸或矿物燃料燃烧生成二氧化碳并放出热量。在生物圈中二氧化碳循环（亦组成氧循环一部分）主要表现在光合反应中。,反应：6CO,2,+6H,2,O+2822JC,6,H,12,O,6,+6O,2,35,35/128,(1)碳循环,：,碳循环始于CO,2,经绿色植物光合作用固定，以各种碳化物形式储存，经过营养级传递、分解，有一部分经过动植物呼吸作用及动植物尸残体分解转变为CO,2,，回归到大气中去；另一部分转入土壤或地下深层，经过漫长演化转变成矿物。,因为矿物燃料燃烧，人类已经在全球尺度上影响CO,2,生物地球化学循环,，每年排放到大气中CO,2,总量与日俱增，造成了地球表面热量不停积累，破坏了原来热量平衡，形成“温室效应”。,36,36/128,北京大学环境学院,(1)碳循环,：,37,37/128,(2)氮循环,氮是组成蛋白质主要元素，而全部生物体内均含有,蛋白质,，所以氮循环包括到自然界各个领域。,氮在材料工业中也起着主要作用。比如氮在铁中以间隙原子形式和化合物形式存在，是钢铁材料中一个主要强化元素。同时氮还是金属基复合材料一个强化相组成元素，如AlN，TiN 等等。,38,38/128,(2)氮循环,氮与碳不一样，氮是一个变价元素，它有各种价态，如：+5，+3，+1，-1，-3等。这使得氮循环经过各种价态化合物组成复杂路径。,39,39/128,(2)氮循环,尽管大气圈中分子态氮N,2,约占大气组成79%（v/v），不过,分子态氮,对于生命是无效。,只有经过各种反应将N,2,转化成其它形态后，氮才能显示出生命活力。所以，氮与人类生存亲密相关。,40,40/128,(2)氮循环,在生物圈中氮循环基本模式是,植物吸收N,2,经生物固氮作用,形成硝酸盐、亚硝酸盐、氨、氨基酸，进而合成蛋白质和核酸，并和其它化合物深入合成为植物有机体。,除生物固氮以外，闪电和宇宙射线也能使氮被氧化成硝酸盐。,食物链中组员分解产物、排泄物在细菌作用下转变成氨，亚硝化细菌把氨转化为亚硝酸盐，硝化细菌又深入将亚硝酸盐转化为硝酸盐，在循环末端，反硝化细菌把硝酸盐转变为分子态氮，又重新返回大气。,41,41/128,(2)氮循环,在自然界中，氮化合物倾向于,还原状态,，经常存在于和氢化合物质中，而较少存在于氧化状态。,然而因为工业生产和人为原因带进环境中氮几乎都是氧,化状态,，如NO，N,2,O等。,42,42/128,(2)氮循环,保持环境中,氮氧化物,低浓度，对于自然界平衡和生态系统安全是非常主要。,因为矿物燃料燃烧及工业生产活动强度日益剧增，使氮循环受到了严重干扰。,当前，大气中NO,2,以每年0.20.3%速度增加，NO,2,净增量每年到达了410,12,mol。,43,43/128,(2)氮循环,44,44/128,(2)氮循环,氮在自然循环中不平衡，将给生态系统带来极其严重恶果。首先是因,硝酸盐过量,而污染天然水体，造成水体富营养化，藻类过量繁殖。,其次是硝酸盐对人类和动物生存潜在危害。硝酸盐被人或动物摄取后，在细菌作用下可能转化为,亚硝酸盐,。而亚硝酸盐除了能同血液中红血球结合而破坏血液输氧能力之外，还会同食物中一些有机化合物起反应生成,有致癌作用,亚硝胺化合物。,气态氮氧化物几乎都是剧毒性物质，在太阳辐射下还会与碳氢化物反应形成,光化学烟雾,。,45,45/128,(3)氧循环,正是因为氧在自然界中有巨大含量及其活泼性特征，致使环境中无处无氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中循环是非常复杂。,在前面所述两种循环中都有氧参加，也组成了氧循环一部分。,46,46/128,氧循环,47,47/128,氧循环,在自然界中参加上述循环碳、氮、氧实际上仅为其总量几分之一，而大部分则储存在各自,“储库,”之中。比如海洋是H,2,O总储库，地壳岩石为C和O总储库，大气则为氮总储库。,因为参加循环物质量相对其总量而言是极少，所以各种物质循环一周所需时间很长。且因为各类物质总储存量不一样，它们循环周期长短差异也很显著。,48,48/128,氧循环,据预计，水、氧和二氧化碳在四个圈层中循环情况是：,全部地球上水被植物光合作用所分解，到再次因为动植物细胞生物氧化而生成，约需时间,200万年,。,在此过程中产生氧进入大气并约在,年内进行再循环。,CO,2,为动植物细胞所呼出并进入大气中，平均停留,300年,，再被植物细胞固定。,49,49/128,北京大学环境学院,水、氧和二氧化碳循环,50,50/128,五、我国资源情况,1、水资源情况：,水资源总量位居世界第6位。但人均淡水资源量只是世界人均占有量,1/4,。,当前有,16,个省、自治区、直辖市人均水资源拥有量低于国际公认,1700m,3,用水担心线。,10,个低于,500m,3,严重缺水线,。,51,51/128,52,52/128,2、耕地资源情况：,耕地资源总量18.51亿亩,居世界第4位。,但人均耕地面积不到世界平均水平,40%,。,在多个县（市）中，当前有,600,多个县（市）人均耕地面积在世界公认人均耕地警戒线,0.8,亩以下。,53,53/128,54,54/128,3,、主要矿产资源情况：,已发觉,171,种矿产资源,总量约占世界,12%,，仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位。,但人均占有量仅为世界平均水平,58%,居世界第,53,位。其中：,铁矿石,9%,铜矿,5%,铝土矿,2%,55,55/128,4,、能源资源情况：,能源资源探明储量中，,90%,以上是煤炭,。,人均储量为世界平均水平，,煤炭,79,石油,11%,天然气,4.5%,56,56/128,每百万美元,GNP,能耗,国别 能耗（,TOE,）相对百分比,日本,150 1,美国,391 2.6,欧洲,287 1.9,前苏联,563 3.8,中国,1,763 11.7,57,57/128,5,、我国矿产资源特点,人均矿产资源,占有量低,，主要有色金属储量人均占有量不到世界平均水平,1/2,。,矿产资源质量差异悬殊,、,低质资源比重大,。,呆滞矿产资源多、,开发难度,大。,58,58/128,6,、我国矿产资源利用情况,（,1,）矿产资源,消耗大,。水泥、陶瓷、钢铁产量均为世界第一。,（,2,）矿产资源综合,利用率低,，如有色金属综合利用率只有,30-35%,，国外先进水平为,70%,。,（,3,）二次资源开发利用,技术落后,，如再生铅百分比仅为国外,50%,。矿产资源总回收率为,30,50,，比世界平均水平低,10,20,；,（,4,）矿产资源,浪费严重,。,（,5,）矿产资源不能确保经济、社会可连续发展。,基本特征人均资源少、资源消耗大、利用率低、浪费严重。,59,59/128,对我国材料工业产生重大影响矿产资源供需情况分析,石油：,1993,年已成为石油净进口国。,铁：,富铁矿石供不应求，铁矿进口量逐年攀升。,铜：,供需矛盾十分尖锐。地处偏远或品位低，开发,难度大，短期内难以满足国内需求。,钾盐：,长久依靠进口。,锰矿：,绝大部分是低品位难选碳酸锰铁矿。,铬铁矿：,资源严重不足，主要依靠进口,煤：,资源充分，但统计中有不少非经济可开采。,60,60/128,7,、存在主要问题,与中国人口数量、科技水平、财力情况等社会经济条件相联络，中国资源情况不容乐观。,我国自然资源地域分布不平衡，影响了资源利用与生产力匹配。,矿产资源相对不足和高强度消耗，将严重制约中国经济和社会健康发展。,61,61/128,我国材料产业发展对资源消耗,资源产出率低,我国,GDP,约占世界,4,，但主要资源消耗占世界比重却很高。消耗每吨标准煤实现,GDP,为世界平均水平,30,。,资源利用率低,我国能源转换效率、单位,GDP,能耗、单位能源效率、主要耗能设备能源效率等几个指标与世界水平相差甚远。,62,62/128,资源综合利用水平低,我国矿产资源总回收率为,30%,，比国外先进水平低,20,个百分点。共生、伴生矿资源综合利用率为,35,左右。,我国铜、铅、锌伴生金属冶炼回收率为,50,左右，而发达国家平均水平在,80,以上。,再生资源回收利用率低,再生铜产量约占铜产量,22,，而世界平均水平为,37,；,再生铝产量占铝产量,21,，而世界平均水平为,40,。,63,63/128,我国资源储量与实际需求存在矛盾,水资源,我国淡水资源人均占有量仅为世界人均水平,1/4,土地资源,我国土地资源人均占有量仅为世界人均水平,1/3,森林资源,我国森林蓄积量仅为世界人均蓄积量,1/8,矿产资源,铁矿石、铜矿、铝土矿人均储量分别为世界人均水平,9%,、,5%,、,2%,。,45,种主要矿产资源储量对消费需求确保程度十分严峻,年,可确保消费需求矿产,21,种,，其它,24,种矿产难以确保；,年,可确保需求矿产,仅为,9,种,，其它,36,种矿产难以确保。,64,64/128,1.1.3 材料,一、定义,材料,：指含有一定结构、组分和性能，含有一定用途物质。,是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品那些物质。,65,65/128,材料,推进着人类文明进步,严重威胁人类生存自然环境,66,66/128,材料流,经典材料生产、使用、废弃过程示意图,67,67/128,以钢铁材料为例，经过采选、储运、炼铁等步骤，最终平均,8吨,矿石可炼成1吨钢。,再经过轧制、车、钳、刨、铣等金属加工，最终得到约,700千克,金属制品。,这些金属制品按质量计算，能被有效使用不到,500千克,。即使这些被有效使用金属制品，也有一定服役寿命，最终都被废弃而排放进入环境，由环境来负担吸收、消纳和分解任务。,68,68/128,二、我国材料产业能源消耗,主要材料产品能耗占全国工业总能耗,40%,，全国工业部门中,黑色冶金、化学原料工业及建材工业,位居综合能源消耗,前三位,。,我国材料工业能耗大大高于国外先进水平。,我国水泥吨熟料平均烧成热耗比国外约高,45%,左右。,69,69/128,我国材料产业发展对能源消耗,年主要材料能源消耗,材料种类,能源消耗,/,万吨标准煤 占工业总能耗百分比,/%,矿品采选业,13251.5 8.38,化学原料及制品制造业,22494.07 14.23,化学纤维制造业,1342.0 0.85,非金属矿物制造业,18849.94 11.93,黑色金属冶炼及加工业,35988.23 22.77,有色金属冶炼及加工业,7188.69 4.55,金属制品业,2220.38 1.40,累计,103861.0 65.71,工业总能耗,158058.37,70,70/128,我国材料产业发展对能源消耗,我国单位产品能耗高。总体上主要耗能产品能耗水平比国际先进水平高出,20,40%,；,我国发电厂供电煤耗比世界先进水平高,20%,左右，每吨钢可比能耗比国际先进水平高,47.3,，每吨水泥熟料燃料比国际先进水平高,58.1%,。,我国能源系统总效率与上世纪,90,年代发达国家相比低,10-20,个百分点。,71,71/128,我国能源储量与实际需求存在矛盾,中国能源资源居世界第三位，但已探明煤炭储量仅占世界探明总量,11%,，原油占,3%,，天然气占,1%,，能源总量不到全世界,10%,。石油和天然气人均储量分别占世界人均水平,1.8%,和,0.2%,；,据教授预测，到,年中国石油对外依存度高达,45%49%,；,到,年，形势更为严峻，对外依存度将上升到,60%66%,。,72,72/128,三、我国材料工业面临环境问题,材料工业废气排放量占全国排放总量,77.2%,，固体废弃物占,93.1%,，工业废水占,58.6%,。,钢铁工业位于污染排放第,2,位，全国水泥工业产生粉尘造成城镇严重污染，有色金属生产中造成尾矿和废渣为主工业固体废弃物每年超出,6000,万吨,，生产过程中排放二氧化碳、氟化氢、砷等废气，是有毒气体主要源头之一。,材料工业生产对我国城镇环境质量组成了很大威胁。,73,73/128,我国,SO2,、,NOx,排放量超出,3000,万,t/a,，,30%,以上国土面积遭受酸雨污染，全国酸雨造成损失超出,1000,亿元,/a,；,中国工业废渣累计堆存量已超出,70,亿,吨，占地,5.5,万公顷,（其中占用农田,3700,公顷）。这么不但占用了宝贵土地资源，而且对空气、地表水和地下水造成严重污染。,74,74/128,我国材料产业发展对环境影响,材料种类,工业废水,/,万吨 工业废气,/,亿立米 固体废物产生量,/,万吨,矿品采选业,116741 5725 48714,化学原料及制品制造业,339052 15887 9233,化学纤维制造业,48516 2886 342,非金属矿物制造业,48248 49860 3237,黑色金属冶炼及加工业,169934 56190 23506,有色金属冶炼及加工业,33734 13183 4779,金属制品业,21057 846 121,累计,785688 145717 90067,占工业排放总量百分数,/%32.33 54.17 66.9,75,75/128,我国材料产业发展对环境影响,年材料制造业污染物排放情况,材料种类,二氧化硫,/,万吨 烟尘,/,万吨 粉尘,/,万吨,矿品采选业,41.1 23.6 40.3,化学原料及制品制造业,116.8 53.6 17.5,化学纤维制造业,11.5 4.6 0.1,非金属矿物制造业,178.4 133.9 565.7,黑色金属冶炼及加工业,142.2 69.3 125.7,有色金属冶炼及加工业,70.7 19.2 18.7,金属制品业,2.6 1.7 1.0,累计,569.0 308.5 769.0,占工业排放总量百分数,/%26.25 32.51 84.41,76,76/128,我国材料产业发展对环境影响,我国每单位,GDP,产生,NOx,是日本,27.7,倍,、德国,16.6,倍,、美国,6.1,倍,、印度,2.8,倍,；,所产生,SO2,是德国,26.4,倍,、美国,60,倍,；已经有约,1/3,国土受到酸雨污染,77,77/128,年 排放量,(,万吨,),SO2,2468.1,NOx,2200,烟尘,986.6,粉尘,698.7,78,78/128,全国近年废气中主要污染物排放量单位,:,万吨,年度,SO2,烟尘,累计 工业 生活 累计 工业 生活,1926.6 1562.0 364.6 1012.7 804.2 208.5,2158.7 1791.4 367.3 1048.7 846.2 202.5,2254.9 891.4 363.5 1095.0 886.5 208.5,2549.3 2168.4 380.9 1182.5 948.9 233.6,2588.8 1078.4 854.8 1223.6 807.5,2468.1 2140 328.1 986.6 771.1 215.5,79,79/128,环境承载能力与经济快速发展存在矛盾,05,年，,28,个国控重点湖（库）,类水质湖，占,7,；,类水质湖（库）占,21,；,水质湖（库）占,11,；,类水质湖（库）占,18,；,劣,类水质湖（库）占,43,。,太湖、滇池和巢湖水质均为劣,类。,主要污染指标为总氮和总磷。,80,80/128,我国工业产品能源、原材料消耗占企业生产成本,75,左右，若降低,1,就能取得,100,多亿元,效益。,我国能源利用率若能到达世界先进水平，每年可降低,3,亿吨,标准煤消耗。,我国固体废弃物综合利用率若提升,1,，每年就可降低约,1000,万吨,废弃物排放。,81,81/128,材料工业污染产生主要原因,工艺技术装备落后，成为环境污染大户。,矿山资源乱采滥挖，造成大片森林被砍伐，绿草毁掉，尾矿随意丢放，污水任意流淌，也是造成环境破坏和污染原因。,冶炼生产效率低，,CO,2,、,SO,2,、,NOx,不处理，直接排放，对环境造成极大影响。,82,82/128,四、材料产业可连续发展对策,坚持“,3R,”,标准,减量化标准,Reduce:,从源头节约资源使用和降低污染排放,再利用标准,Reuse:,产品屡次使用或修复、翻新或再制造后继续使用,再循环标准,Recycle:,废弃物转化为资源，实现再循环利用,关键,：资源有效确保、资源合理应用、与环境相容,83,83/128,材料产业可连续发展对策,1.,处理矿产资源问题,2.,提升矿产资源开发技术水平,3.,强化资源保护管理,4.,重视含有优势矿产资源开发,5.,提升材料性能和生产应用技术，降低消耗,6.,提升材料工业技术水平，降低能耗，降低污染,7.,搞好“三废”治理，提升资源综合利用水平,8.,科技进步与环境治理有机结合,84,84/128,坚持“,3R”,标准,-,建材行业,水泥工业实施窑外分解技术，可将烧成热耗从落后窑型,5862kJ/kg,熟料热耗降低到,2931kJ/kg,；,将实心砖改成空心率为,50,空心砖，可实现成倍节约资源和能源，建筑物功效和居住节能也将大为改进；,大力发展废型墙体材料：大量消纳和利用工业废渣和农业废弃物，如利用粉煤灰、煤矸石、矿渣、稻草、秸秆，来替换天然资源制造环境保护利废型墙体材料，实现废物再利用,。,85,85/128,目标：,1.,推行生态工业链，实现循环型社会,2.,材料工业生态化,材料工业生态化是实现可连续发展唯一路径,86,86/128,材料，为人类文明做出,重大贡献,，却也,严重破坏,了人类家园。从,原材料开采、提炼、生产、加工、使用一直到废弃,过程，无不以资源和能源极大消耗，生态环境严重污染为代价。,87,87/128,传统材料研究、开发与生产,追求最大程度发挥材料性能和功效。,对材料生产、使用和废弃过程中环境问题重视不够。,材料及其制品制造、使用及废弃过程是造成能源短缺、资源过分消耗和枯竭以及环境污染主要原因之一。,88,88/128,材料与环境关系,89,89/128,处理问题思绪,在尽可能满足用户对材料性能要求同时，必须考虑尽可能节约资源和能源，尽可能降低对环境污染，改变片面追求性能观点；,在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，一定要把材料及其产品整个寿命周期中，与环境协调性作为主要评价指标，改变只管设计生产，而不顾使用和废弃后资源再生利用及环境污染观点；,走,与资源、能源和环境相协调,道路,必定趋势,90,90/128,五、环境材料,20,世纪,90,年代初,日本学者山本良一提出了,环境材料（,ecomaterials,),概念,是指那些含有良好使用性能和优良环境协调性材料。,良好环境协调性是指,资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率,高。,是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系前提下提出新概念，它符合人与自然友好发展基本要求，是材料产业可连续发展必由之路。,91,91/128,比较一致定义：,在加工、制造、使用和再生过程中含有最低环境负荷、最大使用功效人类所需材料。既包含经改造后现有传统材料也包含新开发环境材料。,生态环境材料、环境协调材料、环境意识材料、生态材料、绿色材料、环境保护型材料等。,其它名称,92,92/128,环境材料内涵,(2)环境协调性(区分于传统材料),生产步骤中资源和能源消耗少,工艺流程环境负荷小,废弃后易于再生循环。,（优先争取目标）,(1)材料先进性,(3)舒适性,93,93/128,主要研究课题,环境材料与产品环境设计,材料与生态环境关系和相互作用,材料及产品环境影响定量评定方法及其数据库,材料与产品再生循环设计及工艺技术,清洁、无污染、生态环境负担性低材料生产、加工和制造技术,材料超长寿命化技术,现用材料中有害元素、自然资源中枯竭性金属元素替换材料与替换工艺技术,可循环性环境分解和分离材料,环境净化材料,可再生材料，生态资源材料工程技术,废物再资源化技术,94,94/128,环境材料分类,1.金属类环境材料,无铅焊料,发展高效率使用金属材料,冶金工业废渣综合利用,再生金属资源利用,95,95/128,2.无机非金属类环境材料,长寿命化,再生循环利用,生态化新型无机非金属新材料,96,96/128,3.高分子环境材料,高分子废弃物再生循环技术,可降解高分子材料,长寿命材料,环境友好新型高分子功效材料,97,97/128,生态环境材料研究进展,98,98/128,环境相容性材料,谷壳高纯硅化物、活性碳、一次性环境保护餐具,或生态建材,天然漆,木材木材陶瓷、木材复合材料、木材混凝土,甲壳素(壳聚糖)生物医用材料、膜分离材料,天然纤维素纤维素衍生物及产品,仿生材料,生物陶瓷及其复合材料,纯天然材料,99,99/128,环境相容性材料,生态水泥和混凝土,以木代钢制备增强型混凝土,用废旧聚酯塑料生产有机增强混凝土、,用城市固体垃圾生产水泥,生态建材,绿色建筑装饰材料,涂料、地板、贴面胶合板,环境功效玻璃,100,100/128,生物降解材料,天然物质利用型,淀粉、植物纤维、木质素、甲壳素、海藻酸钠等天然高分子,化学合成型,脂肪族聚酯塑料制品,可降解无机磷酸盐陶瓷材料,生物降解塑料,101,101/128,可再循环制备和使用材料,可屡次重复循环使用;,废弃物可作为再生资源来利用;,废弃物处理消耗能量最少;,废弃物处理对环境不产生二次污染或对环境影响最小,通用合金和简单合金,塑料合金,无机非金属固体废弃物,无机非金属材料,特征,102,102/128,环境工程材料,二氧化硫烟气净化：离子交换树脂吸附型净化材料、稀土氧化物材料,汽车尾气(氮氧化物)净化：稀土替换贵金属,环境净化材料,大气污染控制材料,其它污染控制材料,噪声控制材料、电磁波防护材料,水污染控制材料,TiO,2,光催化材料,103,103/128,环境工程材料,固沙植被材料,高吸水性树脂、高分子乳液,二氧化碳树脂新材料,聚碳酸酯、聚氨酯材料、生物降解材料、隔氧材料,环境修复材料,104,104/128,环境工程材料,氯氟烃化合物替换材料,氨、碳氢化合物(丙烷)、二氧化碳,无磷洗涤剂,重垢液体洗涤剂,石棉替换材料,含石墨无机纤维材料、硅酸铝、硅酸锌陶瓷纤维材料、聚酰胺纤维,铝合金替换材料,塑钢、竹-铝、萱麻-铝等天然纤维增强铝基复合材料,环境替换材料,105,105/128,环境材料应含有特征,对资源和能源消耗最少,对生态环境影响最小,再生循环利用率最高或可分解使用,含有优异使用性能和尤其优异环境协调性,直接含有净化环境、修复环境能力,106,106/128,材料环境协调性评价,某一详细材料在其生产、使用、消费或再生过程中耗用自然资源数量和能源数量，以及其向环境体系排放各种废弃物，比如气态、固态和液态废弃物之总量。,材料环境负荷,LCA(Life Cycle Assessment),方法,生命周期评价方法,107,107/128,六、生物质 Biomass,生物质,：由光合作用产生全部生物有机体总称，包含植物、农作物、林产废弃物、海产物(各种海草)和城市废弃物(报纸、天然纤维)等。,生物质资源特点：,无毒、价廉；,可收获又能再生、永不枯竭；,含有生物可降解特征；,污染小，符合环境保护及人身安全等法规。,108,108/128,因为生物质产生和转化利用组成了碳封闭循环，其,碳中性,特点将对减缓全球气候改变问题含有主要作用。,生物质还有污染物质少（含硫、含氮量较小），燃烧相对清洁、廉价，将有机物转化为燃料可降低环境污染等优点。,109,109/128,生物质每年以约1700亿吨速度不停再生，如以能量换算，相当于当前石油年产量1520倍。,生物质起源于CO,2,(光合作用)，燃烧后产生CO,2,，但不会增加大气中CO,2,含量，所以生物质与矿物质燃料相比更为清洁。,110,110/128,发达工业国家生物质利用方案,Portion of renewable resources of the total production of,energy and products in the United States(aims and prognosis),壳牌企业到,2050,年化学品和能源用,30%,生物质资源替换，,杜邦企业到,年用生物质生产,25%,产品。,111,111/128,生物质资源开发利用成为可连续发展和绿色化学主要方面,112,112/128,1.2 生物质材料,1.2.1 定义,生物质材料：是指由动物、植物及微生物等生命体衍生得到材料，主要上由有机高分子物质组成，在化学成份上生物质材料主要由碳、氢和氧三种元素组成。,113,113/128,相关概念区分,天然高分子（nature material）：,指由自然界产生非人工合成高分子材料，它相对于合成高分子材料提出。它包含生物基材料以及石墨、石棉、云母、辉石等天然无机高分子。,生态材料（ecomaterial）：,指同时含有满意使用性能和优良环境协调性材料。,生物基材料（bio-based material）：,按照ASTM（美国试验与材料协会）定义，是指一个有机材料，其中碳是经过生物体作用后可再利用资源。,114,114/128,可将材料、生物质材料、生物体材料、生物材料、天然高分子材料、生态材料、生物基材料含属关系用下列图表示。,生物体材料,生物质材料,生物基材料,生态材料,生物材料,天然高分子材料,材料,各种与生物质材料相关或者相近材料含属示意图,115,115/128,1.2.2 生物质材料分类,按起源分,植物基生物质材料,：纤维素、木质素、半纤维素、淀粉、植物蛋白、果胶、木聚糖、魔芋葡甘聚糖、果阿胶、鹿角菜胶等,动物基生物质材料,：甲壳素、壳聚糖、动物蛋白、透明质酸、紫虫胶、丝素蛋白、核酸、磷脂等,微生物基生物基材料：,出芽霉聚糖、凝胶多糖、黄原胶、聚羟基烷酸酯、聚氨基酸等,116,116/128,按组分,均质生物质材料,：所谓均质指每个生物质材料分子都含有相同或者相同化学结构组分,117,117/128,复合生物质材料,：所谓复合指材料中同时含有两种以上结构单元组成不一样分子，它是一个混合物或者复合体，比如木材、作物秸秆、树皮、皮、毛等,118,118/128,按照所含化学结构单元分类,多糖类,：指分子结构单元由吡喃糖基或/和呋喃糖基中组成有机高分子物质，常见多糖类生物质材料有：纤维素、半纤维素、淀粉、木聚糖、魔芋葡甘聚糖、甲壳素、壳聚糖、黄原胶等。,蛋白质类：,，指分子结构单元含有肽建（由一个氨基酸氨基与另一个氨基酸羧基反应形成酰胺建）有机高分子物质，产见蛋白质类生物质材料有：大豆蛋白、丝蛋白、胶原、角蛋白、酪蛋白、藤壶胶、明胶、透明质酸等。,119,119/128,核酸：,是由核苷酸聚合而成大分子，它是组成生命现象非常主要一个高分子，主要指核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。,脂类,：指分子结构单元含有机酯键有机高分子物质。它包含由动物体内衍生出脂质和经过微生物生命活动合成出聚酯。,酚类,：,指分子结构单元含有丰富酚基或者酚衍生物，属于多酚类生物质材料有：木质素、大漆（中华漆）、单宁等。,120,120/128,聚氨基酸,：是指分子结构单元含有一个氨基酸形成酰胺键有机高分子物质。这里所说聚氨基酸指由微生物经过生命活动合成出一个可生物降解聚合物，当前报道聚氨基酸主要是聚-谷氨酸（PGA）和聚-赖氨酸（PL）两种。,综合类,：指材料或者分子中同时含有两种以上不一样类别化学结构单元,比如皮革中硫酸肤质蛋白多糖是由硫酸肤质（由艾杜糖醛酸与硫酸化氨基半乳糖成生直链多糖聚合物）与非胶原蛋白经过共价键结合而得，阿拉伯树胶是由多糖和阿拉伯胶糖蛋白（GAGP）组成，木材和作物秸秆是由多糖类（纤维素与半纤维素）和多酚类（木质素）生物质材料复合而成。,121,121/128,1.2.3生物质材料普通特征特征,1）都含有碳、氢和氧三种元素，部分生物质材料还可能含有氮、硫或者钠等元素，所以生物质材料归属于有机高分子材料，含有有机物和高分子普通特征特征,2）种类多、分布广、储量丰富。,3）与合成高分子材料相比，都含有很好生物降解性.,4）可再生,122,122/128,5）生物质材料能够进行与功效基相关聚合物化学反应。,6）水分对生物质材料性能影响显著,7）通常是多组分伴生,8
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