南京理工大学环境材料学PPT-环境材料学--第四章--材料的生态设计1

第四章材料的生态设计《环境材料学》研究生课程颜学武南京理工大学全球十大环境问题气候变暖臭氧层破坏生物多样性减少酸雨蔓延森林锐减土地荒漠化大气污染水体污染固体废弃物污染海洋污染第四章主要内容材料产业的可持续发展工业生态学材料流分析材料生产的资源效率材料的生态设计什么是生态？源于古希腊字，意思是指“家”(house)或者我们的环境。一切生物的生存状态，以及它们之间和它与环境之间环环相扣的关系。@1869，德国生物学家ErnstHaeckel最早提出生态学的概念，它是研究动植物及其环境间、动物与植物之间及其对生态系统的影响的一门学科。（Eco-）人自然社会材料材料的生态设计4.1材料产业的可持续发展什么是可持续发展？材料产业如何实现可持续发展？4.1.1可持续发展1972.6.5Stockholm联合国人类环境研讨会界定人类在缔造一个健康和富生机的环境上所享有的权利(sustainabledevelopment)1987.4.27世界环境与发展委员会GroHarlemBrundtland发表了一份题为《我们共同的未来》的报告，提出了“可持续发展”的战略思想，确定了“可持续发展”的概念。“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要能力构成危害的发展。”1992.6.3联合国环境与发展大会官方对可持续发展讨论的一个高峰大会通过了《里约热内卢环境与发展宣言》以及《二十一世纪议程》4.1.1可持续发展(sustainabledevelopment)4.1.2材料产业的可持续发展材料产业可持续发展原料工艺资源、材料流、F-4、F-10LCA、指标、标准、数据库评价产品污染控制、治理和修复，清洁生产，再利用，再循环生态设计，绿色材料、环境降解材料、环境协调材料、环境工程材料影响材料可持续发展的一些因素4.1.2材料产业的可持续发展开发新材料提高资源效率、减少污染排放政策、法律法规，ISO14000国际环境管理标准体系4.2工业生态学生物圈（动物、植物、人）的生态循环元素的循环工业生态循环？循环/代谢4.2工业生态学生物圈中生命的循环4.2工业生态学生物圈二号（Biosphere2）位于美国亚利桑那州图森市南部的Oracle地区，是爱德华·P·巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。占地1.3万平方米，大约有8层楼高，为圆顶形密封钢架结构玻璃建筑物。“生物圈二号”建造于1987年到1989年之间，它被用于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作，也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。“生物圈二号”使得人们能在不伤害地球的前提下，对生物圈进行研究与控制。4.2工业生态学化学元素的循环4.2工业生态学社会生活中的水循环4.2工业生态学4.2.1工业生态学原理1989年9月美国通用公司的研究部副总裁RobertFrosch和负责发动机研究的NicolasGallopoulos在《科学美国人》杂志上发表题为《可持续工业发展战略》的文章正式提出了工业生态学的概念工业生态学把整个工业系统作为一个生态系统来看待，认为工业系统中的物质、能源和信息的流动与储存不是孤立的简单叠加关系，而是可以像在自然生态系统中那样循环运行，它们之间相互依赖、相互作用、相互影响，形成复杂的、相互连接的网络系统。工业生态学是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程、组织管理体制以及生产、消费、调控行为的动力学机制、控制论方法及其与生命支持系统相互关系的系统科学。工业生态学通过“供给链网”分析（类似食物链网）和物料平衡核算等方法分析系统结构变化，进行功能模拟和分析产业流（输入流、产出流）来研究工业生态系统的代谢机理和控制方法。工业生态学的思想包含了“从摇篮到坟墓”的全过程管理系统观，即在产品的整个生命周期内不应对环境和生态系统造成危害，产品生命周期包括原材料采掘、原材料生产、产品制造、产品使用以及产品用后处理。系统分析是产业生态学的核心方法，在此基础上发展起来的工业代谢分析和生命周期评价是目前工业生态学中普遍使用的有效方法。工业生态学以生态学的理论观点考察工业代谢过程，亦即从取自环境到返回环境的物质转化全过程，研究工业活动和生态环境的相互关系，以研究调整、改进当前工业生态链结构的原则和方法，建立新的物质闭路循环，使工业生态系统与生物圈兼容并持久生存下去。工业生态学的起源。什么是工业生态学？工业生态系统（一级）无限的资源无限的废物一级生态系统工业生态系统（二级）有限的资源有限的废物二级生态系统工业生态系统（三级）能源三级生态系统工业生态系统（理想）能源理想生态系统服务材料制造废弃消费4.2.2生态工业园生态工业园（eco-industrypark）是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效益、经济效益和社会效益。整个企业社区能获得比单个企业通过个体行为的最优化所能获得的效益之和更大的效益。生态工业园的目标是在最小化参与企业的环境影响的同时提高其经济效益。这类方法包括通过对园区内的基础设施和园区企业（新加入企业和原有经过改造的企业）的绿色设计、清洁生产、污染预防、能源有效使用及企业内部合作。生态工业园也要为附近的社区寻求利益以确保发展的最终结果是积极的。比较成功的生态工业园的例子是丹麦凯隆堡（Kalunborg）共生体系,凯隆堡已成为区域不同产业之间链接起来的模版。生态工业园是继经济技术开发区、高新技术开发区之后中国的第三代产业园区。它与前两代的最大区别是：以生态工业理论为指导，着力于园区内生态链和生态网的建设，最大限度地提高资源利用率，从工业源头上将污染物排放量减至最低，实现区域清洁生产。与传统的“设计——生产——使用——废弃”生产方式不同，生态工业园区遵循的是“回收——再利用——设计——生产”的循环经济模式。它仿照自然生态系统物质循环方式，使不同企业之间形成共享资源和互换副产品的产业共生组合，使上游生产过程中产生的废物成为下游生产的原料，达到相互间资源的最优化配置。4.2.2Kalundborg生态工业园区减少资源消耗废物重新利用减少温室效应总投资：$60m/20a石油：45kton/a炉灰：130kt/aCO2：175kt/a总效益：$200m/20a煤炭：15kton/a硫：4.5kt/aSO2：10.2kt/a投资回收期：5a水：600km3/a石膏：9kt/a氮：1.44kt/a磷：600t/a经济效益环境效益4.2.2生态工业园区美国加拿大中国南海国家生态工业建设示范园区这是中国第一个全新规划、实体与虚拟结合的生态工业示范园区，包括核心区的环保科技产业园区和虚拟生态工业园区。以环保产业为主导产业，将制造业、加工业等传统产业纳人生态工业链体系。重点培育设备加工、塑料生产、建筑陶瓷、铝型材和绿色板材等5个主导产业生态群落。生态工业系统类似于自然生态系统，12个企业将组成一个生产—消费—分解—闭合的循环。广西贵港国家生态工业（制糖）示范园区这是中国第一个循环经济试点。该园区以上市公司贵糖（集团）股份有限公司为核心，以蔗田系统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统、环境综合处理系统为框架建设的生态工业（制糖）示范园区。苏州工业园区《综合类生态工业园区标准（试行）》（HJ/T274-2006）4.3材料流分析材料流理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量大小的一种定量分析理论。(Materialflow)Steel自然界8t铁矿1t钢0.7t金属制品0.5t成品使用自然界6.25％实际利用率自然界4.3.1代表性理论1995，德国WuppertalInstitute的vonWeizsaecker教授首先提出专著《四倍因子:半份消耗,倍数产出》出版，使该理论有了明确的科学含义.其意思是指在经济活动和生产过程中,通过采取各种技术措施,将能源消耗,资源消耗降低一半,同时将生产效率提高一倍.由此,在同样能源消耗和资源消耗的水平上,得到了四倍的产出.材料流理论——几种代表理论R——资源效率P——产品产出量I——原材料,能源投入量R＝＝＝4PI20.5aFactor4(F-4)4.3.1代表性理论1994，德国WuppertalInstitute的Schmidt-Bleek教授首先提出国际F-10俱乐部：专著《人类需要多大的世界》出版，提出“单位服务的材料消耗”(MIPS)概念1997，F-10俱乐部向全世界发表了著名的致政府和产业领袖的卡诺勒斯宜言,明确提出了在一代人之内,将资源和能源的生产效率提高十倍的目标以及实现这个目标应采取的技术措施.材料流理论——几种代表理论资源效率提高10倍：1、缩小贫富差距；2、子孙后代在地球上继续生存I——环境影响P——人口GDP——国内生产总值I＝PGDPPIGDPbFactor10(F-10)4.3.1代表性理论材料流理论——几种代表理论I——物质总投入量P1，P2——产品产量W1，W2——废物产出量I＝（P1＋P2＋…）＋（W1＋W2＋…）＝P＋Wc极值理论中国《国家中长期科技发展规划》到2020年的重点任务之一：生态建设,环境保护与循环经济科技问题我国环境形势的总体评价：已进入持续性生态资源短缺和大范围复杂性环境污染新阶段,导致本应在不同阶段出现的问题在短期内集中体现和爆发出来.总体环境状况处在局部改善,整体恶化的发展态势.未来我国环境将面临社会,经济的巨大压力和进一步恶化的威胁.2020年我国要实现GDP翻2翻,将进入工业化中期,环境会出现新的恶化趋势,提高资源生产率(4倍)是最迫切的问题战略目标:生态与环境得到改善,资源利用率显著提高,建立适合我国国情的生态与环境科学理论和技术体系.力争2010年环境不再恶化;2020年环境有明显改善材料流分析的主要指标及计算公式指标简写计算公式直接物质投入（directedmaterialinput）DMI国内物质开采+进口物质总投入（totalmaterialinput）TMI国内物质开采+国内隐藏流国内物质总需求（domestictotalmaterialrequirement）DTMR国内物质开采+国内隐藏流物质总需求（totalmaterialrequirement）TMR物质总投入+国外隐藏流国内过程排放（domesticprocessingoutput）DPO废物排放+产品浪费和损失直接物质输出（directmaterialoutput)DMO国内过程排放+出口国内总排放（totaldomesticoutput)TDO国内过程排放+国内隐藏流物质总输出（totalmaterialconsumption)TMC国内总排放+出口国内物质消费（domesticmaterialconsumption）DMC直接物质投入-出口物质总消费（totalmaterialconsumption）TMC物质总需求-出口-国外隐藏流储存净增量（netadditiontostock）NAS物质总需求-物质总输出实物贸易平衡（physicaltradebalance）PTB进口-出口物质输入指标物质输出指标物质消耗指标4.3.2材料流理论的应用实践如何提高资源的利用效率,节约能源,减少环境污染,许多国家,组织和企业都借助于材料流分析进行了改善资源效率的实践德国全国材料流分析荷兰全国材料流分析日本全国材料流分析中国一钢铁企业材料流分析总资源效率：30.7％4.4材料生产的资源效率“取之不尽”的资源可再生的资源不可再生的资源4.4.2资源效率矿产主料/t辅料/t资源效率Fe221.64.24%Mn425.73.37%Al2.531.32.96%Cr2.577.31.25%Zn40123.60.61%Cu20010.70.47%Ti66.7785.70.18%Ni100614.50.14%R——资源效率P—