7.1..材料生态设计与加工解析

第七章材料的生态设计与加工本讲主要内容生态平衡及可持续发展•生态平衡•材料产业的可持续发展材料的生态设计及案例•生态设计的理念、原则及方法•原材料及产品的生产设计案例生态加工及清洁生产•生态加工技术•清洁生产技术生态平衡在生态系统内部，生产者、消费者、分解者和非生物环境之间，在一定时间内保持能量与物质输入、输出动态的相对稳定状态。可持续发展基本定义：可持续发展就是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，它们是一个密不可分的系统，既要达到发展经济的目的，又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境，使子孙后代能够永续发展和安居乐业。“既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。”——《我们共同的未来》(世界环境与发展委员会,1987年)第一节材料的生态设计减少进入生产和消费过程的物质量，从源头节约资源使用和减少污染物的排放。生态设计是将保护生态环境、人类健康安全的意识和技术有机地融入材料、产品、以及工业过程中的设计方法，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。提高产品和服务的利用效率，要求产品或包装以初始形式多次使用,减少次污染。要求物品完成使用的功能后重新变成再生资源。一、生态设计的原则生态设计=设计+LCA生态设计=设计•性能•成本+•生命周期评估•环境效益生态材料=材料设计+生命周期评估（LCA）生态产品=产品设计+生命周期评估（LCA）生态服务=服务设计+生命周期评估（LCA）二、生态设计的要素性能使用便利寿命安全加工难易程度维修管理附加值健康卫生外表美感精神文化价值成本制造成本运输成本间接成本环境影响材料消耗量能耗资源枯竭程度土地消耗量污染物排放量毒性温室效应酸雨三、生态设计的方法四、材料生态设计的技术内容使用环境材料降低能耗节约材料减少材料种类易拆卸设计零部件可循环再利用材料循环再利用减少包装材料材料生态设计和产品生态设计共同点：两者均考虑在整个生命周期内，着重考虑生态属性、并将其作为设计目标，同时保持应有功能质量、经济性。材料和产品同时存在于一个生命周期内，追求共同的准则。两者区别：产品生态设计着重考虑生态材料选择、产品可拆卸及回收，而材料生态设计着重考虑原料选择、制造过程省资源、省能源和无污染、废弃后可循环再生。五、材料工业生态设计的主要内容1.原材料的生态设计2.产品的生态设计3.生产过程的生态设计4.产业生态系统的生态设计1、原材料的生态设计①减少原材料的使用量②采用再循环原料③采用低能值原料2、产品的生态设计①整合产品功能②优化产品结构③产品部件功能的功能优化④模块化设计⑤易于维护和维修⑥易于再循环3、生产过程的生态设计①尽可能减少生产环节②选择对环境影响小的生产技术③使用清洁能源和材料④建立ISO14001环境管理体系4、产业生态系统的生态设计产业生态系统的演进，即系统的输入（能源与原材料）与产出（产品与废物）综合平衡，可体现不同的层次，小到工业共生体系，大到整个社会经济体系。功能第一竞争追求质量耐久性大量消费废弃污染发生后处理个别、特殊重视环境协调质量适宜分解性省能、省资源可回收再利用污染发生前预防通用传统材料到生态材料设计思想的转换材料的生态设计——金属可循环再生设计低合金化；非敏感元素合金化；杂质无害化；高性能长寿命金属材料高性能金属材料：纤维再增韧Fe-Fe复合金属材料、结构用钢、铝锂合金、超级铝、镁合金，等；长寿命金属材料；生产加工工艺的生态设计熔融还原炼钢技术；冶金短流程工艺；金属材料的近终形加工；金属材料废弃物的综合利用材料的生态设计——塑料生态可降解塑料光降解塑料：共聚物合成、光敏剂等；生物降解塑料：生物破坏性塑料、全生物降解塑料；塑料废弃物的综合利用按塑料类别分离；化学再生：还原为油品、单体或其他化学原料；裂解法；再生过程中的环境问题有害气体防治；再生塑料市场的规范。第二节清洁生产技术定义：清洁生产是通过产品设计、原料选择、工艺改革、生产过程管理和物料内部循环利用等环境的科学化与合理化，使工业生产最终产生的污染物最少的一种工业生产方法和管理思路。从方法上理解：最大限度内减少生产过程所产生的废物量；从管理上理解：将综合预防的环境管理策略持续地应用于生产过程、产品和服务中；从概念上理解：一种对人类和环境无害的可持续发展的生产活动；一、清洁生产对环境保护的贡献60年代70年代90年代实施清洁生产的核心问题：资源、能源的利用水平是否提高；污染物的产生量与排放量是否减少。清洁生产的中心思想是用减少或避免产生污染等始端防止技术代替传统的末端治理技术，节约原材料和能源，淘汰有害材料，减少污染物和废弃物的排放，避免废物排放对人类和环境的有害性。在清洁生产的概念中不但含有技术方面的可行性，还包括经济方面的可盈利性和社会方面的可持续发展性。在环境方面可直接表现出减少或消除污染；在经济方面可表现出节约资源能源、降低生产成本、提高产品质量、增加产品的市场竞争力；在技术方面，所谓的清洁生产过程和产品是和现有的工业和产品相比较而言的，推行清洁生产本身就是一个不断完善的过程，始终需要新技术的支持，不断开发新技术，改进新工艺，提出更新的目标，达到更高的水平。二、清洁生产的内容及理论基础废物与资源转化理论生产过程最优化理论社会化大生产理论清洁的生产过程清洁的产品清洁的服务清洁生产的理论基础废物与资源转化理论是以物质不灭定律和能量守恒定律为基础的。在生产过程中，所有的物料都遵循物质平衡原则。生产过程中产生的废物越多，则原料亦即资源消耗越大，因为所有的废物都是由原料转化而来的。清洁生产可使废物产生量最小化，也就使原料得到了最有效的利用。由废物与资源转化理论可引出生产过程最优化理论。当目标锁定在提高资源效率时，将废物转化为另一个生产过程的资源。在该生产过程内部使物料消耗最少，产品产出率最高是更积极的选择。即投入原料最少，而使产品的产出率达到最大，这就是生产过程最优化理论的核心。清洁生产的社会化大生产理论是根据马克思主义的经济学原理建立的。社会化大生产理论的核心是用最少的劳动消耗，生产出最多的满足社会需要的产品，这也是经济活动的最高准则。当今世界的社会化、集约化的大生产和科学进步的工业政策，为推行清洁生产提供了必要条件。清洁生产与末端治理的比较清洁生产内容框架及步骤清洁生产清洁能源清洁资源清洁工艺清洁设备清洁产品清洁服务清洁管理清洁审计经济效益环境效益社会效益了解生产管理、环境管理等方面的现状提出清洁生产实施方案并逐步落实总结示范企业推行清洁生产的经验并在全行业进行推广清洁的能源在生产过程中实现最少的能量消耗；对化石能源要实现清洁燃烧；开发低污染的新能源，如核能，可控聚变能或再生能源，如太阳能、水能、风能、地热等；有关能源的有效利用技术与节能措施等，从能源利用的途径使生产的驱动过程对环境影响较小。清洁资源在生产过程中实现最少的原材料消耗；用无毒材料代替有毒材料，减少有害物料的投放，从源头控制，避免最终对环境的毒性影响。同时，优化原材料的使用，提高材料的使用效率。清洁的生产工艺——清洁生产思想产生的最初动力清洁的生产工艺流程要求在原料加工、使用、废弃等过程中无污染或少污染，无排放或少排放；尽量实现物料自循环，以及高效率的安全生产过程；生产过程中实施无毒排放或无毒副产品。清洁的生产设备——具有良好的密闭生产系统，消除生产过程中的跑、冒、漏、滴等。改进生产设备，优先采用不产生或少产生废物和污染的设备；提高设备效率；改进设备的运行条件。生产过程中不产生对环境有害的噪音也要靠设备条件来实现与维持。清洁的产品:调整产品结构；发展清洁产品；用对环境和人体无害的产品取代有毒有害的产品；使产品具有良好的使用性能、可接受的经济成本、适当的寿命、对人体无毒、对环境无害、易回收再生等性能。清洁的服务指在产品的售后服务过程中建立环境意识，通过维护、保修、更换等一系列环节减少对环境的影响。同时，建立废品回收系统，发展回收、提纯工艺，提高废物回收利用率等也是清洁服务的内容。清洁管理包括实施现代化管理、提高生产效率、优化生产组织、控制原料消耗、岗位技术培训、培养环境意识、监督规范执行情况等，从而加强生产全过程管理，通过管理途径保障生产效率和环境保护各项措施的实现。清洁审计是环境影响评价和分析的一种方法，主要通过对一个生产过程的检查评价，了解该生产过程的工艺条件，特别是有毒有害物料及其他废弃物的产生和排放情况，经过对技术、经济和环境的可行性分析，判断现有生产工艺对环境的影响以及为筛选新的生产工艺提供环境影响的定量数据。第三节材料的环境友好加工及制备实现清洁生产有两个要点：1.提高物料转化过程的资源效率，即从原料投放到废弃物排出整个过程的有效产出；2.组织生产过程的环境意识，即从产品开发到市场售后服务，都要关注产品的生产和使用对环境的影响。清洁生产主要是针对各种产品和生产过程对环境的不利影响，以实现污染预防为目标，研究、开发并实施各种环境友好工艺和技术。实现清洁生产的途径主要包括清洁规划和管理，提高资源效率，减少废物排放，以及开发环境友好产品和工艺等等。材料的生态加工技术再循环利用技术避害技术控制技术补救修复技术再循环利用技术有效地利用自然资源，重视废物的回收再利用，从而提高资源效率是实现清洁生产的重要途径。包括开发和应用通过原材料改变和有毒原材料的替代技术，减少有害废物的毒性和数量，以及将废物中有价值资源再生回收，并在生产流程内部得到循环利用等等。资源的回收利用一直是材料可持续发展的主题之一，是处理废弃物和节省资源、节约能源的重要措施。资源回收的途径：废弃物的单纯回收再利用产品或零部件的回收再利用对废弃物进行加工处理后作为原材料再利用能源回收利用炼钢废水处理及循环利用工艺材料合成生产过程再循环工艺改进原料开发清洁生产新工艺，减少直至消除废物和污染物的产生与排放，促进工业产品的生产和消费过程与环境过程相容等等，减少整个工业活动对人类和环境的危害。从根本上提高资源、能源效率，减少和消除污染，实施零排放工程和绿色工程，这是材料产业环境协调性发展的治本之道，是实现清洁生产最主要的途径。具体内容包括:减少废物排放；采用无废、低废的清洁工艺；通过工艺技术改革、设备改进和优化工艺操作控制，对工艺过程的污染源进行削减；实现污染排放的过程控制，实施鼓励废物回收的政策。避害技术系统集成式避害技术案例：欧美流行将化工厂装在容器里；如DuPont、Degussa：Micro-reactor.优点：避免有毒有害物质运输、储藏；减少溶剂挥发；降低噪音；远程控制；节约成本。污染物排放控制技术环境污染的补救修复技术课堂小结生态设计是一种理念，是一种方法，它源于人们对工业化过程中浪费资源、破坏环境的反思和对生态规律的认识；生态设计是实现生态工业、生态经济的第一步；生态设计在环境保护中占90％的贡献率，是实现人类社会可持续发展的必然选择。清洁生产既是一种提高资源效率、减小环境污染的工业生产方法；也是一种环境保护和可持续发展的概念；还是一种工业生产组织和管理的思路。材料生产加工中的生态技术包括再循环利用技术，避害技术，控制技术，补救修复技术。