环境材料(第四章再生循环)

2019/9/141中南大学材料科学与工程学院周宏明第4讲环境材料与物质的再生循环2019/9/1424.1再生循环－可持续发展的途径4.2面对再生循环的环境保护政策4.3材料的再生循环设计4.4金属材料再生循环的现状4.5塑料的再生技术4.6建筑材料的再生循环4.7干电池的综合回收与利用本讲内容2019/9/143环境材料的最大目标之一就是开发可以反复使用的材料，在技术进步的前提下，创造一个可以顺利开展再生循环利用的社会、经济体系，使人们形成一种自觉选择、使用环境协调型产品的意识。2019/9/1444.1再生循环－可持续发展的途径对于某种生物来说没有用途的东西，在某些场合可能是其他生物的资源，自然界中将所有的生物有机地联系起来，就形成一个循环系统（生物圈）。如何减少废弃物是迫切需要解决的课题。除了能源以外，许多矿产资源如锌、镉、锡等也面临枯竭。4.1.1再生循环的背景2019/9/145建立符合自然规律的物质循环系统的战略方针应遵循如下两条原则：（1）尽可能使用在自然界中可循环的材料，并将自然的循环应用到其废弃和生产过程中。（2）尽可能少使用在自然界中不可循环的材料。对那些非用不可的材料，应事先先设计一个再生循环系统。4.1.1再生循环的背景2019/9/1464.1.2再生循环的形态将废弃物作为资源再生利用，其利用方式随制造过程的阶段不同而有很大差异，不同阶段进行再生利用时，所要解决的问题的意义及重点也不相同。在进行再生循环时，要根据解决的问题来选择具体实施的阶段。2019/9/147(1)单纯再利用（reuse）将不同的东西可以直接提供给其他消费者利用。(2)部件的回收再利用将废弃物中一部分零部件取出，可将这类部件用在别的系统上继续发挥其结构和功能的作用。(3)作为原材料再利用（recycle）将一定组成的物质直接利用还是通过“分解、分离”成与原材料更接近的物质，这在工艺的概念上是完全不同的。(4)能源回收（reclaim)有机物燃烧会放出能量，金属则有时被称作是通过还原等过程而聚集在一起的能量块。再生循环的形态2019/9/1484.1.3再生循环的问题(1)消费者首先必须参与利用废弃物资源的行动：a)分类回收；b)购买再生原料制品。(2)通过再生循环获得廉价的原材料在相同的经济利润前提下，存在着最经济的再生循环率。影响再生循环率的手段：可通过技术的开发，社会体制的支持和提高原材料的价格（在金融、税率上采取措施）予以干预。(3)再生循环面临的困难。再生材料品质和数量上的不稳定。分选分离都很费事，导致处理费用的提高，增加能耗及回收过程使用化学药品带来的环境负荷方面的影响。2019/9/149(4)再生循环的发展方向A.杂质无害化技术。B.通用性材料。C.长寿命材料：延长材料的使用寿命，减少废弃。4.1.3再生循环的问题2019/9/14104.2面对再生循环的环境保护政策4.2.1欧洲的环保政策•欧洲各国对环境保护持积极态度。德国1972年制定了“废弃物处理法”。为了与这个政令配合，成立了DSD（DuelSystemDeutschlaud）公司。•1992年8月提出了“限制废车条例”的提案。其最重要的议题就是汽车制造商有义务回收废旧车。并要求就以下内容制定相应的措施：(1)追求在设计及制造中的可分解性；(2)促进贴商标及再生循环的程序；(3)制造过程中的再利用与再生循环等。2019/9/1411•在1993年3月，德国联邦议会通过了新的废弃物处理法。被称作“循环型经济废弃物法”，主张“生产者和消费者共同对产品的全过程负责”，“用再资源化代替简单的废弃物处理”，使生产过程开始就明确提倡制订“循环型经济”、“再生义务”和“回收义务”，为工业垃圾的再资源化奠定了基础。4.2.1欧洲的环保政策2019/9/14124.2.2美国再生资源法规立法的可能性美国虽尚无一部全国实行的再生循环法规。但从20世纪80年代中期开始,先后已有半数以上的州制订了不同形式的再生循环法规，各地方再生循环物品的回收活动迅猛发展，半数以上的人口参与了这一活动。不管美国在法规制订方面如何，但在“产品责任制”的意识方面是走在前面的国家。2019/9/14134.2.3日本再生循环法规的实施1991年10月开始实施“关于促进利用再生资源的法律”，目的在于确保资源的有效利用，抑制废弃物的产生及保护环境。从再生循环的角度规定了一些重要的行业、产品和副产品如：(1)指定一些行业要求这些行业促进再生资源的利用，做出利用再生资源的计划。2019/9/14142)指定产品易再生产品的制造：要求在产品的设计阶段要进行事前论证并作好记录，要求在材质及结构、分类、信息提供、提高技术等方面下工夫。3)指定副产品促进副产品的利用。要求厂家做出促进利用再生资源的计划，务必按规格、型号要求进行加工、生产；配备必要的设备，提高技术等。4.2.3日本再生循环法规的实施2019/9/14154.3材料的再生循环设计材料的可循环再生设计是在设计阶段就充分考虑材料的循环再生性，不仅比后期处理难度小，而且效益高。8.3.1考虑再生循环的材料设计如何建立和发展社会性再生循环体系；极力减少资源采掘量并持续不断地提供高质量的材料。迄今为止，材料研究者一直在致力于研究和开发更强、更韧，能在更严酷的环境下使用的具有更高性能的材料。结果是各种各样化学组成的材料被开发出来，但在以往的材料开发过程中关于如何节约能源及如何作到易于循环的观念是很淡薄的。2019/9/14164.3.2计算机辅助材料预测技术将一些理论上不能解释的现象方便地数值化了，并成功的制造出高性能的机械。然而到目前为止，类似的情况在材料的设计中还十分罕见。一些数值化后而又含义模糊的部分还期望将来基础理论发展后再给予替换或修正。2019/9/14174.3.3应用材料预测技术使材料环境材料化再生循环对于像铝、铜、钛、镍等合金体系更为紧迫，也期望能发展类似的材料预测技术。材料的性能可通过化学成分的选择以及由控制加工、热处理等制造工艺而确定的微观组织来决定。采用以基础理论为指导的材料预测技术来控制生产、使用、废弃、回收的循环，这是“金属材料环境材料化”的重要课题。2019/9/14184.3.4复合材料与环境材料把塑料＋玻璃纤维、碳纤维制成复合材料，作为一种环境材料而引人注目。有机材料和无机材料复合的典型代表是玻璃纤维强化塑料（FRP），它作为轻质和强度兼备的材料有多种用途，而要使这种复合材料成为有利于地球环境的环境材料，就必须作到容易再生循环才行。2019/9/14194.3.5塑料合金的研究将二种以上的聚合物复合，作为具有新功能的材料即所谓塑料合金。例如：将液晶聚合物（LCP）和工程塑料复合，做成轻质和机械强度兼备且容易再生循环的材料。这种材料作为取代上述有机/无机复合材料的新材料而被普遍关注。液晶聚合物经加热后变成兼有固体和液体两者特征的液晶状态，它是一种流动性很强的热塑性材料。在高温下融化形成均匀层，当成型后使温度下降时，液晶聚合物便分散在聚合物基体当中。由于形成原纤维（微小纤维），所以它可以发挥与玻璃纤维同样的增强效应。这种材料粉碎时，即使原纤维被破坏了，再成形时原纤维又能形成，因此再生循环后性能变化不大，可大体保持原始的机械强度。2019/9/14204.3.6热塑性弹性体热塑性弹性体是兼备橡胶与热塑性塑料特点的新材料，在粘接剂、机电产品、汽车制造等方面已被大量使用。这种材料具有橡胶的性质，同时还可以熔融成形，与必须加硫的橡胶相比更容易再生循环。热塑性弹性体是由软链段和硬链段组成，硬链段承受强度，软链段产生柔性。由它们组合可制造出多种热塑性弹性体。2019/9/14212019/9/14224.3.7金属合金的设计--超级通用合金现在针对不同的用途开发了不同的材料，材料的种类一直在增加。这么多不同种类组成的材料混杂在一起，使废料的再生循环很困难。超级通用合金即是合金种类最少，而且能满足多种用途要求的标准体系合金。另一方面，在再生循环时，难以使废料的品位一致，也难以避免由于杂质的混入而造成的化学成分变化。2019/9/1423(1)通用合金由有限的元素构成，通过改变其配比可在大范围内改变其性能的合金系。A.Fe-Ni-Cr系钢：改变Fe、Ni、Cr的相对含量，可得到铁素体钢到不锈钢等一系列钢种，这些钢的组织及性能有很大的变化。B.Ti合金：改变Ti、Al、V的相对含量，可使合金的组织与性能发生很大的变化。2019/9/1424例：Ti合金的基本组成与组织设计Ti在882℃的相变温度以上是β相，以下是α相。依合金元素的种类与添加量不同，可分类为α、α+β以及β合金。2019/9/14252019/9/1426最近，关于Ti合金也有了基于热力学数据的相平衡计算。根据正则熔体模型的热力学计算，可以相当精确地计算多元素Ti合金中的相平衡。此外，利用亚晶格模型可以处理Ti3Al等化合物，也可以计算Ti-Al-Sn-Zr系的α/Ti3Al相平衡问题。这样，通过计算来预测结构的组织正在成为可能。日本的通产省工业技术院，在预测拉伸性能时，通过计算成功地开发了能大幅度提高现有合金性能的Ti合金。2019/9/1427(2)组成变化不太敏感的合金作为合金的强化机制，常用的有马氏体相变及第二相的析出等相变现象，这些相变或析出现象受化学组成影响的程度比固容强化作用更大，当偏离某一合金成分时，相变或析出现象有可能完全不发生。与此相反，固溶强化与合金组成的关系是比较平缓而连续的，再生循环造成的杂质及合金元素量的变动对性质的影响较小。因此，固溶合金可以作为有前途的再生循环候选材料。2019/9/1428(3)金属再生循环的逐次降级使用情况在合金学中，通过添加合金元素的配比，晶粒度等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。然而，在再生循环时，组成一复杂，分选与分离就困难了。此外，存在不能分离的合金元素时，有可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来。因此，以废金属作原料的金属再生循环，实际上倒不如说仍是以“逐次降级使用”为主，既一级一级地向低级别产品再生的过程。2019/9/1429(4)简单合金的可再生循环设计简单合金：就是组元组成简单的合金。简单合金在成分设计上应有以下特点：合金组元、规格简单化，再生过程中容易分选；原则上不添加现在尚不能精练脱除的元素；尽量不使用环境协调性不好的元素。研制原则：在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数；获取合金高性能时，以控制显微组织作为加入合金元素的替代方法。这种设计合金的思路叫做省合金化设计或最小合金化法。2019/9/1430对现代材料进行环境协调性设计项目，需要进行多方面的考虑，一般包括：(1)强度（也包括疲劳强度等），韧性，高比强度（先进性）；(2)简单组成，易解体结构（合金协调性）；(3)功能兼容，多功能性（舒适性）。(4)简单合金的可再生循环设计2019/9/14314.4金属材料再生循环的现状金属材料可循环再生设计是通过加入最少的元素、循环容许元素，或通过固溶强化、微细化强化、相变组织强化等保障材料性能，使材料可以循环再生。在合金学中，通过添加合金元素的配比、晶粒度等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。2019/9/1432因此，以城镇废金属作原料的金属再生循环，实际上仍是以“逐次降级使用”为主，即像“瀑布逐渐下降水位”那样一级一级地向低级别产品再生的过程。在金属材料的再生循环过程中，去除合金元素和杂质是相当困难的，同时这方面技术又是非常重要的，应大力发展材料再生循环过程中的杂质分离技术和杂质无害化技术。4.4金属材料再生循环的现状2019/9/14334.4.1钢铁资源的循环钢在世界上全部金属实际消费中起着特殊的作用，在半成品制造中，它约占世界金属消费量的80%。在过去20年的发展中，炼钢技术的革新增加了选择原料——包括生铁，海绵铁（也称直接还原铁）和废钢铁投入的灵活性，它鼓励使用废钢铁作为钢铁生产的原料。2019/9/1434