环境材料学第6章材料的环境友好加工及制备

第六章材料的环境友好加工及制备加工工艺制备技术环境材料学6.1降低材料环境负担性的技术6.2清洁生产技术目标：提高资源能源效率，减少污染排放，实现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、环境工程材料可持续发展的工艺范畴6.1降低材料环境负担性的技术细节性的具体措施6.1降低材料环境负担性的技术•避害技术•污染控制技术•再循环利用技术•补救修复技术6.1.1避害技术•通过改变生产方式、技术更新和工艺置换来减少有害物的产生，改善环境，减少污染。苯类甲苯类氯仿铬及其化合物二氯甲烷二甲苯类甲基酮类铅及其化合物四氯乙烷三氯乙烷镍及其化合物汞及其化合物四氯化碳三氯乙烯氰及其化合物镉及其化合物卤代烃类：化学性质稳定（难降解）；脂溶性高（易被有机体吸收）；水溶性低（难以排除，生物积累显著）重金属：极易与蛋白质分子结合，破坏蛋白质与其它金属离子平衡，使蛋白质如酶、DNA失去活性，造成生物体中毒6.1.1避害技术无害或低害原料替代工艺优化内部处理有害物排放前转化有毒有害物质零排放1.用无害材料替代有害材料•氯碱行业用无（低）汞触媒替代汞触媒•无氰电镀•铅替代技术（蓄电池、印刷模子、无铅涂料、油漆）•…2.用环境友好的生产工艺代替污染较重的生产工艺•不产生有害物质（中间排放）的工艺•将有害物质无害化并回收利用的工艺有污染的工艺环境友好工艺资源能源产品无害废物•苯胺生产铁粉还原硝基苯铁泥废渣废水含大量硝基苯和氨基苯氢气催化还原流态化技术大大减少了有害物排放6.1.2污染控制技术生产废物处理资源能源产品无害废物•对向环境排放的污染物，在排放到环境以前进行处理的工艺过程和技术。6.1.2污染控制技术•分离处理，减少有害物排放•无害化转化处理•有害物收集储存处理分离处理•电磁快速加热金属-塑料复合体系无害化转化处理•物理转化处理（分离、沉淀、过滤、吸附、吸收）•化学转化处理（氧化、还原、催化、生物处理）有害物收集储存•废气除尘•废水废渣6.1.3再循环利用技术•实质：线性的开放系统末端封闭系统，即输出废物返回输入端•再循环：a.工艺流程内部；b.不同的生产部门；c.废弃产品的再利用将未排放入环境的废料或已排放的废弃物重新利用。包括：资源再生化；废物回收再利用；能源回收再利用材料废弃资源能源无害废物零部件产品1资源再生回收利用能否保持原有使用性能？循环生产改性使用（如汽车保险杠回收再生）降级使用（汽车钢材做建筑钢材使用）固废建筑材料（尾矿、钢渣、灰渣）前景好有机废料化学助剂（塑料用作还原剂等）回收处理成本与技术支持矿石资源消耗“第二矿业”2能源回收利用：节能&减排•可回收能源工业部门可用能源用途钢铁高炉焦炉煤气发电、供暖高炉余压余热发电、供暖电力冷却水余热养鱼、塑料大棚、供暖化学碳黑厂尾气发电、供暖石油油田伴生气发电、供暖垃圾、秸秆、etc.典型的再循环工艺原理反应催化剂再生蒸馏处理催化剂循环利用原料回收利用废热副产品失效催化剂废弃物产品废气排放案例秸秆利用•燃料：•饲料、肥料：还田•基料：食用菌养殖•原材料：造纸一、空气氧化气化法，气化炉中不完全燃烧，CO为主的低热值可燃气二、干馏热解法，热解炉中进行隔绝空气干馏，获得以CH4、H2为主的中热值可燃气，同时获得人造木炭和木焦油等工业产品三、气化发电法，气化获得可燃气，再通过燃气发电机发电。6.1.4补救修复技术资源能源产品补救修复无害废弃物生产广义上包括对由于过去污染物排放的积累造成的环境污染的补救和修复，和由于正在进行的生产过程对环境造成的污染的补救修复处理6.1.4补救修复技术•核工业：废物缩减固化深埋分离转化环境净化材料环境修复材料6.2清洁生产技术系统性把污染物消除在它产生之前提高资源效率，减少环境污染的工业模式环保可持续发展概念整体预防和组织管理的环境策略有效避免排放废物带来的环境风险和处理处置费用提高资源效率，降低产品成本•定义、意义、目标•清洁生产的理论基础•清洁生产的主要内容•清洁生产的实现途径•清洁生产实践1994年的“中国21世纪议程”，将清洁生产列为“重点项目”之一6.2.1清洁生产定义、意义、目标定义（1996年联合国环境署）：清洁生产是指将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，以期增加生态效率并减少对人类和环境的风险。对生产，节约原材料，淘汰有毒原材料，减降所有废物的数量和毒性。对于产品，旨在减少从原材料的提炼到产品的最终处置的全生命周期的不利影响。对服务，将环境因素纳入设计和所提供的服务中。见P244环境卡片定义《中国21世纪议程》：清洁生产是指既可满足人们的需要，又可合理使用自然资源和能源并保护环境的实用生产方法和措施。其实本质是一种物料和能耗最少的人类生产活动的规划和管理，将废物减量化、资源化和无害化，或消灭于生产过程之中。清洁生产的意义实践证明，沿用以大量消耗资源和粗放经营为特征的传统模式，经济发展正愈来愈深地陷入资源短缺和环境污染的两大困境：一是传统的发展模式不仅造成了环境的极大破坏，而且浪费了大量的资源，加速了自然资源的耗竭，使发展难以持久；二是以末端治理为主的工业污染控制政策忽视了全过程污染控制，不能从根本上消除污染。而清洁生产恰能较好地解决这两方面的问题，具有以下显著优点。（一）节能、降耗、降低成本，增加竞争力一方面用节能、降耗、减污和降低生产成本，改善产品质量，提高企业的经济效益，增强企业的市场竞争力。另一方面，可大大减少末端治理的污染负荷，节省大量环保投入（一次性投资和设施运行费），提高企业防治污染的积极性和自觉性。（二）通过循环或重复利用，提高资源效率清洁生产可以最大限度地利用资源和能源，通过循环或重复利用，使原材料最大限度地转化为产品，把污染消灭在生产过程之中。通过改进设备或改变燃烧方式，进一步提高能源的利用率，既可减少污染物的产生量与排放量，又可节约资源与能源，用较少的投入获得较大的收益，具有显著的经济效益。（三）清洁生产可以避免和减少末端治理的不彻底而造成的二次污染。因为清洁生产采用了大量的源头削减措施，既可减少含有毒成分原料的使用量，又可提高原材料的转化率，减少物料流失和污染物的产生量及排放量，因此而减少二次污染的机会。（四）清洁生产可最大限度地替代有毒的产品、有毒的原材料和能源，替代排污量大的工艺和设备，改进操作技术和管理方式，从而改善工人的劳动条件和工作环境，提高工人的劳动积极性和工作效率。（五）清洁生产可改善工业企业与环境管理部门间的关系，解决环境与经济相割裂的矛盾。清洁生产的目标对于产品，清洁生产意味着减降产品从原材料使用到最终处置的全生命周期有不利影响的能源，取消使用有毒原材料，在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性。因此，企业实施清洁生产，就是使用清洁的原、辅材料，通过清洁的工艺过程，生产出清洁的产品，清洁生产谋求达到两个目标。（1）通过资源的综合利用、短缺资源的代用、二次能源的利用，以及各种节能、降耗、节水措施，合理利用自然资源，减缓资源的耗竭。（2）减少废料与污染物的生成和排放，促进工业产品的生成、消费过程与环境相容，降低整个工业活动对人类和环境的风险。6.2.2清洁生产的理论基础•废物与资源转化理论•生产过程最优化理论•社会化大生产理论废物与资源转化理论（资源效率理论）在生产过程中，产生的废物越多，则原料（资源）消耗越大，废料是由原料转化而来。清洁生产使废物最小化，其实质在于资源得到了最有效利用。生产中的废物具有多功能特性，一种生产过程中产生的废物可作为另一种生产过程中的原料（资源），资源与废物是一个相对的概念。清洁生产最好地体现了资源利用最大化，废物产生最小化，环境污染无害化。最优化理论清洁生产实际上是求解满足生产特定条件下使其物料消耗最少，而使产品产出率最高的问题。此问题的理论基础是数学的最优化理论。很多情况下，废物最小量化可表示为目标函数，而清洁生产则是求它在约束条件下的最优解。社会化大生产理论马克思主义认为，用最少的劳动消耗，生产出最多的满足社会需要的产品，是社会主义建设的最高准则。马克思曾预言：机器的改良，使那些在原有形式上本来不能利用的物质获得一种在新的生产中可以利用的形式，科学的进步，特别是化学的进步，发现了那些废物的有用性。当今社会化大生产和科学进步，为清洁生产提供了必要的条件。6.2.3清洁生产的内容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（一）清洁的能源1、最少的能量消耗；常规能源的清洁利用，如采用洁净煤技术，逐步提高液体燃料、天然气的使用比例；2、可再生能源的利用，如水力资源的充分开发和利用；3、低污染新能源开发，如核能、太阳能、生物质能、风能、潮汐能、地热能的开发和利用；4、各种节能技术和措施等，如在能耗大的化工行业采用热电联产技术，提高能源利用率。太阳能的利用冰岛地热资源（二）清洁资源1、最少的原材料消耗2、尽量少用、不用有毒有害的原料3、优化原材料使用，提高材料使用效率（三）清洁工艺及设备1、无毒、无害的中间产品；2、减少或消除生产过程的各种危险性因素，如高温、高压、低温、低压、易燃、易爆、强躁声、强震动等。3、少废、无废的工艺；4、高效的设备；5、物料的再循环(厂内、厂外)；6、简便、可靠的操作和控制；7、完善的管理等等。6.2.3清洁生产的内容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（四）清洁产品1、节约原料和能源，少用昂贵和稀缺原料，利用二次资源作原料；2、产品在使用过程中以及使用后不含有危害人体健康和生态环境的因素；3、易于回收、复用和再生；4、合理包装；5、合理的使用功能(以及具有节能、节水、降低躁声的功能)和合理的使用寿命；6、产品报废后易处理、易降解等。2月3日，在日本东京JVC公司的办公室里，一名雇员展示直径8厘米的环保DVD光盘和玉米棒。JVC公司采用科技手段研制出了一系列环保光盘，它们都是由以玉米淀粉为原料制成的塑料加工而成的。2月13日，日本电信巨头NTT公司在东京展示一款名为“袖珍加油站”的新型多用途太阳能充电器。图为同济大学的“超越二号”燃料电池轿车是中国首辆燃料电池轿车“超越一号”的改进型，最高时速超过115公里，0-100公里加速时间为26.7秒。“Helios”号是一种能够连续数月逗留在高空中的飞行器原型，它们计划用来代替某些通讯卫星和研究卫星。确保飞行器工作必需能量的太阳能电池安装在它的机翼上，其翼展比波音-747飞机的翼展还要大——约82米，同时其机身长度不超过4米。在2001年“Helios”号曾完成几次高空试飞，当时创下了试飞高度达2.95万米的新纪录。丰田发布使用锂电池的新型概念车日本专家用黄豆油驱动小拖拉机2004年5月27日，清华大学汽车系的仇斌老师在介绍他们研制的氢燃料电池车，由于得到了８６３计划的支持，他们把这辆车命名为“８６３路”。氢燃料电池车把氢气作为燃料，与传统汽车相比，无尾气排放，无污染，能效更高。酒精作燃料的飞机（五）清洁服务1、在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；2、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；（六）清洁管理现代化管理，优化生产组织，提高生产效率控制原料消耗岗位技术培训环节意识培养监督规范执行（七）清洁审计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筛选新的生产工艺提供环境影响定量数据。6.2.4实现清洁生产的途径•改进设计，使用清洁的能源和原料•采用先进的工艺技术与设备•改善管理，综合利用•从源头消减污染，提高资源利用效率•减少排放1、源削减（1）改进产品设计、调整产品结构。（2）用无害或少害的物料，不产生或少产生污染物。（3）改革工艺和设备