环境材料导论chp03资源的环境特征

第3章资源的环境特征北京大学环境科学与工程学院北京大学环境科学与工程学院材料与资源对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。材料的生产和使用与资源和环境有着密不可分的关系。北京大学环境学院3.1自然资源分类资源是指人类可以从自然界获得并用于生产和生活的物质。显然，资源是自然环境的重要组成部分，故通常又称为自然资源。北京大学环境学院3.1.1可耗竭资源定义：在任何对人类有意义的时间范围内，资源质量保持不变，资源蕴藏量不再增加的资源称为可耗竭资源。北京大学环境学院(1)可回收的可耗竭资源资源产品的效用丧失后，大部分物质还能够回收利用的可耗竭资源称为可回收的可耗竭资源。主要指金属等矿产资源，例如汽车报废后，汽车上的废铁可以回收利用。资源的可回收利用程度是由经济条件所决定的。只有当资源的回收利用成本低于新资源的开采成本时，回收利用才有可能。影响可耗竭资源开采量的因素有两个：价格因素和技术进步。北京大学环境学院(1)可回收的可耗竭资源可回收的可耗竭资源最终仍无法逃脱被耗竭的命运，但耗竭的速率是可变的，它取决于市场需求、资源产品的耐用性和回收利用该产品的程度。需要强调的是：可回收的可耗竭资源不可能100%地循环利用。根据化学热力学第二定律，“在一个封闭的系统内，无限的内循环是不可能的”。北京大学环境学院(2)不可回收的可耗竭资源使用过程不可逆，且使用之后不能恢复原状的可耗竭资源称为不可回收的可耗竭资源。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。由于不可回收的可耗竭资源使用过程的不可逆性，决定了使用机会只有一次。北京大学环境学院3.1.2可更新资源能够通过自然力以某一增长率保持或增加蕴藏量的自然资源是可更新资源。例如太阳能、大气、森林、鱼类、农作物以及各种野生动植物等。北京大学环境学院(1)可更新商品性资源财产权可以确定，能够被私人所有和享用，并能在市场上进行交易的可更新资源是可更新商品性资源。例如，私人土地上的农作物、森林等。北京大学环境学院(2)可更新公共物品资源不为任何特定的个人所有，但是却能为任何人所享用的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：消费具有不可分性或无竞争性，是指某人对某物品的消费完全不会减少或干扰他人对同一物品的消费；再是消费无排他性，指不能阻止任何人免费消费该物品。北京大学环境学院公共物品的可更新资源的非专有性属于公共物品的可更新资源是非专有的，非专有性是财产权的一种减弱，它将导致低效率。这种配制的结果是可更新资源过度开发，以及在管理、保护和提高生产能力方面投资不足。北京大学环境学院3.2自然资源的蕴藏量3.2.1已探明储量已探明储量是利用现有的技术条件、资源位置、数量和质量可以得到明确证实的储量。又分为：（1）采储量：为在目前的经济技术水平下有开采价值的资源。（2）待开采储量：定义为储量虽已探明，但由于经济技术条件的限制，尚不具备开采价值的资源。北京大学环境学院3.2.2未探明储量未探明储量是指目前尚未探明但可以根据科学理论推测其存在或应当存在的资源，分为：（1）测存在的储量：可以根据现有科学理论推测其存在的资源。（2）应当存在的资源：今后由于科学的发展可以推测其存在的资源。北京大学环境学院3.2.3蕴藏量资源蕴藏量等于已探明储量与未探明储量之和，是指地球上所有资源储量的总和。因为价格与资源蕴藏量的大小无关，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，蕴藏量是绝对减少的；对于可更新资源来说，蕴藏量是一个可变量。这个概念之所以重要，是因为它代表着地球上所有有用资源的最高极限。北京大学环境科学与工程学院3.2.4三个重要的物质循环自然界内处于千变万化中的物质欲维持质量——能量守恒，只有通过物质的循环来实现。一旦物质循环的程序局部发生故障，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、氧循环是三个最重要的循环。北京大学环境学院(1)碳循环：碳是构成有机物质的中心元素和构成地壳岩石及矿物燃料（煤和石油）的主要成分，也是构成各种材料，例如钢铁材料、高分子材料或陶瓷材料的基本元素之一。碳在钢铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料的一个重要化学元素和强化元素。北京大学环境学院(1)碳循环：在自然环境内，碳的循环主要是通过二氧化碳来进行的。由动物呼吸或矿物燃料的燃烧生成二氧化碳并放出热量。在生物圈中二氧化碳的循环（亦构成氧循环的一部分）主要表现在光合反应中。反应：6CO2+6H2O+2822J→C6H12O6+6O2北京大学环境学院(1)碳循环：碳循环始于CO2经绿色植物光合作用固定，以各种碳化物的形式储存，经过营养级的传递、分解，有一部分经过动植物的呼吸作用及动植物尸残体的分解转变为CO2，回归到大气中去；另一部分转入土壤或地下深层，经过漫长的演化转变成矿物。由于矿物燃料的燃烧，人类已经在全球尺度上影响CO2的生物地球化学循环，每年排放到大气中的CO2总量与日俱增，导致了地球表面热量不断积累，破坏了原来的热量平衡，形成“温室效应”。北京大学环境学院(1)碳循环：北京大学环境学院(2)氮循环氮是构成蛋白质的主要元素，而所有生物体内均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到自然界的各个领域。氮在材料工业中也起着重要作用。例如氮在铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料中的一个重要强化元素。同时氮还是金属基复合材料的一个强化相的组成元素，如AlN，TiN等等。北京大学环境学院(2)氮循环氮与碳不同，氮是一个变价元素，它有多种价态，如：+5，+3，+1，-1，-3等。这使得氮的循环通过各种价态化合物组成复杂的途径。北京大学环境学院(2)氮循环尽管大气圈中的分子态氮N2约占大气组成的79%（v/v），但是分子态氮对于生命是无效的。只有通过各种反应将N2转化成其它形态后，氮才能显示出生命活力。因此，氮与人类的生存密切相关。北京大学环境学院(2)氮循环在生物圈中氮的循环基本模式是植物吸收N2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，并和其他化合物进一步合成为植物有机体。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。食物链中成员的分解产物、排泄物在细菌的作用下转变成氨，亚硝化细菌把氨转化为亚硝酸盐，硝化细菌又进一步将亚硝酸盐转化为硝酸盐，在循环的末端，反硝化细菌把硝酸盐转变为分子态氮，又重新返回大气。北京大学环境学院(2)氮循环在自然界中，氮的化合物倾向于还原状态，常常存在于和氢化合的物质中，而较少存在于氧化状态。然而由于工业生产和人为原因带进环境中的氮几乎都是氧化状态，如NO，N2O等。北京大学环境学院(2)氮循环保持环境中氮氧化物的低浓度，对于自然界的平衡和生态系统的安全是非常重要的。由于矿物燃料燃烧及工业生产活动强度的日益剧增，使氮的循环受到了严重的干扰。目前，大气中的NO2以每年0.2～0.3%的速度增加，NO2的净增量每年达到了4×1012mol。北京大学环境学院(2)氮循环北京大学环境学院(2)氮循环氮在自然循环中的不平衡，将给生态系统带来极其严重的恶果。首先是因硝酸盐过量而污染天然水体，造成水体的富营养化，藻类过量繁殖。其次是硝酸盐对人类和动物生存的潜在危害。硝酸盐被人或动物摄取后，在细菌的作用下可能转化为亚硝酸盐。而亚硝酸盐除了能同血液中的红血球结合而破坏血液的输氧能力之外，还会同食物中的某些有机化合物起反应生成有致癌作用的亚硝胺化合物。气态的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。北京大学环境学院(3)氧循环正是由于氧在自然界中有巨大的含量及其活泼性的特征，致使环境中无处无氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中的循环是非常复杂的。在前面所述的两种循环中均有氧的参与，也构成了氧循环的一部分。北京大学环境学院氧循环北京大学环境学院氧循环在自然界中参与上述循环的碳、氮、氧实际上仅为其总量的几分之一，而大部分则储存在各自的“储库”之中。例如海洋是H2O的总储库，地壳的岩石为C和O的总储库，大气则为氮的总储库。因为参与循环的物质量相对其总量而言是极少的，所以各种物质循环一周所需的时间很长。且由于各类物质总储存量的不同，它们的循环周期的长短差别也很明显。北京大学环境学院氧循环据估计，水、氧和二氧化碳在四个圈层中的循环情况是：所有地球上的水被植物的光合作用所分解，到再次由于动植物细胞的生物氧化而生成，约需时间200万年。在此过程中产生的氧进入大气并约在2000年内进行再循环。CO2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。北京大学环境学院水、氧和二氧化碳的循环北京大学环境学院3.3能源消耗与环境能源是人类赖以生存和发展的不可缺少的物质基础，是材料生产的要素。目前人类使用的能源，特别是不可再生能源却是有限的，甚至是稀缺的。能源在不同程度上制约着人类社会的发展。由于利用方式的不合理，能源利用在不同程度上损害着地球环境，甚至威胁到人类自身的生存。北京大学环境学院3.3.1能源的分类能源是指提供可用能量的资源，其种类繁多，一类是比较集中且容易转化的含能物质，称含能体燃料（燃料能源），如煤炭、石油、天然气、沼气、氢等；另一类是可以利用的能量过程（非燃料能源），如太阳辐射、风力，潮汐等。北京大学环境学院能源的分类北京大学环境学院能源的分类北京大学环境学院能源的分类第一类能源：来自地球以外，主要来自太阳辐射，也包括太阳能转化而成的矿物能源（煤炭、石油、天然气）。第二类能源：来自地球内部，如地热、核能。第三类能源：来自地球和其他天体的运动作用，如风能，潮汐能，水能。北京大学环境学院3.3.2能源的利用与环境问题1)资源的枯竭能源利用推动了人类文明的发展。一个世纪以前，非商品能源（薪柴、农业废料和动物粪便等）占全部使用能源的52%，随后其分额即日趋下降。19世纪末20世纪初，煤炭成为其主要能源；20世纪中叶以后，进入了以石油、天然气为主要能源的时代，核能也得到一定的发展。到1970年，油、气占商品能源消费总量的64%。70年代以后，由于石油价格的上涨，石油的分额从1970年的46%降至1990年的36%，但石油仍是主要的商品能源之一。北京大学环境学院资源的枯竭北京大学环境学院资源的枯竭北京大学环境学院资源的枯竭石油储量中东地区占66.4%，超过了一半，中南美12.4%，非洲6.2%；天然气储量的分布，前苏联地区约40%，中东30%;煤炭的可开采年数相对较长，为219年。主要分布区域为美国，前苏联地区,中国和澳大利亚，分布区域较广，其资源寿命也比较长。北京大学环境学院资源的枯竭北京大学环境学院资源的枯竭据预测，OECD（经济合作与发展组织）各国的能源总需求将以年约1.3%的增长率增加，前苏联地区及中、东欧居中，其他国家约4%的增长率增长，预计每人的能源消耗（换算为石油，单位吨）将由1990年的1.55吨增加到2010年的1.71吨。北京大学环境学院2)能源的利用与环境公害事件生产力是社会进步的动力,而生产力的进步在很大程度上依靠能源利用的不断进步。在近代工业化革命短短的一二百年中，工业生产增加了50倍，矿物燃料的消耗也增加了30倍。更重要的是，人类创造物质财富能力的80%是在20世纪50年代以后产生的，人类消耗矿物燃料的能力60%也是在50年代以后产生的。北京大学环境学院与能源消费有关的环境事件北京大学环境学院人类对能源利用的认识（1）在较低水平上的可持续使用阶段。在人类进入工业化时代以前，能源的消耗还比较少。（2）能源，毫不节制的消耗阶段。工业革命之后，人类对能源的开发和利用有了巨大的变化，原始森林的急剧减少、大规模开发利用煤炭以及低廉的石油有力地支持了二战之后一大批老牌工业化国家的复兴和一大批新兴工业化国家的兴起。这一时期人类对能源的开发和利用可以说是掠夺性的。北京大学环境学院人类对能源利