环境材料导论chp08材料和物质的再生循环

第8章环境材料与物质的再生循环北京大学环境学院北京大学环境学院第8章环境材料与物质的再生循环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。北京大学环境学院8.1再生循环———可持续发展的途径8.1.1再生循环的背景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）。最初，再生循环只是从单纯经济的价值观来考虑的，最近人们已将废弃物处理，节省资源，节约能源，控制排污等作为环境保护的重要措施而备受重视。如何减少废弃物也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。再考虑到发展中国家的现代化过程和人口急剧增加带来的新问题，那么要继续维持像现在这种大量生产、大量消费、大量废弃的“文明”只不过是一个梦而已。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。为此，需要熟知自然循环系统的性质，并且根据具体情况以自然循环为模型来设计人类圈的物质循环。（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。在材料的废弃和再生的过程中，严格控制数量，并使其处于不活波状态。北京大学环境学院8.1.2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。例如：对于资源趋于枯竭的物质，可以忽略消耗和所需的费用加以回收利用；若以节能为目的，则应通过比较再生循环可带来的能耗降低与进行回收、分选时所需能耗的相对大小来选择最合适的途径和比例。北京大学环境学院再生循环的形态(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，如家中的已用过的衣服和旧家电等的利用。(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。例如：废弃汽车的保险杆可以拆下来装配在相同型号的汽车上，收集坏旧自行车的零件可以装配一辆新自行车等。(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。废弃塑料可以再加工成容器，也可以分解成单体，视具体情况而定。金属可简单的回炉重熔，也可将合金分离成各构成元素。(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再一起的能量块。如废弃旧塑料，可分解成燃油，也可以直接焚烧，作为热能利用。北京大学环境学院8.1.3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：1.分类回收；2.购买再生原料制品。(2通过再生循环获得廉价的原材料，一方面，再生循环降低了原材料的成本，另一方面回收、分类和精炼等过程要花费一定的费用。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：为提高再生循环率,可降低再生循环的费用,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，一味提高回收率就不可避免的混进一些低劣品，从而降低回收品的质量。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。(4)再生循环的发展方向A.杂质无害化技术：以使用再生资源为前提条件来生产材料，就得除去混进来得杂质或使其变得无害。B.通用性材料：若以杂质的存在为前提条件（允许杂质存在），那么材料的制造、使用方法，具有优良通用性的标准材料则是研究的课题。C.长寿性材料：延长材料得使用寿命，减少废弃。环境问题是社会文化，社会体系及技术之间相互协调才能够解决的大问题。作为技术工作者，不仅要适应再生循环，而且必须以锲而不舍的精神致力于材料和产品的再生循环。北京大学环境学院8.2面对再生循环的环境保护政策8.2.1欧洲的环保政策欧洲各国对环境保护持积极态度。德国的“废弃物处理法”是1972年制定的，先后经历四次修改；1986年的修订将其名称改为“废弃物的限制及废弃物处理法”，这样将“怎样处理废弃物”的观点，提高到了“怎样减少废弃物的产生”为重点的方向。根据这个法律，1991年公布了禁止使用氟里昂（flon）和哈龙（halon）的条例；同年将“关于包装政令”的运用范围阶段性地扩大到运输包装物和二次包装物，并从1993年3月开始对包括商品包装在内的所有包装物生效。这个“包装政令”将捆包、包装物的回收规定为义务，设定了再生循环利用的目标。例如：规定的包装材料包括玻璃、白铁皮、铝、纸、塑料、复合物等，作为预期目标1995年回收率为80%，再生循环率为64%～72%。为了与这个政令配合。成立了DSD（DuelSystemDeutschlaud）公司。对每一包装，如企业向DSD公司支付约1美分，则可得到一份绿色标签，这样DSD公司负责从各个家庭的回收箱中回收包装物并进行再生利用，并已经形成了一个完整的体系。像这类的法律。现在已经涉及到了废旧电池、家用电器及汽车。北京大学环境学院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。北京大学环境学院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。北京大学环境学院8.2.2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。活动对象包括报纸、铝易拉罐、玻璃瓶、包装纸、白铁罐及一些塑料容器等及电池。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。北京大学环境学院8.2.3日本再生循环法规的实施对于主要资源依靠进口的日本，由于垃圾大量增加，随之造成环境的恶化。为处理这些问题，地方财政和国民负担加重。在这样的背景下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。提高再生资源的利用率，配备必要的设备，提高技术。包括造纸业（利用旧纸张为原料），玻璃容器制造业（利用碎玻璃为原料）、建筑业（利用土沙、混凝土、沥青混凝土块作为原料）。北京大学环境学院2)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。另外对修理业要求在部件交换，使用后部件分类等方面下工夫。被指定产品包括：汽车、大型家电产品（空调机、电视机、录像机、电冰箱、洗衣机）和使用镉、镍电池的家用电器等。北京大学环境学院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。还要对计划的实施状况进行记录。被指定的物品有：废钢铁、煤渣、土砂、混凝土，沥青混凝土块及木材等北京大学环境学院8.3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北京大学环境学院8.3.2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。北京大学环境学院当用户预定具有某一性能的材料时，如果生产厂家的材料技术者能在考虑再生循环和节约稀有金属的基础上选择化学组成、设计制造工艺并进行生产的话，那将是十分了不起的北京大学环境学院8.3.3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。复合材料的特点之一就是可以根据使用目的进行设计和制造；而金属材料即使化学成分相同，也能通过改变微观组织使它的性能发生很大的变化，因而可以说金属材料是可进行设计的材料。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。北京大学环境学院8.3.4复合材料与环境材料塑料作为有机材料的代表，以其轻质和柔软性的特长而被广泛地使用。但是，大多数塑料的机械强度低，作为结构材料尚有一些问题。另一方面，玻璃纤维、碳纤维等无机材料机械强度优异，具有结构材料的良好基础性能；但脆性大，粘接性差是其缺点。因此，把这些材料复合成兼备两者长处的复合材料，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。然而，当考虑这种复合材料的再生循环时，常常会遇到许多困难。例如，为了再生，首先需粉碎原料，然后再熔融成形，但在这种情况下，材料中所含的使机械强度增强的玻璃纤维也一并被粉碎了，再生循环作为产品时，机械强度就会变低，从而失去了复合材料的特长。北京大学环境学院8.3.5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的研究。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。尼龙6工程塑料与维克托莱LCP通过共混使之复合化，经注塑成型可得到与玻璃纤维强化塑料（FRP）强度相当，且再生循环时机械强度几乎不降低的材料。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。而且由于温度一下降即发生纤维化，因而是一种轻质、高强度的材料。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。在此过程中，必须调节成形温度和混合状态，使原纤维的成长最优化，让LCP弥散分布在基体当中。用这个方法得到的复合材料必须设法提高基体和原纤维间的结合力。这是因为成形时施加的剪切力会使LCP原纤维断裂而失去机械强度的缘故。为了防止这种情况发生，增强两者的亲和力，添加环氧树脂等相溶剂是一个要点。这样得到的材料抗拉强度，弯曲弹性模量等会增加，与非强化的尼龙相比性能可以得到大幅度提高。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。北京大学环境学院8.3.6热塑性弹