1、第五章第五章 材料的生态设计材料的生态设计环境材料学环境材料学前言：生态设计的重要性前言：生态设计的重要性l设计至关重要，产品设计阶段决定了环境污染设计至关重要，产品设计阶段决定了环境污染的大小，例如杀虫剂、氟利昂等物质的大小，例如杀虫剂、氟利昂等物质l从材料或产品的生产技术的设计阶段就考虑到从材料或产品的生产技术的设计阶段就考虑到环境影响的因素环境影响的因素l适当的工艺设计，可减少或避免适当的工艺设计，可减少或避免90%90%的环境污的环境污染染目录目录l1.1.材料产业的可持续发展材料产业的可持续发展l2.2.材料的生态设计材料的生态设计l3.3.生态设计案例分析生态设计案例分析1.1.材
2、料产业的可持续发展材料产业的可持续发展1.1 可持续发展可持续发展l文明：人类在认识世界改造世界活动中所创造文明：人类在认识世界改造世界活动中所创造的物质成果和精神成果的总和。的物质成果和精神成果的总和。l各式各样的环境问题是人类文明进程中的伴生各式各样的环境问题是人类文明进程中的伴生物。物。人类文明发展的阶段特征发展形势发展形势狩猎文明狩猎文明农业文明农业文明工业文明工业文明后工业文明后工业文明时间时间B.C.200B.C.200万年万年B.C.1B.C.1万年万年B.C.1B.C.1万年万年1818世纪世纪1818世纪世纪今今天天今天今天态度态度依赖自然依赖自然改造自然改造自然征服自然征服
3、自然善待自然善待自然环境问题环境问题不明显不明显水土流失水土流失全球公害全球公害预防预防对策对策听天由命听天由命牧童经济牧童经济环境保护环境保护可持续发展可持续发展增长的极限提出的问题及措施问题：加速工业化、快速的人口增长、普遍的营养不良、不可再生的资源耗问题：加速工业化、快速的人口增长、普遍的营养不良、不可再生的资源耗 尽、环境恶化尽、环境恶化措施：措施：19751975年停止人口增长、年停止人口增长、19901990年停止工业投资增长年停止工业投资增长2020世纪全球十大环境问题世纪全球十大环境问题1 1气候变暖气候变暖6 6土地荒漠化土地荒漠化2 2臭氧层破坏臭氧层破坏7 7大气污染大气
4、污染3 3生物多样性减少生物多样性减少8 8水体污染水体污染4 4酸雨蔓延酸雨蔓延9 9固体废弃物污染固体废弃物污染5 5森林锐减森林锐减1010海洋污染海洋污染 上图总结了20世纪全球十大环境问题，可见各种各样的环境问题几乎都是人类文明进程中的伴生物传统的发展传统的发展l传统的发展只重视物质财富增加，只顾谋求自传统的发展只重视物质财富增加，只顾谋求自身的、局部的、暂时的经济性，进而带来全局身的、局部的、暂时的经济性，进而带来全局性的、影响后代子孙的灾难。性的、影响后代子孙的灾难。l伴随着环境问题的出现，以及对发展目标的重伴随着环境问题的出现，以及对发展目标的重新认识，人类开始反思，从而产生了
5、可持续发新认识，人类开始反思，从而产生了可持续发展的思想。展的思想。1972.6.5 斯德哥尔摩斯德哥尔摩 联合国人类环境研讨会上联合国人类环境研讨会上首次提出可持续发展的概念。首次提出可持续发展的概念。1987.4.27 世界环境与发展委员会世界环境与发展委员会 发表了一份发表了一份题为题为我们共同的未来我们共同的未来的报告，系统阐述了可的报告，系统阐述了可持续发展的思想：持续发展的思想：“既能满足当代人的需要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又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展的发展”。1992.6.3 里约热内卢里约热内卢 联合国环境与发展大会联合国环境与发
6、展大会 官方官方对可持续发展讨论的一个高峰对可持续发展讨论的一个高峰 大会通过了大会通过了里约热里约热内卢环境与发展宣言内卢环境与发展宣言以及以及二十一世纪议程二十一世纪议程。可持续发展可持续发展l 是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，它们是指经济、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，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。发展和安居乐业。l 可持续发
7、展与环境保护既有联系，又不等同。环境可持续发展与环境保护既有联系，又不等同。环境保护是可持续发展的重要方面。可持续发展的核心保护是可持续发展的重要方面。可持续发展的核心是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和是发展，但要求在严格控制人口、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会保护环境、资源永续利用的前提下进行经济和社会的发展。的发展。可持续发展的要点可持续发展的要点l不否定经济增长不否定经济增长l强调经济发展以自然资源为基础，同环境承载强调经济发展以自然资源为基础，同环境承载能力相协调能力相协调l生产过程中尽量少投入、多产出生产过程中尽量少投入、多产出l消费过程中尽量多
8、利用、少排放消费过程中尽量多利用、少排放l最终目标：实现经济效益、社会效益、环境效最终目标：实现经济效益、社会效益、环境效益的统一。益的统一。l材料工业是典型的资源消耗和环境污染过程。材料工业是典型的资源消耗和环境污染过程。l在材料工业中有效地利用有限的资源，减少材在材料工业中有效地利用有限的资源，减少材料对环境的负担性，具有重要意义。料对环境的负担性，具有重要意义。材料材料资源资源原料原料材料流材料流F-10F-10F-4F-4标准标准LCALCA方法方法数据库数据库指标指标污染控制污染控制污染修复污染修复再利用再利用污染治理污染治理清洁生产清洁生产再循环再循环环境工程材料环境工程材料环境降
9、解材料环境降解材料环境协调材料环境协调材料绿色材料绿色材料生态设计生态设计评价评价工艺工艺产品产品可持续发展可持续发展材料可持续发展的一些因素材料可持续发展的一些因素环境材料评价环境材料评价产品环境设计产品环境设计工艺过程环境负担性工艺过程环境负担性资源和能源效率资源和能源效率高投入、高消耗、高污染高投入、高消耗、高污染 低投入、低消耗、低投入、低消耗、低污染低污染资源节约型产品替代资源消耗型产品资源节约型产品替代资源消耗型产品环境协调工艺替代环境损害工艺环境协调工艺替代环境损害工艺技术先进生产过程淘汰技术落后生产过程技术先进生产过程淘汰技术落后生产过程精细化管理替代粗放化管理精细化管理替代粗
10、放化管理材料产业可持续发展的方向材料产业可持续发展的方向 实现材料可持续发展的关键在于：l在开发新材料，满足其需要的使用性能及可接受的经济性能的同时，注意材料的环境性能，包括降低资源和能源的消耗，减小环境污染，并提高其循环再利用率。l另外，材料科学技术的发展也使人类有能力考虑材料设计、生产、适用、废弃、回收等过程的环境问题。目前重点：目前重点：加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环利用的研究和应用，以提高资源效率；利用的研究和应用，以提高资源效率；在生产过程中采用清洁生产的工艺，向零排放在生产过程中采用清洁生产的工艺，向零排放零污染的方向努力；零污染的
11、方向努力；加强环境管理，特别是加强环境管理，特别是ISO14000ISO14000国际环境管理国际环境管理标准的推进有助于可持续发战略的事实。标准的推进有助于可持续发战略的事实。5.2 5.2 材料的生态设计：实现可持续途径材料的生态设计：实现可持续途径5.2.1 5.2.1 生态平衡生态平衡l生态系统内部，生产者、消费者、分解者和非生态系统内部，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。输入、输出动态的相对稳定状态。l污染物的排放破坏生态平衡（大气污染、温室污染物的排放破坏生态平衡（大气污染、温室效
12、应、臭氧层破坏）效应、臭氧层破坏）l环境材料与生态平衡：材料生产和使用过程中环境材料与生态平衡：材料生产和使用过程中维持生态平衡，实质是资源平衡、能源平衡和维持生态平衡，实质是资源平衡、能源平衡和环境平衡。环境平衡。生态设计的提出生态设计的提出l2020世纪世纪7070年代年代l为环境而设计、环保设计为环境而设计、环保设计l性能设计、成本设计、环境设计（生态设计）性能设计、成本设计、环境设计（生态设计）图5.2生态设计的基本思想生态设计的基本思想l在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，力求使产品对环境的影响降入产品设计之中，力求使产品对
13、环境的影响降到最小。对工业设计而言，生态设计的核心是到最小。对工业设计而言，生态设计的核心是3R3R，减少物质和能源的消耗，减少有害物质的，减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并循环利用。回收并循环利用。生态设计的内容生态设计的内容l材料的选择与管理、材料的选择与管理、l产品的可拆卸性设计、产品的可拆卸性设计、l产品的可回收性设计、产品的可回收性设计、l产品包装与工艺技术设计产品包装与工艺技术设计l图图5.35.3生态设计原则生态设计原则l 首先考虑所有材料、能量输入和输出，尽可能为无害而努力；首先考虑所有材料
14、、能量输入和输出，尽可能为无害而努力；l 预防废弃物的产生比废弃物的处理和清除更重要；预防废弃物的产生比废弃物的处理和清除更重要；l 后处理过程设计为能源、处理消耗最省；后处理过程设计为能源、处理消耗最省；l 产品、过程和系统的设计必须考虑所有被投入的能量与物质的产品、过程和系统的设计必须考虑所有被投入的能量与物质的综合利用；综合利用；l 产品、过程和系统的设计应该使物质、能量、空间和时间都能产品、过程和系统的设计应该使物质、能量、空间和时间都能达到最高效率；达到最高效率；l 在考虑再循环、再利用效果时，所有过程都应该被认为是一种在考虑再循环、再利用效果时，所有过程都应该被认为是一种投资；投资
15、；l 产品耐久性是一个设计目标，但不是永久性；产品耐久性是一个设计目标，但不是永久性；l 如果技术方案中含有不必要的成本或投资，这个方案需要重新如果技术方案中含有不必要的成本或投资，这个方案需要重新考虑；考虑；l 为便于回收，尽量降低产品所含材料成分的多样性；为便于回收，尽量降低产品所含材料成分的多样性；l 产品、过程和系统应该考虑服役后的影响；产品、过程和系统应该考虑服役后的影响；l 尽可能使所投入的材料和能源能够再回收利用。尽可能使所投入的材料和能源能够再回收利用。5.2.3 5.2.3 材料生态设计方法材料生态设计方法l面向产品的整个生命周期，是从摇篮到再生的面向产品的整个生命周期，是从
16、摇篮到再生的系统设计，是在根本上防止环境污染、节约资系统设计，是在根本上防止环境污染、节约资源和能源的一种重要系统过程。源和能源的一种重要系统过程。l主要包括主要包括系统设计：整体性、综合性、最优化系统设计：整体性、综合性、最优化模块化设计（汽车、计算机、复印机等）模块化设计（汽车、计算机、复印机等）长寿命设计长寿命设计再生设计：回收可能性、回收价值、回收处理再生设计：回收可能性、回收价值、回收处理方法等方法等关于材料再生设计关于材料再生设计l直接再利用（砖瓦）直接再利用（砖瓦）l零部件的回收再利用（标准通用）零部件的回收再利用（标准通用）l作为原料再利用（塑料回收）作为原料再利用（塑料回收）
17、l能源回收再利用（废热余热再利用）能源回收再利用（废热余热再利用）5.3 5.3 生态设计案例分析生态设计案例分析l5.3.1 Ecosystems Brand5.3.1 Ecosystems Brand家具设计家具设计原料生态化，减少材料种类和二次加工原料生态化，减少材料种类和二次加工原材料消耗最小化，提高资源效率原材料消耗最小化，提高资源效率可拆卸设计，方便运输和分类回收可拆卸设计，方便运输和分类回收提供统一回收途径，提高资源循环利用率，减提供统一回收途径，提高资源循环利用率，减少废弃物少废弃物l图图5.55.55.3.2 5.3.2 家电行业的生态设计家电行业的生态设计日本的成功经验日本
18、的成功经验l 提出提出“电子废物处理厂电子废物处理厂”视作生产新资源的视作生产新资源的“再生再生原料生产厂原料生产厂”的全新理念的全新理念l 编制编制家电产品再生利用性评价手册（导则）家电产品再生利用性评价手册（导则），积极引导家电生产厂采用生态设计，进行新产品评积极引导家电生产厂采用生态设计，进行新产品评价价l 制定废弃家电产品再生利用指标并适时调整；制定废弃家电产品再生利用指标并适时调整；l 废弃家电处理信息反馈废弃家电处理信息反馈l 实现实现“从家电到家电从家电到家电”封闭式再生利用封闭式再生利用冰箱小型化和节能设计冰箱小型化和节能设计集中化设计减少资源和能源消耗集中化设计减少资源和能源
19、消耗l笔记本和台式机笔记本和台式机l智能手机智能手机模块化设计和可拆卸性设计模块化设计和可拆卸性设计l便于维护和回收便于维护和回收图5.7环保收音机环保收音机机壳用木头制成，待机耗电低，机壳用木头制成，待机耗电低，机身外覆水性涂料，外包装材料机身外覆水性涂料，外包装材料70%70%可回收，可回收，说明书使用再生纸说明书使用再生纸根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现（根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现（1 1）金属材）金属材料，（料，（2 2）高分子材料，（）高分子材料，（3 3）无机非金属材料（选一种）无机非金属材料（选一种）的可持续发展，并提出几项可具体实施的技术措施的可持续发展，并提
20、出几项可具体实施的技术措施。l 金属材料：金属材料：1.1.利用微生物冶金；利用微生物冶金；2.2.代替含稀缺合金元代替含稀缺合金元素的新型合金材料和不含毒害元素的材料，素的新型合金材料和不含毒害元素的材料，3.3.金属废金属废弃物无害资源化转化技术；弃物无害资源化转化技术；4.4.开发通用合金，形成绿开发通用合金，形成绿色色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。l 高分子材料：高分子材料：1 1）建立必要的法规，加强全民的环保）建立必要的法规，加强全民的环保意识；意识；2 2）回收塑料，变废为宝，燃烧废旧塑料利用）回收塑料，变废为宝，燃烧废旧塑料利用热能，热分解提取化工原料和改进操作技术、设备；热能，热分解提取化工原料和改进操作技术、设备；3 3）发展环境友好高分子：可降解塑料的开发和合成，）发展环境友好高分子：可降解塑料的开发和合成，采用生物发酵的方法合成的生物高分子。采用生物发酵的方法合成的生物高分子。
