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环境材料学 — 材料的环境影响评价. 主要内容:. 材料的环境协调性评价 常见的环境指标及其表达方法 材料的环境影响评价方法与标准 LCA 的技术框架及评价过程. 质量判据 经济判据 资源判据 能源判据 环境判据. 判断依据. 如何判断是否是环境材料. I 、材料的环境协调性评价. 环境材料主要的问题就是: 强调人类与环境的关系必须发生变化 ( 消耗型 转变为资源 再生型 ,从 损坏环境 转变为与 环境协调 的生产、生活方式)。
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主要内容: • 材料的环境协调性评价 • 常见的环境指标及其表达方法 • 材料的环境影响评价方法与标准 • LCA的技术框架及评价过程
质量判据 经济判据 资源判据 能源判据 环境判据 判断依据 如何判断是否是环境材料
I、材料的环境协调性评价 环境材料主要的问题就是:强调人类与环境的关系必须发生变化(消耗型转变为资源再生型,从损坏环境转变为与环境协调的生产、生活方式)。 在可持续发展思想的指导下,评价系统包括:材料的环境负荷评价系统、材料对自然环境的作用程度评价、现用材料的合理性评价、环境材料的论证体系及其标准、材料再生的合理性评价等。
II、常见的环境指标及其表达方法 • 能耗 • 环境影响因子 • 环境负荷单位 • 单位服务的材料消耗 • 生态指数 • 生态因子
能耗 • 能耗一项指标难以综合表达对环境的复杂影响,故在全面的环境影响评价中,已基本淘汰能耗表示法。
能效标准把能效水平分从高到低分为1、2、3、4、5五级进行区分,2级以上的产品才称得上是节能产品。能效标准把能效水平分从高到低分为1、2、3、4、5五级进行区分,2级以上的产品才称得上是节能产品。 • 能耗限定值E=[(VF×2.15+VR)×FC×0.777+303]÷365
环境影响因子- environmental affect factor, EAF 表达材料对环境的影响: EAF=[资源,能源,污染物,生物影响,区域性] 比能耗指标要全面综合一些。
环境负荷单位 环境负荷单位是用一个综合的指标,包括能 源、资源、环境污染等因素来评价某一产品、 过程或事件对环境的影响。
单位服务的材料消耗 单位服务的材料消耗量(materials intensity per unit of service, MIPS),指在某一单位过 程中的材料消耗量,这一单位过程可以是生 产过程也可以是消费过程。
生态指数 生态指数表示法(eco-point):对某一过程 或产品,根据其污染物的产生量及其他环 境作用大小,综合计算出该产品或过程的生 态指数,判断其环境影响程度。
生态因子 生态因子(eco-indictor, ECOI): • 主要两部分:一部分是材料的环境影响(EI),包括资源、能源的消耗,以及排放的废水、废气、废渣等污染物,加上其他环境影响,如温室效应、区域毒性水平,甚至噪声等因素; • 另一部分是材料的使用或服务性能(SP) ECOI=EI/SP
III、材料的环境影响评价方法与标准 早期单因子法进行评价,但是单因子很难 反映出环境影响的综合效应。 到20世纪90年代初,提出了一个综合的 评价方法——生命周期评价方法(life cycle assessment,LCA)。
LCA 起源 • 20世纪60年代---“物质-能量流平衡方法” • 80年代------“从摇篮到坟墓”的生命周期评价技术 • 1990年8月由国际环境毒理学与化学学 会(SETAC, Society of Environmental Toxicology and Chemistry)正式给出LCA的定义和规范。
LCA 定义:是一种评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。 目的:在于寻求改善环境影响和合理利用资源的途径。即从“摇篮”到“坟墓”的整个周期。 基本思想是:产品设计应着眼于整个周期过程,以使最终的设计达到环境保护和资源合理利用的目的。
LCA的评估对象 • ISO明确定义了LCA的评估对象是产品系统或服务系统造成的环境影响,而不是评估空间意义上的环境的质量,这与环境科学中的环境质量评估有着根本区别。另外,LCA方法着眼于产品生产过程中的环境影响,这与产品质量管理和控制等方法也是完全不同的。 • 其次,LCA的评估范围要求覆盖产品的整个寿命周期,而不只是产品寿命周期中的某个或某些阶段。
实施LCA的主要目的 • ①帮助提供产品系统与环境之间相互作用的尽可能完整的概貌; • ②促进全面和正确地理解产品系统造成的环境影响; • ③为关注产品或受产品影响的相关方(interested party)之间进行交流和对话奠定基础; • ④向决策者提供关于环境的有益的决策信息; • ⑤LCA方法鼓励各种组织,尤其是企业,将环境问题结合到他们的总体决策过程中。
LCA的特点 • 首先,LCA方法不是要求企业被动地接受检查和监督,而是鼓励企业发挥主动性,将环境因素结合到企业的决策过程中。 • 其次,LCA评估建立在Life Cycle概念和环境编目数据的基础上,从而可以系统地、充分地阐述与产品系统相关的环境影响,进而才可能寻找和辨别环境改善的时机和途径。这体现了环境保护手段由简单粗放向复杂精细发展的趋势。
这一结构也叫SETAC三角形,即:编目分析(Inventory analysis)、损害评价(Impact assessment)、改进评价(Improvement assessment)。即由三个顶点(3I)和中心(定义目标和范围)构成。
目标和范围确定 • 目标的定义包括:目的、原因和评价结果的输出方式。 • 研究范围包括:规定评价边界、选择和优化评价的模型、明确数据的要求、规定审核方法、审核报告的格式与类型等。必须与目标相一致。
编目分析 • 定义:是对系统边界内的所有过程中资源的能耗及“三废”排放量对环境负载的影响进行量化的合理分析。 • 核心:是建立以产品功能单位表达的产品系统(评价对象)的输入和输出。根据物质平衡及能量平衡进行正确的调查。 • 数据获得:正式出版的文献或有关论文;各类统计年鉴和报表;有关环境数据手册;国家统计局统计结果;各行业的有关环境统计分析资料等。
影响评估 • 是对编目分析阶段所识别的环境影响压力进行定量或定性的确定、表征和评价,即确定产品系统的物质和能量交换对其外部环境的影响。 步骤: • 分类 • 表征 • 归一化 • 评价
评估结果分析 • 是在清单分析和影响评价基础上,系统地评估产品、工艺过程或活动的整个生命周期内削减能源、原材料的使用和减少废物排放的机会及可能采取的措施。
IV、常用的LCA评价模型 • 关于LCA评价模型可分为精确方法和近似方法,前者有输入输出法,后者有线性规划法、层次分析法等。
V、LCA应用实例1—建筑瓷砖的环境影响评价 • 该瓷砖生产线的年产量为30万m2,采用连续性流水线生产。所需原料有钢渣、黏土、硅藻土、石英粉、釉料以及其他添加剂等,消耗一定的燃料、电力产水,排放出一定的废气、废水、废渣。
实例2—用层次分析法评价 • 定义一个环境指数为LCA的评价目标。
LCA应用实例3—目标和范围的确定 本研究的目的是对聚甲醛基自润滑材料在其原材 料的提取、制备、使用、废弃和再利用的全过程中的 物质、能量输入输出及其污染排放物对环境造成的影 响进行了评价。这一模式能够定性和定量的评价自润 滑材料在整个生命周期中的环境行为。
编目分析的主要范围 物质输入 能量输入 化学回收 机械回收 三废输出 能量输出 其他释放物 能量输出 原料获取 精 炼 制造单体 化学合成 产品废弃 形成产品 运 输 聚合物造粒
产品系统工艺流程图 烘 干 油井操作 原油运输 原油炼制 石油生产 聚合物造粒 单体合成 单体生产 混 合 加入填料 回收利用 模压成型 烧 结 使 用
简式生命周期评价矩阵的应用 • LCA作为一个环境管理决策工具存在着理论和实践上的局限性。研究者必须经常依据工程估计或专业判断等来获取数据,其结果可能造成较大的数据误差,另外从实践上看,完成一个完整、有效的生命周期评价需要较高的费用和很长的时间。 • 简式生命周期评价矩阵是一种半定量的方法,其评价系统为5×8二维矩阵,其中一维代表产品生命周期的5个阶段:原料获取、产品生产、销售(包括运输)、产品使用、回收或处置;另一维代表环境因素,为了全面描述产品生命周期全过程的环境行为,一般选定8个环境因素:有害物质、大气污染、水污染、土壤污染、固体废物、噪声、能源消耗、资源消耗。 • 研究者根据每个元素对环境影响程度的不同划分为5个等级(以数值0,1,2,3,4表示),其中数值越小,表示污染越重。在对矩阵中每个元素取值之后,按照每个元素所得的数值求和作为评价指数。
生命周期阶段 有害物质 大气污染 水污染 土 壤污染 固体废物 噪声 能源消耗 资源消耗 总计 产品获取 2 3 3 4 3 4 3 2 24 产品生产 2 2 2 4 3 3 3 1 20 销售 4 4 4 4 4 4 3 3 30 使用 4 4 4 4 4 4 4 4 32 回收处理 4 2 3 3 0 3 3 3 21 总计 16 15 16 19 14 18 16 13 127 数据收集 聚甲醛基自润滑材料环境影响评价矩阵评分结果
VI、LCA的局限性: • 应用范围的局限性 • 评估范围的局限性 • 评估方法的局限性
应用范围的局限性 • LCA只考虑生态环境、人体健康、资源和能源消耗等方面的影响因素,不涉及技术、经济或社会效果方面的评价; • 不考虑诸如质量、性能、成本、利润、公众形象等影响因素。
评估范围的局限性 • 时间和地域范围的影响 ; • 风险范围界定的局限性
评估方法的局限性 • LCA的评价方法既包括了客观因素,也包括主观因素; • 标准化方面
VII、材料的环境性能数据库 • 建立材料性能数据库的基本原则 • 常用环境数据库介绍
建立材料性能数据库的基本原则 • (1)有一定的通用性: • (2)要具有可比性; • (3)应具有服务性的功能; • (4)具有预测性的功能。
常用环境数据库介绍 • 国际上,提出了一种统一的编目数据格式-SPOLD格式,还建立了一个SPOLD数据库网络。 http://www.spold.org • 我国材料环境影响数据库研究始于90年代中期,如清华大学建立的涂料及表面材料环境影响数据库.重庆大学莲立的金属材料环境影响数据库等 • SimaPro软件
SimaPro软件 • 可完整应用于生命周期评估--清单及影响评估的各个阶段,亦可应用于不同生命周期工序阶段。; • ·丰富的环境负荷数据库,如 ETH-ESU96(能源、电力制造、运输),BUWAL 250 (包装材料的产品、运输、销售及最后处置方面),IDEMAT 2001 (不同材料、工艺和工序的工业设计方面),Dutch concrete(水泥及混凝土), IVAM (用于建筑部门的超过100种材料和250个工艺生产的有关能源和运输方面)等; • ·提供多种评价方法,如 Eco-Indicator99,Ecopoints97,CML 92,CML 2(2001),。用户可以选择一种评价方法模型进行单一评价,也可以同时针对一种产品或服务选择多种评价模型进行对比评价; • ·使用界面良好,提供向导式的评价模式,自动生成评价工艺流程图,大幅度降低了专业软件的使用难度,便于用户使用和易于理解; • 数据处理的图形化,可以直观地描述各工序对整个产品或材料的环境负荷的供献。 • 该软件也正在将技术、经济分析引入到评价体系中。 ·