IPAT homework solution

1. IPAT homework solution USA China Brazil ในอดีตในปี 1990 ประเทศอเมริกาปล่อย CO2 ในปริมาณมากกว่าจีนและบราซิลมาก แต่เนื่องด้วยการเพิ่มของประชากรอย่างรวดเร็วของจีนประกอบกับเทคโนโลยีที่จีนใช้ยังไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเท่าไรนักเมื่อเทียบกับอีก 2 ประเทศ ทำให้คาดว่าหลังจากปี 2020 โดยประมาณ ปริมาณ CO2 ที่จีนปล่อยต่อปีจะมากกว่าปริมาณที่อเมริกาปล่อย

2. Industrial Ecology and Multi-Lifecycle Engineering Dr. Sun Olapiriyakul ดร. สัณห์ โอฬาพิริยกุล sun_ola@hotmail.com Lecture 4 - Material Flow Analysis (MFA) Part1

3. Multi-Lifecycle Engineering Tools for Industrial Ecology

4. Multi-Lifecycle Engineering Tools for Industrial Ecology • Material and energy flow analysis at a variety of spatial scales and focusing on individual businesses, industrial sectors and entire economies • Life Cycle Assessments • Tools for measuring environmental performance • Design and analysis tools for improving environmental performance and EOL management • System analysis and simulation tools for understanding impact of potential disruption and appropriate business continuity management strategies

5. US Geological Survey (USGS) Material Flow Analysis Materials flow,in its most literal sense, is a systems approach to understanding what happens to the materials we use from the time a material is extracted, through its processing and manufacturing to ultimate disposition. With this knowledge, we can better manage the use of natural resources and protect the environment.

6. Material Flow Analysis Methodology and Framework Definitions Definitions MFAเป็นวิธีการศึกษาหาข้อมูลเชิงปริมาณว่าเกิดอะไรขึ้นกับ material ที่เราใช้เริ่มตั้งแต่ขั้นตอนการสกัดวัตถุดิบ (raw material extraction) การผลิต (processing) การใช้ และการกำจัดซาก เพื่อเป็นข้อมูลในการบริหารจัดการการใช้ทรัพยากรธรรมชาติได้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่เป็นภัยต่อสิ่งแวดล้อม หลักการของ Mass Balance ถูกใช้ในการเก็บข้อมูลดังกล่าวซึ่งครอบคลุมถึง น้ำหนักกของ materialและ ปริมาณของพลังงานที่ไหลเข้าออกในแต่ละส่วนของระบบ MFAเป็นวิธีการศึกษาหาข้อมูลเชิงปริมาณว่าเกิดอะไรขึ้นกับ material ที่เราใช้เริ่มตั้งแต่ขั้นตอนการสกัดวัตถุดิบ (raw material extraction) การผลิต (processing) การใช้ และการกำจัดซาก เพื่อเป็นข้อมูลในการบริหารจัดการการใช้ทรัพยากรธรรมชาติได้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่เป็นภัยต่อสิ่งแวดล้อม หลักการของ Mass Balance ถูกใช้ในการเก็บข้อมูลดังกล่าวซึ่งครอบคลุมถึง น้ำหนักของ materialและ ปริมาณของพลังงานที่ไหลเข้าออกในแต่ละส่วนของระบบ MFA ใช้หลักการของ Mass Balance คือ Inputs = Outputs Extractions + Imports = Consumptions + Accumulation+Exports + Wastes !!Assumption: Without chemical reaction

7. Scales of MFA • ระดับประเทศหรือภูมิภาค (on a national or regional scale) • ระดับภาคธุรกิจหรือบริษัทที่อยู่ในห่วงโซ่อุปทาน (suppy chain) • ระดับวัฏจักรชีวิตของผลิตภัณฑ์ ซึ่งถือเป็นขั้นตอนการทำ life cycle inventoryของlife cycle assessment(LCA)

8. Industrial Material and Energy Flows

9. Overall Structure of Material Flow Accounts

10. Examples of Entries in a Material Flow Account Domestic Input: Imports: Hidden Flows หรือ Indirect Flows: Stock (accumulation): Exports: Zinc ที่มาจากการทำเหมืองในประเทศ* Zincที่นำเข้าจากต่างประเทศ เศษวัสดุส่วนเกิน(ขยะ)จากการทำเหมือง และสิ่งที่ปล่อยออกมาในรูปของก๊าซและฝุ่นละออง สิ่งก่อสร้าง ผลิตภัณฑ์อีเล็คโทรนิก ที่ใช้อยู่ในประเทศ สินค้าส่งออกที่มี Zincเป็นส่วนประกอบ *เหมืองสังกะสีและโรงถลุงในไทย ตั้งอยู่ที่ ต.ผาแดง อ.แม่สอดจ.ตาก Antamina Copper-Zinc Mine, Peru carbon-zinc battery

11. Air & Water Water vapor Foreign Hidden Flows Domestic Processed Output (DPO) To Air, Land and Water DMI TMR TDO Domestic Hidden Flows Domestic Hidden Flows Material Flow Structure In a Regional Metabolic Analysis Exports Target Economy Imports Domestic Extraction Stocks Domestic Environment

12. TMR Total Material Requirement = DMI + Domestic Hidden Flows + Foreign Hidden Flows DMI Direct Material Input = Domestic Extraction + Imports TDO Total Domestic Output = DPO + Domestic Hidden Flows NAS Net Addition to Stocks = DMI – DPO – Exports DPO Domestic Processed Outputs = DMI – NAS – Exports Definitions and Relationships Terms associated with MFA framework model on previous slide

13. How Important Are? • Hidden flows • Coupled flows • Stock accumulation and products

14. Hidden Flows Hidden flow คือ flow ของ material ชนิดนึงที่แฝงมาใน flow ของ material อีกชนิดนึง โดยที่ material ที่แฝงมานี้อาจอยู่ในรูปของ ส่วนที่ทิ้งไปจากการสกัดแร่ (residues) หรือ สิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการ (contaminants)

15. Hidden Flows Residues ที่เกิดขึ้นจากการทำเหมืองแร่ต่างๆไปอยู่ที่ไหน??

16. Hidden Flows

17. Metals Case Studies A more detailed look at the structure of material flows. Why Metals?

18. Metals Case Studies Consider 4 metals and some interesting questions associated with their use. Cadmium Should Cd in batteries be phased out? Arsenic Should the use of CCA treated lumber be phased out? Silver Where did the silver in San Francisco Bay come from? Mercury Will controlling mercury from power plant emissions significantly lower exposures?

19. US Cadmium Flows in 1998 A case study of coupled and hidden flows Hidden flow

20. What do we mean by coupled flows? Consider how Cd is produced: Pyrometallurgical refining of zinc concentrates เมื่อนำแร่ที่มีความเข้มข้นของสังกะสีสูง (Zinc concentrates) มาสกัดโดยผ่านขั้นตอนที่มีความร้อนสูง จะได้ Zinc metal และ Cadmium metal Coupled flows Zinc concentrate is a semi-processed intermediate product used in the production of zinc metal

21. Metals Case Studies A case study of coupled and hidden flows Cd เป็น by product ของ Zn เมื่อสกัด Zn จะได้ Cd ออกเป็น output ด้วยการทำเหมือง Zn และ Cd จึงทำควบคู่กันไปได้ ในกรณีนี้ flow ของ Zn และ Cd นับได้ว่าเป็น coupled flows ในขณะเดียวกัน Zn ที่สกัดออกมาได้ก็จะมี Cd ปะปนอยู่ในรูปแบบของสิ่งเจือปน (contaminant) ในกรณีนี้ จัดว่า Cd เป็น Hidden flowที่มากับ Zn !! Cd is mined exclusively as a by-product of zinc production. If Cd is prohibited from use in batteries but zinc production continues to increase, Cd may just be displaced from product waste to mine waste! (ถ้าห้ามใช้ Cd ใน batteries แล้ว ก็มีโอกาสที่จะถูกปล่อยออกจากเหมืองแร่แทน)

22. Where is the bulk of the Cd released to the environment coming from? Cd is a trace contaminant in N-P-K fertilizer. If 40 million tons of phosphate are used annually in US and 100 ppm is Cd, then 4000 tons of Cd is applied to land, equivalent to all the apparent production! Approximately, 100 ppm

23. Arsenic (As) สารหนู A case study of stock accumulation. สารเคมีที่ทำจากสารหนูซึ่งเรียกว่า Chromated Copper Arsenate หรือ CCA ถูกนำมาใช้ในการรักษาคุณภาพไม้และมีการใช้แพร่หลายในการสร้างรั้วบ้าน อุปกรณ์สนามเด็กเล่น ทางเดินเล่น สารหนูเป็นสารที่ก่อให้เกิดมะเร็ง (Carcinogen) ในมนุษย์ สารหนูโดยปกติสามารถเข้าสู่ร่างกายมนุษย์ได้ทางการหายใจ การดูดซึมของลำไส้ และผ่านผิวหนังเด็กที่สัมผัสกับสารเคมี CCA บ่อยครั้งจะเผชิญกับความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นจากการเกิดโรคมะเร็งในปอด โรคมะเร็งกระเพาะปัสสาวะ หรือผิวหนัง

24. Arsenic Flows in the US Expressed in Metric Tons for the year 2000.

25. Domestic Use of As in the US

26. Disposal of Wood in Landfills

27. What should we do? อ่านเสริม “สารหนูกับสิ่งแวดล้อม” http://digital.lib.kmutt.ac.th/magazine/issue2/articles/art2.html โดย รศ.ดร. วิโรจน์ บุญอำนวยวิทยาและดร. นิตินัย ขำมาลัย

28. Silver Case Study A case study of using material flows to track non-point source pollution. SF Bay

29. Silver Case Study Biological effect of Silver Long-term exposure to silver or silver compounds in humans will result in a permanent blue or gray discoloration of the skin (Argyria)

30. Silver Flow Diagram Approximately 4000 tons of silver consumed annually

31. Photographic Silver • X-ray film has high silver content • On-site film developing generates silver waste

32. Developer Use • Small amounts of developer generated at each site • High fees discourage frequent pick-up by recyclers • Spent developer cannot be stored or site becomes a waste storage facility … $1000 permit fee/yr • At current prices and concentration level, take 1500 gal to recoup costs • So, regulations encouraged dumping…policy changed due to this study.

33. Mercury Case Study Why Track Material Flows? การควบคุมการปล่อยไอระเหยปรอทจากโรงงานไฟฟ้าถ่านหินจะช่วยลดการปนเปื้อนของปรอทในห่วงโซ่อาหารได้หรือไม่ ? ปริมาณของปรอทที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้ามีอัตราส่วนเท่าไรเมื่อเทียบกับปริมาณที่ปล่อยออกจากแหล่งอื่น ? อ่านเสริม “The many faces of mercury toxicity” http://www.jashbotanicals.com/articles/mercury_toxicity.html

34. Mercury Flow Diagram Products Ore Exports TMR Stock DPO1 DPO3 DPO2

35. Emissions of mercury at the national level Emissions from coal fired power plants dominate the nation’s total emissions based on emission inventories

36. Emissions of mercury at the regional level Mercury Case Study: More detailed data at the regional level needed.

37. Environmental Forecasting Mercury Case Study: Data from NY Academy of Sciences

38. Environmental Forecasting Relative magnitudes of mercury sources Surprisingly…mercury in wastewaters, associated with use of mercury in dental amalgams is the largest contributor to mercury loading in the NY Harbor

39. MFA - Prioritizing the sources of Mercury “The two main sources of mercury are amalgams and fish.” Source: http://www.livelongercleanse.com/heavy-metal-sources.html

40. Environmental Forecasting Mercury Case Study

41. Case Study of the Island of Hawaii MFA results are the key to waste minimization Source: Eckelman and Chertow (2009) A Practical application of MFA to solve long-term waste disposal issues.

42. MFA on a national or regional scale mokupuni (island) 6 moku Ahupua’ a • Before outside influence Hawaii was self-sustaining • Land divided into ahupua’a, wedge running from mountain to coastline along watershed boundaries • They contained agri- and aqua-culture and utilized water and nutrient cascading to support optimal resource use.

43. MFA on a national or regional scale

44. Oahu's present economy dependent upon imports • 98% arrive by boat • 90% of food is imported • 94% of fuel is imported • 100% of sand for concrete • Other imports include • Aggregate for concrete • Wood • Consumer products

45. Complications of waste disposal on Oahu • Not enough volume to support recycling industry • Affluent tourists generate higher than avg. MSW • Landfills are difficult to site • 1 municipal landfill operating on short extension • Regulations limit use of recycled materials • Waste to energy incinerators reached capacity • As of 2006 no curbside recycling program exists • Officials planning to export 100,000 tons of waste

46. Schematic diagram of material flows on Oahu

47. Materials entering the economy • Largest port in State in Oahu • Bulk imports contribute significantly • Fuel • Wood • Food • Domestic input not so significant • Volcanic rock • Food • Fresh water

48. Materials in economy • Power generation • 80% oil • 14% coal • 4% waste to energy • Construction • 5 million metric tons NAS • Military • Fuel, food, and ammo • Transportation • 600,000 cars • Fuel use = 1 million tons/yr • Tires

49. Waste leaving economy (2006) • 400,000 tons/yr reused or recycled • Half is used as landfill cap or road fill • Some recyclables exported to Asia • C&D is 80% of waste stream to PVT landfill • 600,000 tons incinerated • Biosolids from WWT is 5% of solid waste is landfilled • Waste H2O mostly treated & released • Exports are mainly fuel to other islands

50. Overview of material flows on the island of Hawaii in gigagrams. (1 gigagram=10,000 metric tons)