生態材料概論 教學大綱(1)

1. 生態材料概論教學大綱(1) • 授課教師：余慶仁 0933601801 cly@mail.ksu.edu.tw • 課程概述與目標： 本課程探討材料與環境、資源之關係並介紹各類材料特性、功能與利用，與各類材料之生態化與生態改造方法與實例。 • 教材 1.生態材料導論，洪紫萍、王貴公著，魏漣邦校訂，五南書局，民國93年 2. 教師自編講義

2. 生態材料概論教學大綱(2) 課程大綱 • 課程簡介 • 緒論 • 材料與生態系統 • 生命週期評估與生態化設計 • 清潔生產與循環再生 • 材料特性 • 木材 • 金屬材料 • 高分子材料 • 陶瓷與建築材料

3. 生態材料概論教學大綱(3) • 主要參考與指定閱讀書目 ．生態環境材料，王天民主編，王文雄與白育綸編修，新文京開發，民國93年 ．機械材料，金重勳著，復文書局，民國91年 ．產業減廢與資源化，陳有志著，高立圖書，民國89年 ．工程材料，沈保羅主編，黃振賢審定，新文京開發，民國90年 ．Engineering Materials, Budinski & Budinski,Pearson, 2005 ．Materials Selection in Mechanical Design, M. Ashby, Elsevier, 2005 ．Design for Environment, J. Fiskel ed.,McGraw-Hill,1995 ．Foundation of Materials Science and Engineering, W. F. Smith, McGraw-Hill, 2002(中譯本:劉品均與施佑蓉譯，高立圖書，民國94年) ．Materials Science and Engineering, An Introduction, 6th Ed.W. D. Callister, Jr.John Wiley & Sons, 2003 (中譯本:陳文照等譯，高立圖書，民國95年)

4. 生態材料概論教學大綱(4) • 教學方式 教室講述教學 • 成績評量及標準 平時成績包括作業，課堂表現等(佔30%)、 期中考(佔35%)、 期末考(佔35%)

5. 生態材料導論 An Introduction to Ecomaterials 洪紫萍、王貴公 編著 魏漣邦 校訂

6. 目錄 Chapter 1 概　論 Chapter 2 材料與生態系統 Chapter 3 生態材料評估 Chapter 4 生態材料設計、生產、循環再生 Chapter 5 木材 Chapter 6 金屬材料 Chapter 7 高分子材料 Chapter 8 複合材料 Chapter 9 陶瓷 Chapter 10 包裝材料 Chapter 11 建築材料

7. 　生態材料學的產生和發展 • 生態材料發展時期： • 一、原始生態材料時期 • 人口稀少，主要以天然資源為衣、食、住、行的材料，人類行為是利用自然界的物質資源屬於原始生態模式，對自然生態系統基本不造成危害。 • 二、準原始生態材料時期 • 人類開始進入農業時代，使用材料依然以天然資源和人工栽培、飼養的生物為主要原料，出現了陶瓷、冶金業，人類只能製造與使用自然資源，進行簡單加工的材料，以提高生活品質。

8. 生態材料學的產生和發展 三、非生態材料時期 人類進入工業文明時代，大量開採地球上的各種資源，加以使用和消費，並排放生物難以分解的廢污。 環境污染日趨嚴重，進入80年代，資源、能源變成世界性大流動，生態環境破壞擴展到全球，例如「溫室效應」。 社會的成長方式呈指數型，其數學式如下： 若成長率為7%，則倍增期為10年。

9. 生態材料學的產生和發展 四、生態材料時期 　　材料持續利用在於材料應以「社會經濟自然生態效益」的統合為著眼點，隨著材料的使用範圍和生產規模不斷擴大，生態環境依然得到保護，較小的破壞作用，使傳統的材料工業轉變成生態材料工業，進入材料工業永續發展時期。

10. 生態材料學的產生和發展 • 生態材料概念的產生和研究進展： • 20世紀80年代以來國際社會關注的焦點從單純注重環境問題逐步轉移到環境與發展二者的關係。 • 美國和歐洲學者也提出綠色材料、生態友善材料、生態製程、生態產品、環保標章、環境友善材料和製程等概念，但均處於發展階段 • ISO14021—99環保標章和環境宣告中指出「模糊的或不具體的，或泛泛表明產品是對環境有利或環境無危險的環境訴求不應使用

11. 生態材料之特性 • 1990年，山本良一教授認為21世紀材料應具有綜合性能: 1.人類活動領域的可擴展性(Expandability) -人類活動範圍更廣；傳統材料的特性 2.生態相容性(co-existability) -材料與自然和諧 3.寧適性(Optimizability) -材料與人和諧(人類生活品質提升)

12. 生態材料學的研究對象和任務 • 生態材料的定義(屬性) • 1.具有傳統材料的四大要素，即成分、結構、製程和性能。 • 2.可使用性，可用於社會經濟的各種需求。 • 3.經濟性，傳統上人們可以承受的價格。 4.生態屬性，即材料的整個生命週期環境負荷低，可再循環、資源利用效率高的涵義。

13. 傳統材料的四大要素 • 成分:元素與化合物種類與含量 • 結構:各成分排列方式 • 製程:製造材料之過程 • 性能: 機械-彈性係數、硬度、抗拉強度、延展性等 熱力學-熔點、沸點、熱傳導係數、吸放熱量等 電子性-導電性、介電係數等 光學性-透光度等

14. 材料可使用性 • 工程材料 種類:金屬材料、高分子材料、陶瓷與建築材料、複合材料(兩種以上材料組成) 美國1990年之使用量: 木材- 3×1011磅 高分子- 3×1010磅 鋼鐵- 1×1011磅 鋁- 2×109磅 水泥- 1×1011磅 銅- 1×109磅 • 汽車 1500 Kg 其中 鋼鐵:50-60% 塑膠:10-20 % 鋁:5-10% 其他

15. 材料之 經濟性

16. 生態材料學的研究對象和任務 • 材料的生態相容性判定 • 原因:材料對生態環境的壓力 •  (1)直接對人類、生物造成危害 •  (2)生活環境受到壓力 • (3)破壞可再生資源的循環系統 •  (4)對不可再生資源的大量消耗 • 環境負荷之定義 • 如果有物質排放，就產生了壓力，對此，環境則作出反應而形成某種狀態，這個狀態與物質排放以前的狀態比較，如果判斷者作出狀態惡化的結論時，就將物質排放定義為環境負荷

17. 判斷材料生態相容性的必要條件  (1)材料生產所需能量低。  (2)材料生產過程無污染。  (3)原材料可再資源化。  (4)不過度消耗資源。  (5)使用後或解體後可再利用。  (6)可保證原料的持續生產。  (7)廢材的最終處理不污染環境。 (8)對使用人的健康無害。

18. 生態材料學的主要研究任務(1) 1.探索材料系統和自然—經濟—社會生態系統的相互關係 ．尋求對材料系統和自然、經濟、社會生態系統之掌握與整合 2.材料整個生命週期對生態系統包括地球生態系統、廣域生態系統、地區生態系統的影響，尤其是未來的潛在影響促使建立新的模式 ．材料整個生命週期在時間與空間上對生態系統的影響

19. 生態材料學的主要研究任務(2) 3.傳統材料的生態化、新型生態材料和生態材料設計、生產的原則 封閉循環系統，以降低環境負荷 回收 資源化 材料(較原始) 材料產品 加工處理 製造過程 使用後 原料 廢棄 考量點:資源、能源、污染、使用性、經濟性、需求量

20. 生態材料學的主要研究任務(3) 1.現有材料生態化的再設計 現有材料生態化的再設計是以降低資源、能源消耗，降低環境負荷，經由環保標章標準等為主要目的之設計 2.新型生態材料的生態設計 需要建立完善材料生態設計的數據庫和知識庫，以人工智慧、模式識別、電腦模擬等技術作為設計支援系統

21. 生態材料之類型 1999年原田幸明提出生態材料的三種類型（廣義的生態材料化），見圖1-1。 • 圖1-1　生態材料的三種類型（廣義的生態材料化）

22. 生態材料學的研究內容 1.材料的經濟、技術、生態環境調和研究 2.材料生命週期評估 3.材料的生態設計、可循環再生設計、產品可拆卸設計 4.材料的清潔生產 5.生態材料物質流和能流循環再生及相關技術包括以下兩個方面： (1).開路技術:例如生物合成 (2).閉路技術:包括可再生材料設計

23. 6.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術：6.傳統材料的生態化及其相關技術生態化及其技術： (1)採用新製程、新技術，提高資源、能源效率。 (2)提高材料壽命有關技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「壽命延長的產品」定義為「根據壽命提高或某種品質改進的特徵，使用資源或廢棄物減少而延長使用時間的產品」。 (3)生產過程儘可能使用循環再生材料技術ISO14021—99環保標章和環境宣告對「再循環材料」定義為「藉由一個製造過程由回收的材料加工而成，並製成最終產品或構成一種產品的部分材料」。 生態材料學的研究內容(續)

24. 生態材料學的研究內容(續) (4)生產過程無廢污排放技術（Zero-Emission）。 (5)使用容易後處理的代用材料技術（Refine）。 (6)儘可能減少材料生命週期各階段廢污排放的技（Reduce）。 (7)材料生命週期各階段產生的廢棄物能得到有效利用的技術（Recycle與Recovery）。 (8)材料能夠再重新使用的技術（Reuse)

25. 生態材料學的研究內容(續) 7.新型生態材料及其相關技術 　(1)環境修復和淨化材料。 (2)根據環境和使用條件變化，自行調整的智慧型材料。 (3)超導材料，沒有電阻，無疑節省了大量資源和能源。 (4)奈米技術和材料，可使產品小型化、節能、省資源。 (5)仿生材料，仿生材料就是從天然材料尋求啟發和模擬製造新型生態材料。 其他低環境負荷相關新技術，低資源、能源消耗的技術，例　如無紙　辦公、無線微波輸電、微型化技術等。

26. 生態材料學的研究內容(續) 小結:人類使用材料與自然之互動層次 • 生態化 • 污染預防與清潔生產 • 減廢 • 回收再利用 • 污染控制(管末處理) • 廢棄

27. 生命週期之物質流 ．生命週期分為生物生命週期和非生物生命週期 ．ISO14040將生命週期定義為「一個產品或服務系統的連續和互相關聯的階段，從天然資源的開採到最終處理。」 ．材料和產品生命週期物質流大致可分為三種類型，見圖1-2。 1.集約型: 由各式各樣組件裝配成產品，集中匯總再循環的類型。 2.擴散型 以材料為中心，經過分離開採副產物後，對應於多種目的生命週期類型(材料的生命週期基本上是擴散型的)。 3.相關型 工業部門之間相互依存、相互關聯宏觀的物質流類型。

28. 生命週期之物質流(2) 擴散型 集約型 圖1-2　材料和產品生命週期的三種物質流

29. 相關型 圖1-2　材料和產品生命週期的三種物質流(續)

30. 材料物質流與自然生態系統 • 自然生態系統是材料生態系統的物質來源，也是材料或其殘餘物質的受體。 • 材料系統與自然生態系統物質流循環見圖2-1

31. 材料物質流與自然生態系統

32. 材料物質流與自然生態資源 • 圖2-3　自然物質流例

33. 原料需求量

34. 目的:提高資源利用效率，節約能源，減少環境污染目的:提高資源利用效率，節約能源，減少環境污染 例:1991年德國之物質流分析數據(單位百萬噸) 　資源輸入 資源輸出 非生質資源 　4027 廢棄物 2891 (包括化石能源　366) 儲存 818 生質資源 　199 水氣蒸發 647 空氣(N2與O2) 　1095 氣體排放 1116 進口 433 (CO21063,NOx/SOx/CO 20) 排放水中 　 34 　 材料產品損耗 37 出口 　　　　 211 合計 　5754 5754 物質流分析

35. 材料與自然生態資源系統的調和 • 1.可再生生物資源系統 • 材料系統對可再生生物資源系統的依賴性 • 以森林、農牧業作為原料，經加工作為紙、木材與紡織材料 • 材料系統與可再生生物資源系統調和發展時的永續利用性 • 培育可再生生物資源和合理開伐利用 • 資源系統相互對立時的惡性循環性 • 過度利用資源而未能及時培育或違背生態規律，造成更多環境問題

36. 材料與自然生態資源系統的調和(2) • 2.可循環再生環境資源系統 • 可循環再生環境資源與可再生生物資源相互結合性 • 太陽、潮汐、風、海洋與土地對可再生生物資源影響很大，亦對材料系統產生影響 • 系統對各種可循環再生環境資源依賴性不同 ‧太陽、潮汐、風、海洋是恆定性環境資源，但材料系統對其直接依賴性較小，宜於未來提高在能源與材料用途之比率 ‧材料系統對水資源與土地資源之依賴性大且用途具多樣性，宜應保護與合理利用水資源與土地資源

37. 材料與自然生態資源系統的調和(3) • 3.不可再生礦物資源 • 材料系統對不可再生礦物資源系統的依賴性 • 不可再生礦物資源系統(礦物與化石能源)為材料系統之主要來源，依賴性極大且用途具多樣性 • 不可再生礦物資源分布不均勻性和消費不均衡性 • 不可再生礦物資源地域分布不均勻 • 目前不可再生礦物之消費不均衡且不公平-已開發國家為主要之消費者 • 不可再生礦物資源的動態性 • 材料科技之發展有助於提升對不可再生礦物資源之利用率

38. 材料與再生資源 1.再生資源的定義 在社會的生產、流通、消費過程中產生的不再具有原使用價值，而以各種形式儲存的物料，可以藉由不同的加工途徑而使其重新獲得使用價值 2.再生資源的特點: (1)再生資源的集中和分散 (2)可利用價值高，對保護資源和環境貢獻率高 (3)資源來源具有永續性 (4)再生資源物質流的逆向性(又稱為「負過程」、「還原過程」、「靜脈流程」) (5)材料與材料廢棄回收物的性能、附加價值的逆向性

39. 材料與能源 • 當今世界探明儲量的礦種有150多種。世界一次能源結構-煤占28%，石油38%，天然氣21%，核電和水電13% • 在能源結構上，完成了由煤向石油的轉換，預測未來50年結構上不會發生根本性轉變! • 世界能源供需預測見表2-1

40. 材料與能源(2)

41. 台灣之電力能源結構 火力發電 26448千瓦 73.2% 核能 5144 14.2% 水力 2602 7.2% 其他再生能源 1928 5.3%

42. 材料與當代環境問題 • 依據1989年內羅比環境大會的決議，將全球環境題按其相對嚴重程度排列如下： • 1.溫室效應。 • 2.臭氧層破壞。 • 3.酸性沈降。 • 4.飲用水污染。 • 5.海洋污染。 • 6.森林面積縮小。 • 7.土壤沙漠化。 • 8.物種消失。 • 9.有毒廢棄物處理。

43. 溫室效應 • 1997年12月在日本，170多個國家政府代表就全球氣候變化問題達成了世界性協議，即「京都議定書」 • 氣候變化一般包括氣溫、降水和海平面的變化，會對環境、社會和經濟造成巨大衝擊 • 圖2-4為日本各部門按電力消耗核算排放量百分比，材料部門占31.8%，如果加上生命週期中的運輸、使用、廢棄物處理等，比率將更大 • 圖2-5為一些典型材料製造1kg的排放量，製造金屬和塑膠材料排放的幾乎等於自重，聚酯樹脂、不銹鋼和鋁甚至達到自重的數倍

44. 溫室效應 圖2-4 日本各部門按電力消耗核算排放量百分比

45. 台灣工業之二氧化碳排放量 2005年 發電廠 7660 百萬噸/年 鋼鐵 1440 水泥 1130 煉油 690 石化 520

46. 溫室效應 圖2-5 一些典型材料製造1kg的排放量

47. 材料製造1kg的耗能與二氧化碳排放量

48. 臭氧層破壞 • 臭氧層耗竭的原因，比較一致的看法認為人類活動排放到大氣的某些化學物質與臭氧發生作用，導致了臭氧的耗竭。這些化學物質包括N2O，CCl4，氟氯碳化合物等 • 1985年由聯合國環境規劃署（UNEP）召開了國際會議，制定了「保護臭氧層維也納公約」，1987年簽訂的「臭氧層耗竭物質的蒙特婁議定書」，對CFC和海龍二類中的八種物質進行了管制 • 材料工業與間接使用的冷媒、噴射劑和清洗劑，氟氯碳化合物造成臭氧層破壞占有更大百分比。

49. 大氣污染(包括酸性沈降) 定義： 大氣污染通常是指由於人類活動和自然過程引起某種污染物質進入大氣中，呈現的高濃度，停留長時間而危害人類的舒適、健康和福祉或破壞環境的現象

50. 大氣污染(包括酸性沈降) • 大氣污染的來源有如下幾個 • 1.燃料燃燒 • 燃燒燃料的有火力發電廠、鋼鐵廠、煉焦廠、各種工業窰爐以及各種民用爐灶等 • 2.工業生產過程 • 主要有粉塵、碳氫化合物、含硫化合物、含氮化合物、鹵素化合物等。 • 3.農業生產過程 • 污染主要是來自農藥和化肥的使用 • 4.交通運輸 • 主要污染物有碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、含鉛污染物、Pyrene等