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1、环境材料学,第三章 材料环境影响的评价技术,3.1 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,衡量材料对环境负担性影响的定量指标,3.1-1 能耗（energy consumption）,旅游环保 最早的表达方法 单一、偏颇,3.1-2 环境影响因子,Environmental Affect Factor, EAF EAF=资源，能源，污染物，生物影响，区域性环境影响 EAF=Resource, Energy, Pollutants, Eco-Affect, Local Environmental Affect,3.1-3 环境负荷单
2、位,Environmental load unit, ELU 瑞典环境研究所完成ELU方法,3.1-4 单位服务的材料消耗,Materials intensity per unit of service, MIPS Prof. Schmidt, 渥泊塔研究所德，1994 人类需要多大的世界 某一单位过程的材料消耗量 过程：生产 或 消费,人类需要多大的世界,环境保护政策在纳克量级上严格控制有害化学物质的排放，试图藉此净化环境 人类社会生活的误区 ：片面地追求物质财富，而没有认清我们从环境中索取兆吨级的物质，通过某个工程、某种产品、某项服务的活动，再以废弃物的形式排放回去，这是一种不同于传统污染
3、物质造成的环境破坏，是生态灾难总是无法避免的主要原因。,3.1-5 生态指数,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、 玻璃，148 聚乙烯，220,3.1-6 生态因子,eco-indicator, ECOI 材料 使用性能，环境影响 a. 材料的环境影响(environmental impact, EI) b. 材料的使用或服务性能(service performance, SP) ECOI=EI/SP,3.2 LCA的出现与ISO 14000,20世纪90年代初 综合评价方法生命周期评价方法(li
4、fe cycle assessment, LCA) 在ISO 14000国际环境管理标准体系中规范化,3.2-1 LCA的起源,20世纪,60年代,80年代,1990,1993,物质-能量流平衡方法 计算化工工艺过程中材料用量,工业产品的整个寿命周期分析 From cradle to grave,环境设计,绿色设计,环境意识设计与制造,寿命全程设计,产品责任意识,环境质量设计,产品完整性设计,国际环境毒理和化学学会 确定了LCA的概念和理论框架,国际标准化组织ISO/TC207 制定了ISO 14000国际环境管理系列标准,ISO 14000国际环境管理系列标准框架,3.2-2 LCA的定义,
5、Life Cycle Assessment is a process to evaluate the environmental burdens associated with a product, process, or activity by identifying and quantifying energy and materials used and wastes released to the environment; to assess the impact of those energy and material uses and releases to the environ
6、ment; and to identify and evaluate opportunities to affect environmental improvements. The assessment includes the entire life cycle of the product, process, or activity, encompassing extracting and processing raw materials; manufacturing, transportation and distribution; use, re-use, maintenance; r
7、ecycling, and final disposal.,SETAC, 1993,3.2-2 LCA的定义,Life Cycle Assessment: Compilation and evaluation of the inputs, outputs and the potential environmental impacts of a product system throughout its life cycle. Product system: Collection of materially and energetically connected unit-processes w
8、hich performs one or more defined functions. (Note: In this International Standard, the term “product” used alone not only includes product systems but also includes service systems.) Life cycle: Consecutive and inter-linked stages of a product system, from raw materials acquisition or generation of
9、 natural resources to the final disposal.,ISO 14040, 1997,3.2-2 LCA的定义,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。 用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗、废物排放、环境吸收和消耗能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。,3.3 LCA的技术框架,ISO 14040,3.3-1 目标和范围定义,确定评价目标和评价范围，以界定对象过程、产品或事件对环境影响的大小 LCA方法应用的起点 评价目标：界定评
10、价对象、评价原因，评价结果的输出形式 评价范围：评价功能单元定义、评价边界定义、系统输入输出分配方法、环境影响评价的数学物理模型及其解释方法、数据要求、审核方法及评价报告的类型与格式,3.3-1a LCA评价范围的内容,功能单元：评价环境影响大小的度量单位 系统边界：确定哪些过程应该被包括到LCA评价范围中 数据：在LCA过程中用到的所有定性和定量的数值或信息，可为测量的环境数据，亦可为中间的处理结果（LCA的可靠性保障） 审核：第三方；公证性,3.3-2 编目分析,根据评价目标和范围定义，针对评价对象收集定量或定性的输入输出数据，并对这些数据进行分类整理和计算的过程,LCA编目分析示意,目标
11、和范围定义,水 木材 煤 石油及天然气 矿物 金属矿产 其他能源 生态系统,温室气体效应 酸雨 有机挥发物 臭氧层破坏 大气污染物 水污染物 废渣排放 固体有害污染物 光、声、电磁波污染,编目分析的步骤,系统和系统边界定义 系统：为实现特定功能而执行的、与物质和能量相关的操作过程的集合，LCA评价对象 系统边界：系统和外部环境的界限 编目分析是对所有穿过系统边界的物质、能量流进行量化的过程 系统定义包括对其功能、输入源、内部过程等方面的描述，以及地域和时间尺度上的考虑,2. 系统内部流程 一系列相互关联的过程或子系统，用流程图表示这些过程和过程间的输入输出关系。分解程度取决于目标和范围定义以及
12、数据的可获得性。,聚乙烯塑料饮料瓶的生产流程图,油井开采,原油运输,原油提炼,石脑油生产,原料包装、运输,塑料原料生产,聚乙烯生产,乙稀生产,塑料瓶生产,饮料灌装,整瓶包装,饮料运输,废 物,丢 弃,饮用消费,饮料零售,3. 编目数据的收集与处理 流入每个过程的物质和能量，以及流出每个过程排放到空气、水体和土壤的物质。 数据来源：实际生产过程获得+技术设计+工程计算估算+类似系统数据库,编目分析中注意两类问题,分配问题多个对象如一个系统产出多个产品，或一个回收过程处理了多个系统废弃物时，就产生了输入输出数据如何在多个产品系统间分配的问题 能源问题,从系统中的物理、化学过程出发，依据质量和热力学
13、标准，以及经济学上的权衡,应考虑能源类型、转化效率、能源生产中的编目数据及能源消耗量 不同类型的化石能源和电能应分别列出，能源消耗量以热值J或MJ单位计算,3.3-3 环境影响评价,评价目的：更好的理解编目分析数据与环境的相关性，定量评价各种环境损害造成的总的环境影响的严重程度 4个步骤：分类、表征、归一化、评价,分类,将编目条目与环境损害种类相联系并分组排列的过程 定性的，基于自然科学知识的过程 环境损害分为三大类：资源消耗、人体健康、生态环境影响 每一大类又细分为具体的环境损害种类 一种编目可能对应多种环境损害,编目分析结果,电能 燃料 内在能量 一氧化碳 二氧化硫 NOx 碳氢化合物 粉
14、尘 COD 氟利昂 油脂 苯酚,生物资源消耗,非生物资源消耗,臭氧层减少,全球变暖,土壤酸化,人体毒性,土地占有,生物多样性损失,人体健康损失,自然资源损失,产出损失,相对于生物多样性损失,相对人体健康损失,相对自然,相对产出损失,总报告,编目分析结果,分类,表征,归一化,评价,表征,对比分析和量化环境损害程度的过程 定量化，基于自然科学 通常采用计算“当量”的方法，比较和量化环境损害程度 不同类型环境损害编目当量值可比较的无量纲的表征量,常用表征指标,归一化,对编目分析和表征结果数据采用加权分级的方法进行处理，简化评价过程 简化环境因素，用单一因子表示最后评价结果,评价,比较和量化不同种类的
15、环境损害，并给出最后的评价结果 利用多种数学物理模型 带有个人和社会的主观因素和价值判断,3.3-4 评价结果解释,综合编目分析和环境影响评价的结果； 阐述和分析目标过程、事件或产品的环境影响 给出评价的结论及建议,环境改善评价 目的在于揭示产品系统或多或少的影响着环境，并存在改进的余地 强调了LCA目的在于改善环境，而不仅仅是对现状的评价 技术、专利抵触 评价结果的解释,3.4 常用的LCA评价模型,精确方法 输入输出法，模糊数学分析法，etc. 近似方法 线性规划法、层次分析法，逆矩阵法，etc.,数学模型和数学方法,3.4.1 输入输出法,最简单，最常用,材料生产 或 使用过程,输入参数
16、,输出参数,能源,资源,废弃物,温室效应,有效产品,废水,污染程度,只考虑系统的输入和输出量，从而定量计算出该系统对环境所产生的影响。,整个过程完成所需要的能源和资源消耗量 定量数据,有效产品 全过程废弃物排放量 其它环境效应（温室效应，区域毒性，光声电污染）,优点：简单易操作 缺点：指标数据分类太细，不能对环境影响进行综合评价,3.4.2 线性规划法,约束条件和目标函数都属线性问题，在一定约束条件下寻找目标函数的极值,Ai,jBi,j = Fi,j (i, j = 1, 2, , n) A 环境影响的分类因子； B 各环境影响因子在系统各个阶段的环境影响数据； F 该环境影响因子的环境影响评
17、价结果； i,j 系统各阶段序号,3.4.3 层次分析法,Analytic hierarchy process, AHP,准则1,准则2,准则3,准则N,子准则1,子准则2,子准则3,子准则N,方案1,方案2,方案3,方案N,决策目标,评价目标,数据层,评价结果,环境问题,实用多准则决策方法 根据问题的性质以及要达到的目标，把复杂的环境问题分解为不同的组合因素， 并按各因素间的隶属关系和相互关系程度分组，形成一个不相交的层次，上层 对下层的全部或部分起支配作用，形成自上而下的逐层支配关系,3.5 LCA应用举例,材料：钢铁、有色金属材料、玻璃、水泥、塑料、橡胶、铝合金、镁合金等 产品：容器、包
18、装、复印机、计算机、汽车、轮船、飞机、洗衣机（家用电器）等,3.5.1 建筑瓷砖的环境影响评价,配料,球磨,搅拌,成形,干燥,烧成,包装,废水,废渣,废气,加水,加热,瓷砖生产工艺示意图,年产量30万m2，连续性流水线生产,目标定义：考察生产过程对环境的影响 范围界定：直接原料消耗和直接废物排放， 不考虑原料的生产加工和废物的再处理,编目分析：资源和能源消耗，废弃物排放 引起的直接环境影响进行数据分类、编目 能耗（照明、加热、取暖） 资源消耗（按原料配比进行数据分类） 污染物排放（废气、废水、废渣） 废气主要为二氧化碳，考虑温室效应即可 人体健康、区域毒性、噪声忽略不计,环境影响评价：输入输出
19、法,评价结果解释,3.5.1 建筑瓷砖的环境影响评价,输入输出法模型,由钢渣生产瓷砖 的工艺过程,输入参数,输出参数,能源,资源,废渣,全球温室效应,瓷砖,废水,3.5.1 建筑瓷砖的环境影响评价,评价结果解释：改进工艺（降低能耗、降低废水排放量、减少温室气体效应影响等）,3.5.2 聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价,目标定义：生产过程对环境的影响，不考虑使用和施工对人体和环境的影响 范围定义：直接原料消耗和直接废物排放，不考虑原料生产加工以及废物回收再利用 编目分析：资源和能源消耗，废弃物排放引起的直接环境影响进行数据分类、编目；能耗（照明、加热、取暖）；资源消耗（按原料配比进行数据分类
20、）；污染物排放（废气、废水、废渣）；有机废气除考虑温室效应外，还应以区域性毒性和挥发性评价有害气体排放对环境和人体健康的影响；废水噪声忽略不计,防水涂料的生产工艺示意图,配料,搅拌,脱水,调配,反应,包装,废渣,废气,3.5.2 聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价,输入输出法模型,聚氨酯 防水涂料 生产过程,输入参数,输出参数,能源,资源,废渣,全球温室效应,涂料产品,区域毒性水平,有机挥发物,3.5.2 聚氨酯防水涂料生产过程的环境影响评价,评价结果解释：改进工艺（提高资源效率、降低能耗、降低总有害物的排放量、减少温室气体效应影响等）,3.5.3 用层次分析法评价一般材料的环境影响,铁、铝
21、、高密度聚乙烯使用过程中的环境影响,环境指数(eco-indicator) ,环境影响(environmental impact),材料性能(service performance),目标定义：环境指数 范围界定：材料的使用过程对环境的影响,3.5.3 用层次分析法评价一般材料的环境影响,编目分析,环境指数,材料性能,环境影响,资源消耗,温室效应,废气,废水,总能耗,废渣,拉伸强度,线膨胀系数,热容,电导率,区域毒性水平,电极电位,3.5.3 用层次分析法评价一般材料的环境影响,铁、铝、高密度聚乙烯,S ,Fe Al HEDP,21.2 1.18 8.70 0.11 0.44 6.4 2.36
22、 2.66 0.22 1.66 3.6 12.0 0 0.51 0,E ,Fe Al HEDP,53260 12.1 22004 1.95 16304 33.2 1.17 2100000 15.5 31000 2.06 1200000 1300 5.40 43000 1.67 11800 1.72 48000 16.0 0.09,结论,3.6 LCA的局限性,应用范围的局限性 评价范围的局限性 评价方法的局限性,生态环境、人体健康、资源能源消耗、etc 技术、经济和社会效果；质量、性能、成本、利润、公众形象、etc,时间范围、地域范围和风险范围 区域性和时限性,普遍适用标准化；量化与权重；主观
23、性 时空变化，“与时俱进”,3.7 材料的环境性能数据库,典型LCA数据库例举： （1）SPOLD数据库 （2）Boustead Model数据库 （3）Weston Model数据库,中国 涂料、金属材料、原材料, 数据库建立的基本原则 （1）通用性：兼容不同领域、类型、行业、层次的用户 （2）可比性：不同国家、地区的材料环境性能可比较 （3）服务性：为用户提供咨询服务 （4）预测性：为研制新材料提供环境性能数据,典型LCA评估软件例举： （1）SimaPro软件 （2）GaBi软件 （3）EcoPro软件 （4）KCL-ECO软件,为LCA提供基础数据 为LCA评价结果提供评价比较 方法积累,材料环境影响数据库框架结构示意图 (SPOLD),我国现状,清华大学：涂料与表面材料环境影响数据库 重庆大学：金属材料环境影响数据库 863课题：钢铁、有色、陶瓷、建材、高分子材料、橡胶、涂料、耐火材料,谢谢！,