(完整word版)环境材料学课后习题第1-5章

第一章

1-1 用自己的理解给出环境材料的定义

环境材料是指那些具有满意的使用性能和可接受的经济性能，并在其制备、使用及废弃过程中对资源和能源消耗少，对环境影响小且再生利用率高的一类材料。

1-2 从人类的历史进程分析一下材料科学与技术的发展，找出材料与环境的关系。

在人类历史上，有许多时代都是以材料的发展来命名的，如远古时期的石器时代、青铜器时代和铁器时代、现代的高分子时代，都是由于材料科学和技术的发展而推动了历史车轮的前进。同时就材料科学与技术本身的发展来看，也是随着历史发展的需要而诞生的，如20世纪60年代的半导体材料、20世纪70年代的能源材料、20世纪80年代的信息材料以及20世纪90年代的环境材料，他们都是应时代的要求、社会的需要而产生和发展起来的。

1-3 你认为哪些材料可以属于环境材料？试从你身边找出一些环境材料的例子。

冰箱内的全无氟制冷剂、可降解塑料、可食用包装袋、无溶剂涂料、生态水泥、环保建材、降解树脂、环境工程材料、天然资源环境材料、电磁波防护类材料、电子功能材料领域的毒害元素替代材料

1-4 用自己的理解分析一下，环境材料的研究内容应该包括哪几部分。

包括材料的环境影响评价、生态设计及清洁生产、废弃物再生循环利用、环境材料关键技术、环境功能材料、环境友好材料、环境工程材料。

1-5 结合自己的体会，分析一下环境材料的未来发展趋势。

1. 材料的环境性能将成为21世纪新材料的一个基本性能，各种环境材料及绿色产品的开发将成为材料产业发展的一个主导方向。

2. 环境治理材料仍然是环境工程材料的主要研究内容，更高的性能、更长的寿命以及更低的成本成为新型环境治理材料必须具备的性质，环境修复替代材料和废弃物的自资源化研究也将成为环境工程产业的另一大热门。

3. 大力推广环境友好型的材料设计和制备工艺，开发环境友好型的新材料及绿色材料制品。

4. 功能化、智能化的环境功能材料在技术进步的带动下正渐渐走下“高端”的神坛，更好的耐久性能和经济性能将成为环境功能材料研究的主攻方向。

1-6 环境材料是材料和环境两大学科之间的一个交叉学科。考虑如何从交叉学科这个角度去发展环境材料。

环境材料作为跨材料和环境两大领域的一门新兴交叉学科，在保持资源平衡。能量平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面产生着积极的作用。将环境性能融入21世纪所有的新材料开发，完善材料环境负担性评价的理论体系，开发各种环境相容性新材料及绿色产品，研究降低材料环境负担性的新工艺、新技术和新方法，也将成为21世纪材料科学与技术发展的一个主导方向。

第二章

2-1 为什么把材料与能源、信息并列为线代高科技的三大支柱？考虑一下它们各起什么作用。

材料、能源与信息并列的现代高科技中的三大支柱。材料是指最近发展和正在发展的具有比传统材料更具优异性能的材料，如智能材料、超导材料等。获取新材料所需的各种先进仪器、设备和新工艺协同组成的体系，就是新材料技术。而能源技术则是指替代传统化合燃料能源，开发和利用核能、太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等一系列新能源的高科技。信息科学是有关信息产生、获取、识别、转换、组织、存储、处理、显示、控制和利用的学科。信息技术是以微电子和光电子科技为基础，集电子计算机、通信技术和控制技术为一体的综合性高新科技。材料、能源与信息科技，构成了当今世界任何其他高新科技赖以发展的基础，是衡量一个国家的科学技术和经济发展水平的重要标志。

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源相当于城市的血液，它驱动着城市的运转。现代化程度越高的城市对能源的依赖越强，因为能源在维系着：照明、交通、餐饮、供暖、降温、自动化管理系统等的重要功能。

在今天来说，信息管理技术对于人类的活动上升到了比较重要的地位。从人类社会活动的过程来看，人们的活动所依据的就是信息。因此可以说，今天有没有信息，有没有真实可靠的信息，是大到国家、小到企业个人决策的重要依据。因此，在二十一世纪，信息在我们的生活中扮演着一个十分重要的作用。可以说，谁掌握了信息，谁就掌握了主动权。尽管信息不是一个可以直接利用的资源，它不像物质资源那样直接创造财富，但是信息在创造物质财富和精神财富中起着非常重要的作用。下面我们通过一些事例来看信息在经济社会和其他社会生活中的重要作用。

材料服务于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域，是国民经济和社会发展的基础和先导。在历史上材料被作为文明社会进化的标志；16世纪以来人类的两次世界范围的产业革命，它们的成功都离不开新材料的开发；从世界科技发展史看，重大的技术革新往往起源于材料的革新；在众多工业部门中，材料的作用十分广泛且重要；而随着世界经济的快速发展和人类生活水平的提高，对材料及其产品的需求日益增长，对材料的发展和应用提出更高、更迫切的需要。

2-2 使用物质不灭和能量守恒的理论来说明材料与资源、环境的关系。

众所周知，材料的生产往往要消耗大量的资源。当生产效率一定时，除有效产品外，大量的废弃物被排放到环境中去，造成了环境的污染。因此对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。也就是说，材料的生产和使用与资源和环境有密不可分的关系。

2-3 结合实际，举例说明某一材料或产品从生产到使用直至废弃对环境产生的影响。

零部件和整车生产过程：不仅体现在工业废气和废水方面，而且含有重金属的零部件、含有刺激性气味的内饰件等在整车装配时对人有一定的影响

汽车在使用过程中对人、环境的影响。汽车尾气排放是全世界环保呼声最高的问题，汽车排放污染已经成为中国城市大气污染的重要因素。所排放的污染物产生的酸雨和光化烟雾，破坏臭氧层，汽车排放的氮氧化物在空气中进一步反应，形成淡蓝色的光化学烟雾，这些淡蓝色的光化学烟雾对人的身体健康构成潜在危险,威胁到人类的安全.另外，汽车内饰气味等对驾乘者的直接和潜在危害以及汽车噪音等都严重影响了人的生活质量

报废汽车对环境的影响已经是全世界高度重视的问题。目前我国每年报废汽车200万辆，这个数字还在逐年递增。由于我国的汽车拆解行业技术落后，汽车拆解管理混乱，大量报废汽车被野蛮拆解，通过正规途径回收的不到40%。我国超期使用报废车现象比较普遍。报废汽车形成的垃圾不仅占用大量土地，而且对环境也造成了极大的影响。

2-4 图2-1是一个典型的开环工业生产链，从环保的角度看，若能实现闭环的工业生产链，可明显减少废弃物排放。请选择一个你感兴趣的产品设计一个闭环生产流程。

资能源资能源资能源资能源

铁矿

2-5 除本书提出的一些材料对环境的影响外，在材料的生产和使用过程中，对环境还有哪些应该注意，如沙漠化、二噁英、疯牛病等与材料与生产和使用是否有关系？

矿渣污染、土地盐碱化、水俣病等

中国土地沙漠化的形成，除了因力作用而造成沙丘前移入侵的自然因素以外，由于过度开垦、过度放牧、过度砍伐、工业交通建设等破坏植被的人为因素引起沙漠化的现象更为普遍，而这些过程都与材料的使用有关。

环保专家称，“二恶英”，常以微小的颗粒存在于大气、土壤和水中，主要的污染源是化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋，PVC（聚氯乙烯）软胶等物都含有氯，燃烧这些物品时便会释放出二恶英，悬浮于空气中。

第三章

3-1 表达材料的环境影响有许多方法，试对这些方法加以讨论，并提出一种可以表征材料环境性能的无量纲指标。

能耗表示法：用能耗这项单一指标来表达其对环境的影响

环境影响因子：考虑了资源、能源、污染物、生物影响、区域性等因素。

环境负荷单位：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：在某一单位过程中的材料消耗量。

生态指数表示法：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。

生态因子表示法：综合考虑材料的使用性能和环境性能。

无量纲指标：环境负荷单位、生态指数表示法、环境影响因子。

3-2 近10年来，有关LCA方法学的研究一直是环境材料研究的热点，试对LCA

方法学的研究及应用现状加以描述。

LCA 技术的发展已有30多年的历史，但由于其研究对象的复杂性及目的的多重性，LCA 技术尚处在发展阶段。目前有待改进的主要问题是：（1）清单分析技术，特别是影响评价技术尚不成熟，需要进行很多假设；（2）LCA 的完成需要大量的数据支持，所能获得的数据完整性和精度有限；（3）完成费用较高（国外做1次LCA 通常花费1 万10 万美元）。为了改进上述问题，专业人员正在努力通过下述措施，为LCA提供更好的研究基础：（1）方法学和信息的标准化；（2）软件开发，提高可重复能力和降低费用；（3）组织评审小组对分析进行校核；（4）研究和开发新的影响评价和解释技术（例如环境影响评价的“生态指数法”）。

国外，在LCA方法的研究方面，由国际标准化组织制定的环境管理标准ISO1410和ISO1411体现了世界范围内LCA研究的共识，对于其发展最具影响力。目前LCA 评价方法的研究主要集中在清单分析和生命周期影响模型的构建。其中，清单分析的理论方法趋于完善，侧重于结合工业应用要求、面对数据采集及其进行规范化。影响评价方法研究涉及到评价指标体系研究、影响评价特征化模型研究、标准化和权重确定的依据以及评价结果的规范化等。主要进展体现在一系列环境影响类型的提出和生命周期影响数学模型的建立以及污染物对人体健康和生态系统毒性的量化。

我国对于LCA理论研究已呈现出在诸多领域均有涉猎的格局。总的来说，我国LCA 方法论研究当前主要集中在两个方面：一是建立国内区域性的生命周期清单数据库。二是探索研究满足我国国情的生命周期影响评价方法。

国内外LCA应用现状：在应用领域，LCA方法能够为企业实施节能、降耗、减排工作提供技术支持和决策支撑，有利于工矿企业部门在保证经济效益的前提下，实现社会效益和环境效益的多重功效，在国外已经成为很多大型知名企业实现提高能源利用率，降低污染排放水平的重要环境管理工具，这种方法已经广泛的被国际上的研究机构、企业和政府部门所接受，并得到了大量的应用和推广。国外LCA 在企业层面的应用，主要基于产品的生态设计理念，很多大企业非常重视对产品的环境标志的标识工作，而引进LCA是实现这一理念的最直接的渠道；在政府层面，国外经常运用LCA引导相应的政策法规的制定，如将LCA应用于面向产品的绿色采购政策，引导市民消费方向等。在国内，LCA的应用已涉及到很多行业，诸如高分子材料、建筑行业、石化产品、环境保护等多个领域进行了实践探索。

3-3 根据你对LCA的理解，现有的技术框架是否完善，还应该进行怎样的改进？

根据ISO14000系列标准，现在LCA的技术框架主要有目标和范围定义、编目分析、环境影响评价以及评价结果解释。现有技术框架是不完善的，这也是LCA仍处于不停发展和改进的原因。迄今为止，环境影响评价被认为是LCA中技术含量最高、难度醉倒，同时也是发展最不完善的一个技术环节，环境评价是一个典型的数学物理过程，经常要用到物理数学模型和方法。不同的方法往往带有

个人和社会的主观因素和价值判断。所以在评价过程中，要清楚、详细地给出所用的数学物理方法、假设条件和价值判断依据。

3-6 本书给出了一些有关LCA的局限性，请根据LCA的原理，分析一下LCA的这些不足可否改进或避免。

改进途径：1）更多的研究和更多的数据。通过继续研究获得更好的背景清单登记数据和更好地软件工具提高LCA的决策有用性。2)更简单和更廉价的工具。建立和使用更简单和更廉价的工具，侧重有限数量的环境影响，以筛选的方法取代详细地登记清单。3）放弃现行的LCA方法，侧重特定地点的工具和信息，侧重对每个公司的准确的、实际的和具有代表性的数据进行持续记录。

3-7 材料的环境影响数据库主要应包括哪些功能和结构？

功能：1）由于数据库的通用性使得不同国家、不同地区可以对同一类材料在相同条件下进行比较，以判断不同地区材料在生产和使用过程中环境影响的大小。2）用户能就所面临的环境问题得到决策信息咨询服务。3）使新研制的材料在环境性能方面有所改善和提高，为材料的生态设计提供可靠的依据和手段。

结构：包括两大部分，一部分是LCA评价软件（数据输入、评价、输出、打印等），另一部分是材料的环境性能数据（表面处理工艺流程、涂料、建材、稀土及其他各种材料的环境影响数据）。

第四章

4-1 LCA和材料流理论的异同：

LCA是一种用于估计环境承受能力的方法，它是一种汇总和评价一个产品体系在整个生命周期内的所有投入及产出对环境造成的和潜在的影响的方法，也是用以确定和估计影响环境发展的机会的方法。LCA首先辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗以及环境释放，然后评价这些消耗和释放对环境的影响，最后辨识和评价这些影响的机会。LCA强调所研究的体系对生态平衡、人类健康和资源消耗等方面在内的环境影响。

LCA和MFA是两种定量分析工业系统与环境之间物质和能量交换的统计方法，两种方法的统计口径不同，在分析材料对环境影响时有很强的互补性。LCA方法沿着材料的生命周期，统计各阶段所有的资源、能源输入和废弃物排放数据，因而可以描述单位数量的材料所造成的环境影响，并有助于系统化地寻找改进材料环境表现的途径。MFA则是统计某个区域在某个时间段内一种材料流入和流出的各种渠道与数量，因而可以描述材料流的来龙去脉以及发生的规模。如果统计的对象是一种原材料，通常可用于资源问题分析；如果统计的是一种污染物质，则可用于污染问题分析。后一种情况也称为物质流分析SFA(Substance Flow Analysis)。

4-2 从如何提高材料生产及使用的资源效率的角度，综述物质流分析方法的研究现状及发展趋势。

资源效率是指在某一生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比。

研究现状：物质流分析分为三个层面：国家层面、区域层面以及产业部门层面。具体见：书本71-75页

发展趋势：1）借鉴国际经验，建立统一的计算方法，开展国家层次上更为严谨、精确的物质流分析；在计算物质流账户系统中各个物质流指标时，结合生命周期评价方法来辅助评价。

2）投入更大的精力进行高资源消耗量和环境污染严重的重点行业的物质流分析研究，得到一套完整的计算方法。

3）借鉴已有的铜及铁元素的物质流研究经验，开展对国民经济发展非常重要的战略性资源以及对环境危害较大物质的物质流研究工作。

4-4 选择一个你所熟悉的材料产品或过程，用物质流方法进行资源效率分析，并就如何提高资源效率提出具体的技术措施。

钢铁的资源效率高达10.4%，就是生产1t纯金属材料所消耗的原材料将近12t。具体技术措施：1）由外界向高炉-转炉流程内某中间工序输入废钢，可提高流程铁资源效率；2）由外界向高炉-转炉流程内某中间工序输入铁矿石等自然铁资源，可提高该流程铁资源效率。3）通过提高电炉钢比，提高铁资源效率。

4-5 分析一下哪些产品或资源在短期内是一种补充产品，而从长远看可能是一种替代品？

聚合物材料代替钢材、光纤代替铜质线

第五章

5-1 根据你对可持续发展的理解，考虑如何实现（1）金属材料，（2）高分子材料，（3）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。

金属材料：利用微生物冶金；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，以及废弃物无害资源化转化技术；少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。

高分子材料：1）建立必要的法规，加强全民的环保意识；2）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3）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。

5-3 你认为材料的生态设计应该从哪几个角度考虑？应包括哪些内容？请按重要性进行排序。

角度：1）从保护环境角度考虑，减少资源消耗、实现可持续发展战略；2）从商业角度考虑：降低成本、减少潜在的责任风险，以提高竞争力。

内容：1）尽可能减少生产环节；2）选择对环境影响小的生产技术；3）选择清洁能源和材料；4）建立ISO14001环境管理体系。

5-4 刚和碳-塑复合材料，选择一种做汽车引擎盖，你选哪种？为什么？

选择碳-塑复合材料。该种材料机械强度大，比起普通钢材的汽车，最大特点是轻和快，抗冲击性比钢铁强。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，

杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

5-5 需要开发一种新材料，你将如何考虑这种新材料的环境性能？

①先进性：能为人类开拓更广阔的活动范围和环境，发挥其优异性能。在发展新材料、新技术体系时，既要考虑到技术环境负担的大小，材料本身对环境的污染程度，又要顾及材料使用时的传统性能（材料的先进性），在要求优异的使用性能这一点上，新材料与传统材料是相同的。

②环境协调性（优先争取的目标）：使人类的活动范围同外部环境协调，减轻地球环境的负担，使枯竭性资源完全循环利用。在材料的生产环节中资源和能源的消耗少，工艺流程中采用减少温室效应气体的技术，废弃后易于再生循环。材料及技术本身要具备环境协调性，这是区别于传统材料观念而增加的概念。

③舒适性：使活动范围中的人类生活环境更加繁荣、舒适，人们很乐于接受和使用。

关于环境材料的先进性、舒适性，不同人有不同理解，在实践中难以判断与把握，它只是一个定性的标准。因此认为环境材料的特征可以具体改为功能性、经济性和环境协调性等。这有利于环境材料的评判，也符合现实情况。

环境材料的设计思路是：在传统材料研究所追求的优异使用性能的基础上，充分考虑资源的有限性和尽可能降低环境负担等因素，采取有效措施，使材料具有能够再生循环利用的特性，从材料的设计阶段开始，就把材料的使用性能同保护地球生态环境、保障生活环境的舒适性充分结合起来，这是对传统材料技术与工程的革新。

5-6 从环保角度分析一下，再生设计是属于末端治理还是始端治理？

末端治理是将已经不能用的废物存放在一个相对稳定的空间内，实现污染与环境的隔绝，而再生设计说明废物还有利用价值，所以应该不属于末端治理！