环境材料学课后思考题

1 用自己的理解给出生态环境材料的定义。

答：生态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较少，对生态环境影响较小且再生利用率较高的一类材料。

1 你认为那些材料属于生态环境材料？举例说明。（举例之后还要简要说明一下）

答：比如：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

2 试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

答：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 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

铁矿

污染物

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。

答：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。

5 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。

6-1生态加工与传统加工区别

l ) 从源头上实现机械加工废液的零排放;

2 ) 彻底消除有毒有害的传统加工液对操作人员的健康危害和作业环境的污染;

3 ) 使用冷风可自然降解油剂和水 ,切屑回收利用率 1 0 0 % ;

4 ) 不需要传统的冷却系统及所需的废液处理设施等,节省能耗 2 0 % 以上 ;

6-3简述材料生态加工技术发展趋势。

避害技术，污染控制技术，补救修复技术，再循环利用技术，清洁生产技术

趋势p114第一段。

6-8 固态废弃物再循环利用现状

从固体废弃物的产生过程看。

首先产生在攀钢的生产过程中，主要有表外矿、选矿尾矿、选钛尾矿、高炉渣、瓦斯灰、脱硫渣、钢渣、轧钢铁鳞、钛白酸解渣、副产亚铁盐和废耐材辅料等，总量在1000万吨左右. 废物综合利用技术的发展趋势可以概括为:1开发大量消纳固体废物的实用技术.如:粉煤灰、污泥等生产建材; 煤矸石发电; 城市垃圾、有机污泥的堆肥化等; o开发深加工产品的生产技术. 如:废塑料再生成型;有机废物热解生产燃料油; 垃圾生产固体燃料; 电镀污泥回收重金属等;?分散回收、集中处理.如:从电镀、显影废液及废催化剂中提取稀贵金属; 各类废油的集中再生处理等;?制定鼓励综合利用产品进入市场的法规

7 工业生态学的实质是将自然界生态自循环的概念引入工业生产过程，实现工业的良性循环。结合材料工业的特点，分析材料生产在理想的生态工业过程中的地位和作用。

（1）对企业来说，废物的再生利用等降低园企业的生产成本，提高了材料和能源等资源的使用效益，最终提高生产效益（2）对环境来说，可减少废物和污染物对环境的排放而减少了对环境的负担（3）对周边地区来说，通过经济效益的提高，吸引更多的企业进入，带动了周边服务业的发展，生态工业园以巨大的优势代表了未来企业发展的新模式。在生态工业过程中，企业模仿自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最终达到工业持续发展的目标。

8.2二氧化硫的排放是引起酸雨的主要原因。分析干法、湿法、生物法脱硫工艺的优缺点。湿法FGD技术是用含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物，该法具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等问题。

干法FGD技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行，该法具有无污水废酸排出、设备腐蚀程度较轻，烟气在净化过程中无明显降温、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散、二次污染少等优点，但存在脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等问题。

生物法脱硫工艺不需催化剂和氧化剂(空气除外)，不需处理化学污泥，产生很少生物污染，低能耗，回收硫，效率高，无臭味。缺点是过程不易控制，条件要求苛刻等。

8.5常见的污水处理工艺有哪些？在这些处理工艺中，材料科学与技术起到了哪些作用？143页分离处理、转化处理、稀释处理，143到153四种材料

8.7如何利用材料科学与技术控制交通噪声污染p154

1.安装消声、吸声和隔声材料，阻碍噪声的传播途径，减少噪声的危害

2.改变路面材料成分和粗糙度也可降低噪声

9.3从材料科学与工程角度分析报废汽车含有哪些可回收资源

1.黑色金属材料：钢和铸铁

2.有色金属材料：铝、铜、镁合金和少量锌、铅及轴承合金

3.铂族金属材料：铂、铑、钯

4.废旧轮胎

5.车用塑料

6.车用玻璃

9.5报废汽车中贵金属的回收技术途径有哪些

湿法处理和火法处理

9.8分析报废电子电器中可回收利用的元素种类

黑色金属：铁

有色金属：铜、铝、铅、锡

贵重金属：金、银、钯、铑、铂、硒

玻璃和瓷

阻燃塑料、易燃塑料

9.9目前废旧电池主要包括哪几类可再生利用的元素

镍、铁、钴、稀土元素、镉、锂、铅、铜、

10.1简述RoHs及WEEK指令的主要技术要求

RoHS指令规定：欧盟成员国应确保，从2006年7月1日起，投放市场的十大类电子电气新设备，除了第八类医疗器械中的放射性治疗仪，以及第九类监控装置中如烟雾报警器外，其他各类设备中应限制铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯（PBB）和多溴联苯醚（PBDE）6种有害物质含量。

WEEE指令核心容：2005年8月13日起欧盟市场上流通的电子电气设备的生产商必须在法律上承担起支付报废产品回收费用的责任同时欧盟各成员国有义务制定自己的电子电气产品回收计划，建立相关配套回收设施，使电子电气产品的最终用户能够方便并且免费地处理报废设备。

10.2报废汽车中含有哪些有毒有害元素

汽车是多种物质材料的集合体，如钢、铁、铝、橡胶、塑料、玻璃、涂料和各种有色金属等。如汽车使用的橡胶、塑料等，汽车报废后会被大量遗弃或烧毁，严重污染大气环境。金属污染是报废汽车的另一类污染物质，汽车除大量使用钢、铁、铝外，还使用贡、水银、镉、铅等重金属，这些重金属，若这些含重金属或重金属化合物的材料处理不当，会对土地、水源和空气造成污染。

10.3报废电子电器中含有哪些有毒有害元素

铅镉汞六价铬包含PVC的塑料溴化阻燃物（BFRs）钡铍油墨。磷化物及其它添加物

10.4报废电池中含有哪些有毒有害元素

酸、碱等电解质溶液、镉、汞、铅、镍、钴、

10.6分析铅、铬等有毒有害元素的替代技术前景

191铅：无铅焊料是当前一项迫切和亟待解决的问题，几大前沿性课题为新型焊料的设计和研制、可焊接性与可靠性研究以及焊接工艺的研究。塑料稳定剂逐步淘汰铅镉类热稳定剂，发展环保无毒稳定剂

200铬：发展三价铬电镀技术、无铬镀层替代技术。三价铬电镀技术研究有了较大发展，特别是在克服杂质污染和实现厚镀层方面取得了突破性发展，长期稳定的三价铬电镀已经大规模投入生产使用，并取得了良好的经济效益和环境效益203页。短时间，无铬镀层技术尚不是取代六价铬电镀的最好方法，仍需要继续研究和发展203页。

11 从成分和结构上分析比较木材和竹材的使用性能及环境性能。

答：成分上比较，木材主要由管状细胞结构和软组织构成；竹材的化学成分与木材相比，含有较高的纤维素，半纤维素，此外还有较高蛋白，脂肪胶蜡，淀粉类及还原糖等，故比木材更易产生虫蛀，霉变和腐朽等损坏。结构上比较，木材主要成分是纤维素、半纤维素和木质素组成;竹材是各向异性材料，一般为从基部到梢部，从部到外层维管束密度，纤维含量增加，各类细胞，导管孔径，细胞腔，胞间隙均呈变小的规律。竹材和木材相比具有壁薄中空，可塑性差，易霉变和易腐蚀等缺点，其最大的优点在于生长周期短，资源丰富。

11-7.结合碳，氮循环示意图讨论分析固碳和固氮的技术途径。比较各种技术的环境效益和经济效益。（后半部分找不到）

固氮：分为大气固氮（动物体蛋白质），生物固氮（植物体蛋白质）和工业固氮（氨）。

固碳：分为植物固碳（光合作用）和海洋生物固碳（石灰石）。

12-4.大多数生物矿物材料的成分都很简单，如骨骼，牙齿，珍珠，珊瑚等，主要是钙，镁，硅，氮气机械性能都很优异。为什么人工合成的材料在目前还不能达到天然生物材料的这些性能？

书上：P231 最后两段

因为动物的骨骼，牙齿，贝壳等材料是通过生物矿化过程形成的。生物矿化区别与一般矿化的一个显著特征是，它通过有机大分子和无机矿物离子在界面处的相互作用，在分子水平上控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式。

这种复杂的化合物，其结构和界面选择了适于其功能的最佳设计。相比之下，人工合成的材料没有经过如此复杂的工艺，无法达到天然生物矿物材料的这些性能。

12-5 羟基磷灰石是目前研究最多的生物瓷材料。从材料制备工艺的角度综述羟基磷灰石的制备工艺。

1.固相反应法

固相反应法的基本原理是将含钙离子及磷离子的固体盐类物质在容器混合均匀，通过高温加热，使容器的各物质发生固相反应，然后向该容器通人一定量水蒸汽，从而制得HAP颗粒。用固相反应法制备的HAP具有结晶度高、无晶格缺陷等优点。但是，固相反应法也存在以下

缺点：反应速度缓慢，制备耗时较大，容易引人有害杂质，制备的晶体颗粒直径较大(通常大于lmm)。

2 沉淀法

化学沉淀法的基本原理是把不同的的原料充分溶解混合，得到一定量的沉淀物，沉淀一段时间后，在一定的温度下对沉淀物进行干燥、煅烧，制得纳米材料。为了提高沉淀效果，大多数反应往往需要在混合溶液中加入一定的沉淀剂。化学沉淀法实验条件要求不高、反应容易控制，因此，在制备纳米材料的工业生产中有着广泛应用。

3.水热法

水热法的基本原理是：通过高温高压使某些在常温常压下难溶于水的物质溶解或发生化学反应，生成晶体溶解产物，达到一定的过饱和度后而进行结晶和生长的方法。该法的优点是可以用来制备各种各样的单晶体，而且制备的晶体颗粒纯度高、结晶完整。缺点是水热法对设备强度要求较高，导致合成成本很高。

4 溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法是已知的制备HAP材料方法中比较简单的一种。该法的基本原理是：把一定量的有机化合物溶解在溶剂中形成溶液，经过水解、聚合过程，形成了能溶于碱性溶液的纳米级的溶胶粒子溶液，然后通过进一步的反应使溶胶老化成为凝胶，最后在一定的温度下对凝胶进行干燥煅烧得到HAP粉末。

12-7 试阐述智能高分子纤维材料为什么对混凝土具有自修复功能？（p236）

答：它可以感知混凝土中的裂纹和腐蚀并自动将其修复。这种有硅酸盐纤维和聚丙烯高分子制造的多空空心纤维可以埋入所有的混凝土结构中。混凝土的过度扭曲会撕裂纤维，使其释放化学物质填充裂纹，以达到修复目的。

13-1.什么叫环境降解材料？怎么定义环境降解材料？(p239)

答：环境降解材料一般指在适当和可表明期限的自然环境条件下，可被环境自然吸收、消化或分解，从而不产生固体废弃物的一类材料。

13-2.从环境性和经济性的角度分析解决白色污染的技术途径。

答：目前的技术措施主要有少用塑料、废品回收、化学利用、焚烧、掩埋、发展可降解塑料等。少用塑料是最积极的一项措施，可减少资源消耗。回收利用主要指对某些塑料制品，如饮料瓶、物品转移箱等，采用循环再利用技术。化学利用指将塑料废弃物作为热能、化学原料和原材料进行回收利用，如生产汽油、柴油等。焚烧和掩埋指在野外深挖深埋，或利用专用设备焚烧处理等。但焚烧时产生的气体不仅污染大气，而且容易腐蚀设备。掩埋需占用大量土地，对我国这样人多地少的国家不适用，而且易造成土壤和地下水污染。因此，从环境保护和经济价值两方面考虑，研究和发展降解塑料是塑料发展的必然趋势。对一些一次性使用的塑料制品，如塑料包装袋、农用塑料薄膜等，采用生物降解塑料，是解决白色污染的有效途径。

13-7从聚乳酸在自然界的循环过程分析人类未来材料的发展方向。

答：聚乳酸兼具有良好的生物相容性能，生物可降解性和塑料的热加工性能，因此同时可作为生物医用材料和生物可降解包装材料，已经成为近年来生物材料领域最为活跃的研究热点之一。PHA研究所带来的信息证明，生物合成新材料的潜力几乎是无限的，随着研究的不断深入，还会有更多的PHA会被合成出来。所以，人类未来材料是向着可降解塑料方向发展的。

13-9 从应用塑料的角度分析可降解塑料是否彻底解决白色污染问题。

答：不是。目前使用的可降解塑料多为破坏性生物降解塑料，在微生物的作用下，仅仅是部分材料分解成了碎片，而剩余的大部分ＰＥ、ＰＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、ＰＶＣ等塑料原料是不可生物降解的，并会残留相当长的时间。所以它只能解决有形垃圾形状的变化或使垃圾减量而已，而分解后塑料碎片或微粒是根本无法回收复收再生利用的，仍然会造成环境污染。另一方面，按国家标准, 采用15%的可降解材料即为环保塑料袋，这样的塑料袋也非完全的可降解塑料。

14-2 如何理解包装材料的使用性能、经济性能和环境性能。

使用性能：（1）一定的机械性能：包装材料应能有效地保护产品。因此应具有一定的强度、韧性和弹性等，以适应压力、冲击、振动等静力和动力因素的影响。

（2)隔性能：根据对产品包装的不同要求，包装材料应对水分、水蒸气、气体、光线、芳香气、异味、热量等具有一定的阻挡。

（3）合适的加工性能：包装材料应宜于加工，易于制成各种包装容器应易于包装作业的机械化、自动化，以适应大规模工业生产应适于印刷，便于印刷包装标志。

环境性能：包装材料本身的毒性要小，以免污染产品和影响人体健康；包装材料应无腐蚀性，并具有防虫、防蛀、防鼠、抑制微生物等性能，以保护产品安全。

经济性能：包装材料应来源广泛、取材方便、成本低廉，使用后的包装材料和包装容器应易于处理，不污染环境、以免造成公害。

14-6 包装材料的绿色设计是减少环境负担的重要途径，但产品的经济性往往要求超成本包装设计。如何解决这一矛盾？

答：可以使用一些经济实惠的绿色产品。比如说，淀粉，蛋白质，糯米，土豆等复合而来。绿色包装材料的来源广泛而价廉，同时避免过度包装，减少材料的使用量。

14-8 总结绿色包装材料的加工工艺主要包括哪些？（p264-266）

答：主要包括：降低包装材料，节约资源和在资源化；重复使用、再生和再循环利用包装材料；降低净化，减少固态废弃物。

15-4.举例说明生态水泥与传统水泥有何区别？生态混凝土与生态水泥有何区别？

答：生态水泥与传统水泥的区别;与传统水泥相比，生态水泥在生产过程中，尽量减少能源消耗，降低水泥的烧成温度等。在传统水泥中，矿渣主要是起掺杂作用，而在生态水泥中，通过矿渣粉末技术，提高了矿渣的比表面积，使矿渣本身的胶凝性和火山灰活性得到充分的发挥。

生态混凝土与生态水泥的区别：水泥是加水拌和成塑性浆体，能胶结砂石等适当材料，并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。从广义地说，混凝土是由胶凝材料，粒状材料及其它外加材料按适当比例配制，再经硬化而成的人工石材。由其定义可以看出，水泥是混凝土的一部分。而混凝土包括更广的围。像石膏混凝土、沥青混凝土及聚合物混凝土等。两者是截然不同的两个概念，在某种意义说是局部和全部的意思。

15-10如何使建筑卫生瓷环境功能化，如抗菌，灭菌，防霉，除臭，甚至净化空气等

1 利用光催化剂的作用，在瓷砖表面制作一层具有抗菌作用的膜。2考虑光催化，金属离子的激活作用以及复合盐的抗菌效果，采用稀土离子和分子的激活催化手段，提高多功能保

健抗菌效果和空气净化效果。3将天然木材或其他木质材料浸渍热固性树脂，做成木材瓷

15-11试从使用性能、环境性能、经济成本的角度分析工业建筑、公共建筑以及民用住房等不同建筑物的材料使用特点。