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环境材料论文
环境材料
90年代初,在可持续性发展理论和应用的推动下,国际材料
界出现了一个新的领域——环境材料,在这种材料的研究和开发的过程中,既要追求良好的使用性能,又要深刻认识到自然资源的有限性和尽可能降低废弃物排放量,并在材料的提取、制备、使用直到废弃与再生的整个过程中都尽可能地减少对环境的影响。
环境材料的英文名称Ecomatarial,它是EnvironmentConsciousMaterial或者EcologicalMaterial的缩写,也就是说这种材料是
具有环境意识、考虑环境、考虑生态学的材料。
它在生产的过程中对资源和能源的消耗量比较少,废弃后能够回收再生利用的可能性比较大,其从生产使用到回收的全过程对周围的生态环境的影响也最小。
因而它可以称为“绿色材料”或者“生态材料”。
生态环境材料的研究内容比较广泛,归纳起来可以概括为材料的环境协调性评价,生态环境材料的设计,材料在制备加工中的环境协调技术包括零排放和零废弃加工技术,以及材料在使用过程中的环境协调性技术如制备环境协调性制品等等。
具体从材料的性能上来说主要包括以下几个方面:
再生利用型材料,包括再生的可以降解的塑料、在家用电器中能够加以回收利用的电路基板,在生产和使用过程中污染较少并且能够回收再生的纸张等。
能够经自然界微生物分解或者能够自动降解的材料如新型的包装袋,由天然材料加工成的高分子材料等。
为净化环境和防止污染而设计的材料如新型的不释放有害气体的墙体材料,高吸油性树脂等。
替代传统有污染的材料的新型材料如冰箱内的全无氟制冷剂等。
与洁净能源相关并且能够利用它们的材料,如燃料电池中的储氢材料。
环境材料有区别于传统材料的特点。
环境材料的主要特点就是在保证了它们具有良好的使用功能的前提下,在其生产、使用和回收处理过程中对资源的利用率很高并且在上面的三个过程中对生态环境无副作用。
而传统材料在上面三个方面的效果往往是比较差的。
长期以来，人们忽视了材料的开发和应用必然受到生态环境的影响和制约。
大规模地生产人类生存所必须的材料总是意味着一定程度上损害生态环境。
为了人类的生存和发展，人们所面临的课题，即如何生产将环境负荷减至最低，再生率增至最大的材料。
日本东京大学山本良一等在90年代初提出新的研究领域“环境材料”Ecomaterials（EnvironmentalConsciousMaterials）或EcologicalMaterials
到目前为止，关于环境材料尚没有一个为广大学者共同接受的定义。
最初，一些学者认为环境材料是指那些不仅具有优异的使用性能，而且从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个生命周期（lifecycle）中必须具备与生态环境的协调共存性以及舒适性的材料。
经过一段时间的发展，一些学者认为，环境材料是赋予传统结构材料，功能材料以优异的环境协调性的材料；或者指那些直接具有净化和修复环境等功能的材料。
即环境材料是具有系统功能的一大类新型材料的总称。
还有一些专家认为，环境材料是指同时具有优良使用性能和最佳环境协调性的一大类材料。
根据大部分人的理解，环境材料的概念可以概括为：
环境材料是指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料。
既包括经改造后的现有传统材料也包括新开发的环境材料。
特别值得注意的是环境材料的概念或定义应当是确定的或不变的,而判别环境材料的标准是随科学技术的进步而发展或变化。
当所有的材料都“环境材料化”了的时候，那么，环境材料这个术语也就完成了它的使命。
环境材料的三个特点：
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。
环境材料与社会的可持续发展摘要系统地介绍了可持续发展的概念、思想实质及其要求；综述了环境村料的由来、研究开发现状，并就我国的可持续发展和环境材料状况提出了一些建议。
关键词社会可持续发展环境材料生态材料
、尸■、亠
前言
随着人类社会的不断发展，物质文明与地球有限的资源之间的矛盾日益尖锐，生产力的飞速发展对环境的影响越来越为人们所关注。
人类在利用先进的科学技术和自然资源创造大量的物质财富的同时，因为对自然界的破坏而面临新的生存威胁。
保护环境，走可持续发展道路，才符合人类发展的长远利益。
材料是人类的基本资源之一，要实现人类的可持续发展，必须实施材料的可持续发展战略。
1可持续发展（Sustainabledevelopment）
发展是文明社会的永恒主题。
二战后，人类社会的发展理论经历了一个从“经济增长理论”到“经济社会综合协调发展理论”，再到“可持续发展理论”等渐进深化的过程。
在中国，《“九五”计划和2010年远景目标纲要》把社会发展问题提到了战略高度，并把人的发展放到战略主导地位。
中国的基本国情表明，走一条具有中国特色的可持续发展道路是现代化的必然选择。
1．1可持续发展内涵可持续发展思想认为发展与环境是一个有机的整体。
它主要涉及到人口、资源、生态、环境、经济、社会等方面，主要内容包括三个方面资源与生态环境可持续发展、经济可持续发展、社会可持续发展。
1）可持续意义上的发展包括经济发展、社会发展和生态环境的发展。
2）可持续发展以自然资源为基础，同环境协调能力相适应。
3）可持续发展要求体现出环境资源的价值。
4）可持续发展以提高生活质量为目标，同社会进步相适应。
5）可持续发展的实施以政策和法律体系为条件，强调“综台决策”和
“公众参与”。
把可持续发展概念仅仅理解为经济（GNP）的持续增长是不全面的．
1．2可持续发展思想的实质
可持续发展实质上是在多重因素的约束下，力求“发展”和“持续”两个相关变量和取最大值，达到这一最大值的途径就是可持续发展模式．可持续发展概念可表示为：
对于未来任意时刻t，社会生活指标体系各指标变化值之和或其速度均大于零口]．
1．3可持续发展理论的基本要求
可持续发展理论的基本要求包括：
1）可持续发展的核心是发展；
2）全人类的共同努力是实现可持续发展的关键；
3）生态文明是实现可持续发展的目标；
4）公平性是实现可持续发展的尺度；
5）社会的广泛参与是实现可持续发展的保证
1．4资源价值体系的建立
可持续发展战略的关键在于建立资源价值体系．该体系应被视为可持续发展的基本条件。
资源的成本应能反映资源本身应有的价值及资源开发对环境的损害。
资源的成本主要包括三部分：
资源开发或获取的成本；环境成本，即与资源的开发、获取、使用、再生有关的环境净化、环境损害及资源再生成本}用户成本，即资源使用后不能再为后代人所利用，从而对后代人所造成的损失。
2环境材料（Ecomaterials）
人类进人工业社会以来，随着生产活动的增加和工业污染物的大量排放，已引起生态环境日益恶化。
各种统计资料表明：
材料及其制品是造成能源短缺，资源过度消耗乃至枯竭和环境污染的主要根源。
人类既期望获得大量高性能或高功能的各种材料，又迫切要求有一个良好的生态环境，以提高人民的生存质量，并使文明社会可持续发展。
因此，研究人类发展和生存所必需的材料及其工程技术与生态环境的关系，已引起各方面广泛的关注和重视。
2．1环境材料概念的提出90年代初，日本的山本良一教授提出了“环境材料”的概念，由此国际材料界出现了一个新的研究领域——环境材料，提出在研究与开发材料的过程中，既要追求良好的使用性能，又要深刻认识到自然资源的有限性和尽可能降低废弃物排放量的重要性，并在材料的提取、制备、使用直到废弃与再生的整个过程中都尽可能地减少对环境的影响。
所谓环境材料是指具有良好使用性能或功能，对资源和能源消耗少，对生态与环境污染小，再生利用率高或可降解循环利用，与生态环境相容和协调或对环境有一定净化和修复功能的一大类材料。
环境材料有三个重要特征：
1）具有良好使用功能；
2）具有较高资源利用率；
3）对生态环境无副作用。
2．2环境材料的研究与开发
近年来，环境材料的研究方向主要集中在净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、材料的资源化、利用自然能等方面，重点体现在纯天然材料、仿生材料、绿色包装材料及生态建筑材料等方面。
具体有以下八个方面：
1）纯天然材料的开发和利用;
2）环境兼容性涂层材料；
3）汽车尾气净化用催化剂材料；
4）生物降解材料；
5）可再生及可循环制备和使用的材料；
6）环境工程材料；
7）降低环境负担性的材料加工工艺和技术；
8）其它环境协调性材料及产品.
3环境材料与可持续发展
可持续发展不仅包括经济、社会的人类发展，还包括生态环境的自然发展。
这两个方面互相依存，相辅相成，任何一方的非持续发展都将导致另一方的非持续发展。
生态环境的可持续发展要求，作为自然资源最重要的组成部分之一的材料，应具有良好的使用性能并与环境具有良好的协调性。
因此，环境材料是可持续发展的重要条件之一。
材料是构成社会的物质基础之一，而环境材料对社会发展的重要性更是不言而喻。
因此，环境材料必须具有可持续发展性，才能保证人类的可持续发展。
实现可持续发展与开展环境材料的研究、应用是统一的，它们有着共同的目标：
改善人类的生存状况，使之利于全人类现在和未来的发展。
3.1环境材料是实现可持续发展的必然要求
可持续发展强调发展与环境的整体性。
《里约宣言》强调：
“为实现可持续发展，环境保护工作应当是发展进程的一个整体组成部分，不能脱离这一进程来考虑。
”
材料是重要的自然资源之一，是社会经挤发展的基础条件。
材料的生产、使用、废弃、再生整个过程都对环境有着巨大的影响、在研究
材料的合理性和科学性时，将材料的生命周期循环过程中的环境负荷与材料的性能和功能及环境的承受能力统一于一体，力求二者的协调平衡是十分重要的。
在这个统一体和自然资源有限性的基础上，环境材料的提出就是自然而然的了。
可持续发展离不开材料的合理利用与开发，而材料的重要发展方面就是环境材料，因此，环境材料的出现是可持续发展的内在要求，是可持续发展的重要组成部分，离开了环境材料，也就谈不上可持续发展。
此外，环境材料是应环境保护和改善的要求提出来的。
于是，作为与环境能协调发展的环境材料是材料作为一种资源在可持续发展要求
下的必然趋势。
环境材料的背景和发展目标，从环境发展的角度来说,与可持续发展也是一致的。
3.2环境材料对可持续发展的影响和作用
材料是经济和社会发展的基础和先导，是现代高新技术发展的三大支柱之一，为人类社会的发展做出了巨大的贡献。
然而材料产业又是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者之一。
随着人类进入可持续发展阶段，在有效地利用资源和能源及有效地减少废弃物、污染物的前提下，在可持续发展的指导思想下，尽量开发和制备出更多的与环境协调的，性能优异的材料，是材料科学领域的新的追求目标之一.
环境材料对社会发展的相对重要性如图2
环境材料也必须具有可持续发展性，才能保证社会的可持续发展。
3.3我的的环境材料研究现状
3.3.1与生态系统相协调的材料与工程
3.3.1.1纯天然材料
近年来越来越多的研究表明，木材作为一种天然材料具有优良的环
境协调性，在树木的生长、木材的加工和使用过程中对环境都具有非常友好的特性。
木材具有固碳作用，可以减少温室气体对全球气候的影响，是一种可再生的资源，而且具有很好的视觉与触觉特性。
但木材也有很多不足，如硬度强度不高、易腐蚀、变色等。
为了增加使用的可靠性，通常对木材进行加工改性后再使用。
木材的整体改性主要有物理改性和化学改性两种。
物理改性包括对木材进行外形修饰、形状加工、组合等，如制成叠层板、三合板等；化学改性包括浸渍处理、减压注入、加热注入、化学修饰等，可起到防腐、阻燃、耐磨、装饰等作用。
目前木材的化学处理越来越流行，根据反应机制的不同，有脂化、缩醛化、醚化等处理方法。
近来，一种先进的化学处理技术是将木材进行塑化复合处理，形成木材一高分子复合材料。
最终是木材获得高的硬度、强度和耐磨性能。
木材的表面处理包括涂层保护、装饰处理等。
近年又发展了一种非电解镀膜表面处理方法，将木材放人金属离子和还原剂的混合液中进行镀膜，使木材的表面获得一种金属的光泽，同时提高了抗腐蚀和耐久性能。
用等离子体对木材表面进行处理是一种新的木材表面改性技术。
可改变木材表面的机械强度和介电特性。
通过调整工艺可在木材的表面引入各种官能团，进一步提高木材的使用和装饰性能。
木材还可用来制备木质陶瓷，将木材经树脂浸渍后，放人炉中进行高温真空烧结处理，结果表面形成碳化木纤维及碳化酚醛树脂的各种结构，这种陶瓷材料耐磨性能优异，可用作汽车摩擦垫等耐磨部件。
木材的其它的利用还有利用树皮制备吸油垫，从植物中提取柏醇，从树叶中提炼香精油、食品添加剂等。
中国是世界上应用石材作为饰物、雕塑和建筑材料最早的国家之一天然石材由于具有美观、高雅和耐久等特点得到了广泛的应用。
现代人利用的石材主要是经过加工的块材、板材和石制品。
大量石材的使用使人们在享受现代文明的同时可以感受天然石材的古朴、素雅与粗犷的自然之美。
天然纤维素是一类典型环境协调性材料。
在天然纤维素的综合利用方面，将纤维素进行酸解、酶催化降解、氧化一还原、酯化、醚化等反应，可制造纤维素衍生物及产品。
例如纤维素黄原酯酸可用来生产人造丝；醋酸纤维素可用来制造电影胶片、清漆、净化分离膜等；硫酸纤维素可用来生产抗凝血、抗病毒的医用材料。
甲壳素是地球上第二大生物可再生资源，广泛地存在于无脊椎动物的外壳、昆虫的内外角质层及真菌的胞壁中。
目前甲壳素被广泛地用于制造生物医用材料。
如外科手术缝合线、人工透析膜、止血剂和伤口敷料等。
甲壳素还可用于制造膜分离材料、纤维功能材料及絮凝剂等。
甲壳素经脱乙酰处理可得到壳聚糖，与甲壳素相比其溶解性大为改善，在医学、药物制剂、化工、食品、环保等领域都有广泛的用途。
另外水稻等谷物的壳可用来加工木糖醇，生产咼纯SiO2、活性碳，
最后其残余物还可用来焚烧发电。
可利用稻壳和天然植物的秸杆制造一次性环保餐具或生态建材等。
我国还有两种特有的生态环境材料：
天然漆和杜仲胶。
天然漆是漆树分泌的一种灰白色的乳浊液，经过加
工处理后可用来制造绿色涂料、离子选择电极等；杜仲胶是一种天然高分子，可用于制造医用功能材料、形状记忆材料、气敏薄膜、橡胶制品等。
总之纯天然材料的利用越来越受到重视。
3.3.1.2可生物降解的材料
自20世纪70年代起，白色污染已成为全球环境的一大公害。
普通的高分子材料在自然环境中的分解速度很慢，大量使用和废弃高分子塑料，使其长期在环境中积累，是白色污染遍及全球的主要原因。
为了减少污染，近年来各国都投入了大量的人力物力，探索塑料的回收再利用技术，以及研制可以被大自然消纳的可降解塑料。
生物降解塑料是指使用后能在自然界微生物或光的作用下最后完全分解成二氧化碳、水及其他低分子化合物，使之成为自然界中碳循环的一个组成部分的一类高分子材料。
可生物降解的塑料主要包括微生物合成型、化学合成型及天然物质利用型三大类。
微生物产生的共聚聚酯可以在自然环境下被微生物分解，通过改性可以用来制造各种塑料，英国ICI化学公司在这方面的研究开发卓有成效，已有名为Biopol的产品出售。
大多数合成高分子不能被生物降解，但某些水溶性高分子（如聚乙烯醇、聚乙二醇等）和某些脂肪族聚酯（如聚己内酰胺（PCL））等可被生物降解。
在化学高分子合成领域，日本昭和高分子公司于1992年率先公布了可生物降解的脂肪族聚酯，引起了世界的注目，随后该公司又开发出了名为Bionol的产品，但综合性能有待提高。
怎样更好地利用这些可降解聚合物给化学家提出了新的课题。
天然物质利用型可降解塑料，主要是利用淀粉、植物纤维、木质素、甲壳素、海燥酸钠等天然高分子来制备的。
如日本昭和公司开发的改性的氨基蛋白热固性塑料，日本研究开发公司开发的甲壳素、纤维素和淀粉混合型塑料都是很好的可完全降解的材料。
国内北京理工大学、兰州大学等单位利用多元醇（如甘油、乙二醇）作为稀释剂、添加一定量的淀粉，并利用各具特色的改性剂、光激活剂制备生物降解塑料，取得了较好的结果，废弃后大部分产物可在一年内完全降解为水和二氧化碳。
尽管生物降解塑料具有良好的环境协调性，但其产品的推广面临价格偏高、力学性能差等诸多问题需要解决。
3.3.1.3仿生物材料
仿生物材料是生物技术和材料科学两大研究领域的交叉，是材料科学与工程的重要发展方向之一。
其基本原因就在仿生物材料是在生物兼容性的基础上，从材料制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。
以生物矿化为例，生物矿化区别于一般矿化的一个显著特征就是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的析出，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式，其结构和界面选择了适于其功能的最佳设计。
材料的生物矿化形成机制提供了一个材料制备的典范，如果能够模拟这种结构将会合成出许多既具有良好的使用性能同时又具有优良的环境协调性
的材料。
例如在动物的牙齿、骨骼和贝壳的珍珠层就是由微小的无机矿物晶体块以层状排列镶嵌在蛋白质之间形成的，这种结构为设计高强度高韧性的结构陶瓷提供了启示。
最近美国西北大学SamuelI．Stupp的研究小组首次设计出了名为肽一双亲分子的双部有机分子（TWO—partorganic）。
这种有机分子可以与圆滑的碳氢链连接成肽，当被浸入水中，这些分子会同时松散地组装到胶束纤维上，研究表明在纤维的表面可以诱导羟基磷灰石的生长，并获得了与骨质中相同晶体结构。
著名化学家UlrichWiesne对此给予了高度的评价认为这是自组装材料领域的一大进步，并把骨的形成机理应用到了容易获得的合成分子上。
已故著名材料学者周本濂先生在材料的仿生工程方面做出了开创性的工作，他领导的研究小组研制出了具有多层陶瓷涂层的碳纤维、空心碳纤维和哑铃状的短纤维等多种仿生设计的复合材料增强体，提出了关于分型树结构纤维从基体中拔出的数学模型，提出了工程材料的仿生愈合的模式与途径，在此基础上制备出了多种性能优良，具有损伤愈合等仿生功能的复合材料，这些功能都使得材料的环境协调性优于同类材料。
另外清华大学、四川大学等单位在人工组织材料及材料的仿生制备等方面也做出了许多很好的工作，如田杰谟教授在国内率先开展了三维仿骨结构设计与材料制备方面工作。
3.3.2环境工程材料
环境工程材料一般是指在防止、治理环境污染过程中使用的一些材料。
包括大气污染控制材料、水污染控制材料、噪声控制材料、电磁防护材料等，种类繁多。
本文仅就近年来出现的一些新型的环境工程材料作简单的介绍。
近年来在二氧化硫烟气净化方面，开发出了离子交换树脂吸附型净化材料以及利用稀土氧化物材料作为催化剂的干法脱硫。
离子交换树脂是以丙烯、苯乙烯为原料经交联悬浮共聚，制成多孔珠状树脂，再经碳化处理得到的_2。
稀土氧化物CeO,是非常有应用前景的新型吸收剂，CeO在很宽的范围内能和二氧化硫反应，而且在适当的条件下再生，可以使吸收剂产生的废气转化为硫。
作为潜在的吸收剂CeO,可以同
时脱去烟气中的二氧化硫和氮氧化物，其脱氮和脱硫效率都大于90％，但目前此类研究正处于实验室阶段。
汽车尾气的净化用催化剂通常采用铂、钯、铑等贵金属作为主要的活性组分。
近年来为了节约贵金属资
源，开始研究用过渡金属、稀土元素部分替代或全部替代贵金属，用于汽车尾气净化理，取得了很好的效果。
二氧化钛光催化剂的研究近年来成为材料科学研究的热点之一，TiO，光催化剂由于其化学性能稳定，无毒价廉以及光催化活性高而引起了广泛的重视。
作者在这方面也做了大量扎实、细致的工作。
利用Sol—Gel、磁控溅射两种方法分别制
备了锐钛矿相的纳米TiO粉末和固定化的薄膜，深入研究了微观结构对光催化性能的影响及催化机理。
在此基础提出了利用离子注入和纳米镶嵌改变材料的能带结构，从而达到提高TiO，光催化活性的目的。
离子注入Sn及纳米镶嵌Au，Ag都获得了较好的实验结果[54,55]。
由于TiO，光催化剂在空气净化、杀菌、消毒、防雾、防尘等诸多领域具有广阔的应用前景，因此国内外在应用开发方面都投入了大量的人力物力，近年来TiO，光催化剂的多种类型的产品也陆续出现，如自清洁玻璃、卫生洁具等。
最近，TiO，光催化的发现者Fujishima又将TiO2光催化剂应用于金属防锈和医学领域。
目前我国的沙漠及荒漠化面积已达国土面积的l／6，随着中央做出西部大开发的决定，怎样有效地保护西部相对脆弱的环境也就摆在了广大科学工作者的面前。
在防治荒漠化方面西部的院所做出了出色的成果。
四川大学研制的高吸水型树脂，可在各种土壤、沙地中促进作物、草类的生长，尤其适于无灌溉条件的沙地和荒漠地区。
兰州化物所研制出的系列固沙剂，具有生产工艺简单、成本低，易制成水溶液，可以喷洒等优点。
在塔克拉玛干沙漠、塔里木盆地的现场试验表明使用剂量为0.2g/m2时，固沙厚度可达5~8mm兰州大学从20世纪80年代开始就在防治荒漠化和干旱生态农业方面投入了很大的力量，化学化工学院目前已完成淀粉接枝、天然纤维接枝高分子材料和丙烯酸型高分子材料两个系列的高吸水性树脂的研究工作，树脂改性后用于中卫沙坡头治沙，效果优于国外同类产
品。
这种树脂还可用于农业保墒、种子包衣、固定尾矿等。
他们还研制出了高分子乳液
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