环境材料学第3章材料环境影响的评价技术

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, EAFEAF=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 Affect3.1-3 环境负荷单位 Environmental load unit, ELU 瑞典环境研究所完成ELU方法元素ELU/kg元素ELU/kgFe0.38Sn4200Mn21.0Co12300Cr22.1Pt4.2107V42Rh4.2107Pb363Oil0.168Ni700Coal0.1Mo42003.1-4 单位服务的材料消耗Materials intensity per unit of service, MIPSProf. 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，2203.1-6 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/SP3.2 LCA的出现与ISO 1400020世纪90年代初 综合评价方法生命周期评价方法(life 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19901993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 系 列标 准环境管理系统（EMS）14001 环境管理系统：分类和指南14004 环境管理系统：原理、系统和支撑技术环境审计（EA）14010 环境审计：原理14011 环境审计：审计程序14012 环境审计：审计资格14015 环境地域评价环境标志（EL）14020 环境标志：原理14021 环境标志：术语和定义14022 环境标志：符号 14023 环境标志：测试及认证方法14024 环境标志：类型I原则及程序14025 环境标志：类型II原则及程序环境行为评价（EPE）14031 环境行为评价：原理环境影响评价（LCA）14040 环境影响评价：原理及框架14041 环境影响评价：编目分析14042 环境影响评价：环境影响评价14043 环境影响评价：结果解释术语和定义（TD）14050 环境管理：术语和定义14060 产品标准的环境因素3.2-2 LCA的定义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 environment; 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; recycling, and final disposal.SETAC, 19933.2-2 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 which 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 natural resources to the final disposal.ISO 14040, 19973.2-2 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目标和范围定义环境影响评价评价结果解释编目分析目标和范围定义环境影响评价评价结果解释编目分析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1.评价目标：界定评价对象、评价原因，评价结果的输出形式2.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编目分析的步骤1.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1. 3. 编目数据的收集与处理2. 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。3. 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环境损害类型指标名称参照物温室效应GWP100CO2臭氧层变薄ODPCFC 11酸雨APSO2富营养化NPP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）；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、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 FeAlHEDP21.21.188.700.110.446.42.362.660.221.663.612.000.510E FeAlHEDP5326012.1220041.951630433.21.17210000015.5310002.06120000013005.40430001.67118001.724800016.00.09FeAlHEDP环境影响(E)2.027659.95131.9384材料性能(S)1.11161.30312.9910环境指数(ECOI)1.824046.00670.6481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)主菜单输入LCA数据库输出能量资源确认返回产品废物排放全球温室效应区域毒性水平放射性其他表面处理输入输出法目标与范围定义线性规划法模糊数学分析法层次分析法其他涂料建筑材料稀土钛其他编目分析环境影响评价结果解释优化打印我国现状 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！