环境材料概论的教学思路探讨

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摘要：本文简述了环境材料概论教学的基本思路，从环境材料的概念、评价方法、类型以及对环境的修复与未来环境材料的生态设计等方面向学生阐述了以环境保护的理念来进行材料的开发对于社会可持续发展的意义。

关键词：环境材料；教学研究；生态设计；循环利用；可持续发展

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0037-03

一、前言

随着新材料的不断开发，人们的物质生活条件和生活环境有了极大的改善和便利。但是材料的不断开发，地球上的资源、能源的消耗也越来越多，给环境带来的压力就越来越大，同时，由此造成的环境污染也就越来越严重，已经引起人们的极大关注，为了保护我们赖以生存的地球，同时又要不断的改善人类的生存环境，材料的合理开发以及其合理利用就成了摆在人们面前的重要课题。为此，既能满足人类进步的需求，又能清洁环境、节约资源、节省能源的新材料——“环境材料”受到人们的广泛关注。尽管如此，对于环境和材料的认识，已经经历了几十年甚至上百年的认识过程，人类充分享受了其带来的极大便利，同时也付出或即将为此付出沉重的代价，对环境材料的普及认识将是维持社会可持续发展的重要途径之一。其实，环境材料并不是一种完全独立的新材料体系，它只是人类发展过程中产生的一个新的概念；它实际上是环境科学和材料科学相结合形成的一门交叉学科，其目标就是在材料的加工、制造、使用以及再生循环过程中消耗最少的资源、能源，而达到最大的使用功能，以满足人类可持续发展的要求。对当代大学生，尤其是材料专业的大学生，了解材料与环境的关系，增强他们的环保意识，对于未来新材料的开发、环境保护以及社会的可持续发展具有重要的意义。环境材料不是一种独立的新材料体系，是一个新的概念，对其概念、范畴及未来的发展趋势等还有一个认识和完善的过程，尽管开始出现一些相关书籍，但关于环境材料尚没有成熟系统的知识体系和统一的判定标准，这给现代教学带来一定的难度，不仅学生会产生许多疑问，往往老师也难以准确地定义。为此，怎样在有限的时间里让学生充分了解认识环境材料对未来社会可持续发展的重要意义，本教学组认为从环境材料的概念及研究范畴、环境材料的评价方法及标准、环境材料的类型、环境材料与产品的生态设计及其发展趋势等进行概述，让学生了解环境材料的基本概念，增加他们的环保意识，在以后的材料研发过程中，增进保护环境、清洁环境的概念，以达到人类社会可持续发展的目的。

二、环境材料的概念

环境材料，是90年代初日本东京大学山本良一先生首次提出的新概念，是指那些环境负荷减至最低、再生产增至最大的材料，它与传统材料明显的区别在于它赋予了传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性，或者说是那些直接具有净化环境、修复环境等功能的材料；同时，山本良一先生又补充说，所谓的环境材料只是一个原则，其目的是防止对环境的损害，在人类活动中保护自然资源和生态环境。环境材料本身是一个不确定的概念，是一个动态和发展的概念。环境材料不是一种独立的高新技术材料种类，与其他材料的关系可粗略地用图1表示，许多传统材料本身就具有环境材料的特征或者可以发展成环境材料，有些垃圾废弃物经加工处理也可以制成环境材料，有些新材料是在充分考虑环境因素的基础上开发出来的，它具有较好的环境协调性，因此，应当正确处理传统材料与新材料、普通材料以及特定领域应用材料的关系，使环境材料在研发过程中得到普及，以达到保护环境材料的最终目的。

三、环境材料的评价方法与标准

判断某一种材料是否属于环境材料的范畴，需要一个标准或原则，这个原则实际上就是“环境材料”的定义。在这一原则的基础上，不同的学者从不同的角度出发提出了不同的评价方法，如生命周期评价法（LCA）、经济性指标法（LCCA）及环境材料的研究方法评估（LCD法）等。其中，生命周期评价法（Life Cycle Assessment，LCA）被称作20世纪90年代的环境管理工具，是近年来西方国家酝酿发展起来的一种崭新的环境影响评价方法。所谓的生命周期评价是指对一种产品从开始加工制造直至废弃的全过程进行全面的环境影响分析和评估，即从它的开采、加工、使用、废弃等全过程进行评价（图2），也有人把它说成是从摇篮到坟墓的评价。

但对LCA法，不同的组织机构有不同的定义与理解，国际标准化组织（ISO）认为LCA法是汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个寿命期间的所有投入及产品对环境造成的和潜在的影响的方法。ISO不仅规范了所有产品和服务的技术标准，随着环境保护的需要，也在尝试对环境问题的分析方法进行标准化。而国际环境毒物学和化学学会（SETAC）认为LCA方法是一个评估产品过程或其活动给环境带来的负担的客观方法。该方法通过识别和量化所用的能量、原材料以及废弃物排放来评价与产品及其行动有关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用及排放物对环境的影响大小，并对该善环境的各种方案做出评价。生命周期评价法是评价材料的环境负荷的一种主要方法，其优点在于环境概念清楚，且将材料的生命过程作为一个整体进行分类研究。

四、环境材料的类型

环境材料是继人类历史上从天然材料、金属材料、合成材料、复合材料、智能材料之后又一个新概念材料，不同的学者从不同的角度将环境材料划成不同的类型。为了使学生清楚理解环境材料与上述材料概念的关联和区别，易于接受、认识环境材料及其重要性，以现实环境问题为依据，通过下列内容的介绍，学生能简单直观地认识环境材料及其对环境保护的意义。

1.绿色包装材料。众所都知，凡是产品都离不开包装。发达国家的包装工业产值已占国内总产值的2%以上。我国的包装业发展也很迅速，据中国包装联合会统计2010年完成包装工业总产值1.2万亿元，已成为国民经济重要的组成部分，极大地带动了新材料的开发及其相关产业的发展，如果忽视环境因素，也会给环境带来巨大的负担，因此，在开发包装材料时应牢记对环境的保护思想，体现包装有利于环境保护的实质，还要避免过度包装或浪费包装材料，才能达到节省资源，逐渐改善环境的目的。

2.绿色建筑材料。长期以来，建筑材料主要是根据建筑物及其应用部分对材料提出的力学性能和功能方面的要求进行开发的，结构材料主要追求高强度、高耐腐蚀性等方面的先进性；而装饰材料则追求材料的功能性和设计图案美观等方面的“舒适性”；但这样往往容易忽略建材的环境协调性，结果给环境带来了极大的污染。建筑材料是应用最广，用量最多的材料，因此其耗能以及其所造成的环境污染也最严重。建筑材料在其生产和使用过程中对环境的污染主要包括六个方面：空气、水、固体废弃物、放射性、噪音和热等的污染。随着经济建设的不断发展，未来的建筑材料需求量也在不断增加，建筑材料生产中的污染物如不加以解决，则由此造成的环境负荷将是灾难性的，因此，开发与地球环境协调性的绿色建筑材料是今后发展建筑材料所必需研究的重要问题。所谓绿色建筑材料就是具有优异的环境协调性的建筑材料，具体地讲，有利于保护生态环境，对人体、周边环境无害的健康型、安全型建筑材料；从广义上讲，生态材料是对原料生产、施工、使用及废弃物处理等环节贯彻环保意识，实施环保技术，保证社会经济的持续发展，所以，绿色建筑材料代表着未来建筑的主体方向，也是未来发展的必然趋势。

3.环境净化材料。净化材料是指在与废弃物的接触中，通过物理、化学的变化而使废弃物中的有毒有害物质除去从而达到排放标准，而有毒、有害物质本身通过这种物理化学变化变成对环境无害的物质，甚至加以利用。净化材料类型多种多样，不同材料对污染物质的去除机理不同，因此可把其划分为吸附净化材料、离子交换材料、混凝絮凝材料和过滤净化材料等。如，活性炭、离子交换树脂、分离膜等，就是净化材料的常见类型。仅有环境净化材料还是不够的，大部分净化材料还需要借助某些设备、工艺的优化组合来处理生产及生活废水、废气的系统工程，其中废气固体的处理取决于技术设备，废水与废气则更多的依赖高技术含量的材料。设备施工已确定后的产物，材料则与工艺相辅相成，即根据工艺特点设计材料结构或根据材料性能开发工艺流程，这是环境材料研制的特殊性，即材料与工艺的统一。

4.环境替代材料。用环境负荷小的材料替代环境负荷大的材料可以减小材料对环境生态的影响作用，有些材料虽然环境负荷小，但对人体健康不利，所以也需要用对人体健康有利的材料进行替换，以改善人们的生活环境，提高人们的生活质量。自20世纪30年代以来，用作制冷剂﹑发泡剂﹑清洗剂﹑灭火剂和喷雾剂的氟里昂被广泛用于制冷﹑空调﹑消防﹑电子﹑医药等行业，但是氟里昂类物质不仅对大气臭氧层有破坏，而且对地球产生温室效应，严重影响地球的生态环境和人类的身心健康，因此寻找替代氟里昂类物质已成为目前研究的热门话题。目前作为替代制冷剂被广泛应用的有：四氟乙烷、异丁烷、二氟乙烷与二氟一率甲烷的混合剂等。另外，石棉以及含磷洗涤剂替代品的开发也是目前化工行业的重要课题。

5.废弃材料的循环利用。垃圾重新利用，不仅有利于环境保护，也有利于解决我国的某些资源短缺的问题。常说的废弃物的资源再循环，包括再资源化和再利用，再资源化就是将废弃物（一般废弃物、产业废弃物等）进行回收、粉碎、筛分等过程，再作为原料使用；再利用包括整体机能使用寿命完结后的物件进行重组，将其部件不改变原来结构或做很少的修复，经过清洁后重复使用。如酒瓶之类物件回收后经过洗涤重复使用，干燥剂之类产品回收干燥后再充填等。尤其值得重视的是，废干电池的资源利用，大部分电池都混于生活垃圾堆中，被填埋或是焚烧，造成土壤和地下水的严重污染。废旧电池的回收利用看起来似乎是一件小事，但却有着很重要意义：一是资源的回收利用，变废为宝；二是防止环境污染，减轻环境负担。废旧电池中的有色金属是宝贵的自然资源，废旧家用电器的资源化，废塑料，低硅尾矿的资源化，煤矸石、粉煤灰、高炉渣的利用，以及建筑垃圾的资源化等正是十二五规划中的重大课题。

五、环境修复材料

矿山的开采常引起重金属元素污染土壤或水体；战争常常使某一区域中某有害元素（例如铀或TNT）浓度过高；而某些工厂周边地区，由于工厂排放的污染气体物的降落或某些集水盆地常年汇集大量污染物，使得这些地域某种污染成分浓度特别高。环境修复是指，对已污染或破坏的环境进行包括生态方面的多种技术处理与治理，以恢复被污染和破坏的生态环境。如植物修复及非金属矿物对环境的修复等。目前，常见的有植物修复和非金属矿物修复两大类。植物修复是指把某些对污染物具有耐承力和高积累特性的植物种植于污染区，利用植物自身的生长代谢或其根系微生物共同作用，将环境中的污染物质吸收固定或消除，并在适合的时间对植物进行收割处理，使污染的环境恢复达到原初状态的一种原位污染治理技术。如，水葫芦对富营养化水体的吸附作用、红树林湿地在水体净化中的作用。

六、生态设计

随着世界人口的增加和社会经济的高速发展，人类对资源、能源的消费将会进一步剧增，由此造成的资源、能源的短缺将会日益严重。从经济和环境保护的角度来看，都是十分不利的。因此，为了人类社会的可持续发展，人类不得不改变以往的生产方式，在减少废弃物排放的同时，还要减少对矿石等原生资源的依赖性，将产品、材料的生产逐渐转移到以利用再生循环材料为主的基础上。生态设计是指在材料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全的意识有机地融入其中的设计方法，又称为生命周期工程设计、绿色设计，或为环境而设计以及环境协调性设计等，以保护生态环境为中心的设计方法还有利于产品循环回收的可再循环设计、便于回收重新使用的易拆卸设计、以及材料选择设计等。目前生态设计已经成为推行预防生态环境受到危害的重要手段，是最高级的清洁生产措施和可持续发展的最佳途径。生态设计是采用先进技术、工艺并采用可循环材料以减少对生态环境的破坏，要明显地减少材料制造前的隐性材料物质流和能源流，即在材料循环的前端减少，而不仅仅是促进生产造成废弃物的循环。生态设计应使传统材料设计思想有新的转变。传统设计是依据技术、经济性能、市场需求和相应的设计规范，着重追求生产效率、保证质量、自动化等以制造为中心设计思想，将使用的安全、环境影响和废弃后的回收处理留给用户和社会。模块化设计指对一定范围内的不同功能、不同性能、不同规格的产品进行分析，划分并设计出一系列功能模块。通过模块的选择和组合可以组装成不同产品，以满足市场需求。同时，模块化设计也有利于产品使用后的拆卸，继续利用一些可用的模块，其特点典型地体现在拆卸技术和回收技术等方面。目前，模块化设计已广泛应用于汽车、家电、计算机、复印机以及许多工业机器行业。

七、环境材料的发展趋势

进入21世纪，面对人口、资源、环境各方面的压力，人类急需要寻找一种有效的途径来协调资源与环境的关系，使其既不浪费资源又能保护环境；另外未来人类的生存空间也要扩展，这使得人们在寻找上天、入海、入地的材料。这些将是未来环境材料的发展的出发点与方向。基于这个观点，少用资源与材料，少消耗能源，发展空间材料，可能是未来材料科学发展的主要方向。此外，材料的重复利用也是未来社会必须给以解决的问题。为了达到上述目的，开展绿色产品的生产及进行绿色设计，是未来社会不能不涉及的研究领域，尤其是后者在未来可能越来越多受到关注，将成为环境材料未来发展的重头戏。所谓绿色设计，就是要求工业设计的产品包含这样的两方面的性能，一是清洁生产，在各个工艺环节都要减少排污，减少垃圾；二是要节约资源，既要节约原料，又要使产品在使用之后不至于全部成为废品垃圾，而是便于拆卸、回收和利用。环境问题已让世人猛醒，已经逝去的不能回来，目前的关键是怎样利用好仅存的有限资源来开创人类的未来，必须充分认识到材料、环境与未来的依存相连性，从保护环境的观点出发去开拓新的材料和能源，是从我们这一代人开始必须时刻恪守的信条，愿意以此为径，为材料、环境与未来创造出一片和谐的天地。

八、教学效果与思考

环境材料作为一门新兴的交叉学科，受到人们广泛的关注，同学们也表现出极大的兴趣，保持良好的学习状态。在教学过程中，采用了讲授引导与课堂讨论相结合的方式，结合相关参考书以及最新的资料文献，配合实物图片资料，从环境材料的概念、范畴、行为准则到具体的环境现状等不同方面逐步引导学生进行思考分析，了解环境保护的重要性，引起了同学们极大的兴趣，根据同学们自己的兴趣和观点，在较大的范围内进行自我查阅相关资料，组织内容进行交流探讨，同学们积极主动提出了各类环境保护的观点与措施，以及未来对环境友好材料的开发和使用的基本原则。但是对于环境材料这一新兴的学科领域尚没有成熟的理论支撑和统一的评价体系，以及与之相应的法律法规，还需要得到社会的广泛认知，为创造更美好的自然及人文环境，为社会的可持续发展贡献每个人的智慧。

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作者简介：胡应模（1964-），教授，博士，从事环境材料的教学与研究工作。