1、中南大學資料科學與工程學院 周宏明第4講 環境資料與物質的再生循環4.1 再生循環可繼續開展的途徑4.2 面對再生循環的環境維護政策4.3 資料的再生循環設計4.4 金屬資料再生循環的現狀4.5 塑料的再生技術4.6 建筑資料的再生循環4.7 干電池的綜合回收與利用本講內容 環境資料的最大目的之一就是開發可以反復運用的資料，在技術提高的前提下，發明一個可以順利開展再生循環利用的社會、經濟體系，使人們構成一種自覺選擇、運用環境協調型產品的認識。 4.1 再生循環可繼續開展的途徑對于某種生物來說沒有用途的東西，在某些場所能夠是其他生物的資源，自然界中將一切的生物有機地聯絡起來，就構成一個循環系統生

2、物圈。如何減少廢棄物是迫切需求處理的課題。除了能源以外，許多礦產資源如鋅、鎘、錫等也面臨枯竭。4.1.1 再生循環的背景 建立符合自然規律的物質循環系統的戰略方針應遵照如下兩條原那么： 1盡能夠運用在自然界中可循環的資料，并將自然的循環運用到其廢棄和消費過程中。 2盡能夠少運用在自然界中不可循環的資料。對那些非用不可的資料，應事先先設計一個再生循環系統。4.1.1 再生循環的背景4.1.2 再生循環的形狀將廢棄物作為資源再生利用，其利用方式隨制造過程的階段不同而有很大差別，不同階段進展再生利用時，所要處理的問題的意義及重點也不一樣。在進展再生循環時，要根據處理的問題來選擇詳細實施的階段。(1)

3、 單純再利用reuse將不同的東西可以直接提供應其他消費者利用。(2)部件的回收再利用將廢棄物中一部分零部件取出，可將這類部件用在別的系統上繼續發揚其構造和功能的作用。(3)作為原資料再利用recycle將一定組成的物質直接利用還是經過“分解、分別成與原資料更接近的物質，這在工藝的概念上是完全不同的。 (4)能源回收reclaim)有機物熄滅會放出能量，金屬那么有時被稱作是經過復原等過程而聚集在一同的能量塊。再生循環的形狀4.1.3再生循環的問題(1) 消費者首先必需參與利用廢棄物資源的行動： a)分類回收；b)購買再生原料制品。(2) 經過再生循環獲得廉價的原資料 在一樣的經濟利潤前提下，存

4、在著最經濟的再生循環率。 影響再生循環率的手段：可經過技術的開發，社會體制的支持和提高原資料的價錢在金融、稅率上采取措施予以干涉。(3) 再生循環面臨的困難。 再生資料質量和數量上的不穩定。 分選分別都很費事，導致處置費用的提高，添加能耗及回收過程運用化學藥品帶來的環境負荷方面的影響。(4)再生循環的開展方向A.雜質無害化技術。B.通用性資料。C.長壽命資料：延伸資料的運用壽命，減少廢棄。4.1.3再生循環的問題4.2 面對再生循環的環境維護政策4.2.1 歐洲的環保政策歐洲各國對環境維護持積極態度。德國1972年制定了 “廢棄物處置法。為了與這個政令配合，成立了DSDDuel System

5、Deutschlaud公司。1992年8月提出了“限制廢車條例的提案。其最重要的議題就是汽車制造商有義務回收廢舊車。并要求就以下內容制定相應的措施： (1)追求在設計及制造中的可分解性； (2)促進貼商標及再生循環的程序； (3)制造過程中的再利用與再生循環等。在1993年3月，德國聯邦議會經過了新的廢棄物處置法。被稱作“循環型經濟廢棄物法，主張“消費者和消費者共同對產品的全過程擔任，“用再資源化替代簡單的廢棄物處置，使消費過程開場就明確提倡制定“循環型經濟、“再生義務和“回收義務，為工業渣滓的再資源化奠定了根底。4.2.1 歐洲的環保政策4.2.2 美國再生資源法規立法的可 能性美國雖尚無一

6、部全國實行的再生循環法規。但從20世紀80年代中期開場,先后已有半數以上的州制定了不同方式的再生循環法規，各地方再生循環物品的回收活動迅猛開展，半數以上的人口參與了這一活動。不論美國在法規制定方面如何，但在“產品責任制的認識方面是走在前面的國家。4.2.3 日本再生循環法規的實施1991年10月開場實施“關于促進利用再生資源的法律，目的在于確保資源的有效利用，抑制廢棄物的產生及維護環境。從再生循環的角度規定了一些重要的行業、產品和副產品如： (1)指定一些行業 要求這些行業促進再生資源的利用，做出利用再生資源的方案。2)指定產品易再消費品的制造：要求在產品的設計階段要進展事前論證并作好記錄，要

7、求在材質及構造、分類、信息提供、提高技術等方面下工夫。3)指定副產品促進副產品的利用。要求廠家做出促進利用再生資源的方案，務必按規格、型號要求進展加工、消費；配備必要的設備，提高技術等。4.2.3 日本再生循環法規的實施4.3 資料的再生循環設計 資料的可循環再生設計是在設計階段就充分思索資料的循環再生性，不僅比后期處置難度小，而且效益高。8.3.1 思索再生循環的資料設計 如何建立和開展社會性再生循環體系；竭力減少資源采掘量并繼續不斷地提供高質量的資料。 迄今為止，資料研討者不斷在努力于研討和開發更強、更韌，能在更嚴酷的環境下運用的具有更高性能的資料。結果是各種各樣化學組成的資料被開發出來，

8、但在以往的資料開發過程中關于如何節約能源及如何作到易于循環的觀念是很淡薄的。 4.3.2 計算機輔助資料預測技術 將一些實際上不能解釋的景象方便地數值化了，并勝利的制造出高性能的機械。 然而到目前為止，類似的情況在資料的設計中還非常稀有。一些數值化后而又含義模糊的部分還期望未來根底實際開展后再給予交換或修正。 4.3.3 運用資料預測技術使資料環境資料化再生循環對于像鋁、銅、鈦、鎳等合金體系更為緊迫，也期望能開展類似的資料預測技術。資料的性能可經過化學成分的選擇以及由控制加工、熱處置等制造工藝而確定的微觀組織來決議。采用以根底實際為指點的資料預測技術來控制消費、運用、廢棄、回收的循環，這是“金

9、屬資料環境資料化的重要課題。4.3.4 復合資料與環境資料把塑料玻璃纖維、碳纖維制成復合資料，作為一種環境資料而引人注目。有機資料和無機資料復合的典型代表是玻璃纖維強化塑料FRP，它作為輕質和強度兼備的資料有多種用途，而要使這種復合資料成為有利于地球環境的環境資料，就必需作到容易再生循環才行。4.3.5 塑料合金的研討將二種以上的聚合物復合，作為具有新功能的資料即所謂塑料合金。 例如：將液晶聚合物LCP和工程塑料復合，做成輕質和機械強度兼備且容易再生循環的資料。這種資料作為取代上述有機/無機復合資料的新資料而被普遍關注。 液晶聚合物經加熱后變成兼有固體和液體兩者特征的液晶形狀，它是一種流動性很

10、強的熱塑性資料。在高溫下融化構成均勻層，當成型后使溫度下降時，液晶聚合物便分散在聚合物基體當中。由于構成原纖維微小纖維，所以它可以發揚與玻璃纖維同樣的加強效應。 這種資料粉碎時，即使原纖維被破壞了，再成形時原纖維又能構成，因此再生循環后性能變化不大，可大體堅持原始的機械強度。 4.3.6熱塑性彈性體熱塑性彈性體是兼備橡膠與熱塑性塑料特點的新資料，在粘接劑、機電產品、汽車制造等方面已被大量運用。這種資料具有橡膠的性質，同時還可以熔融成形，與必需加硫的橡膠相比更容易再生循環。熱塑性彈性體是由軟鏈段和硬鏈段組成，硬鏈段接受強度，軟鏈段產生柔性。由它們組合可制造出多種熱塑性彈性體。 4.3.7 金屬合

11、金的設計-超級通用合金如今針對不同的用途開發了不同的資料，資料的種類不斷在添加。這么多不同種類組成的資料混雜在一同，使廢料的再生循環很困難。超級通用合金即是合金種類最少，而且能滿足多種用途要求的規范體系合金。另一方面，在再生循環時，難以使廢料的檔次一致，也難以防止由于雜質的混入而呵斥的化學成分變化。(1)通用合金 由有限的元素構成，經過改動其配比可在大范圍內改動其性能的合金系。A.Fe-Ni-Cr系鋼：改動Fe、Ni、Cr的相對含量，可得到鐵素體鋼到不銹鋼等一系列鋼種，這些鋼的組織及性能有很大的變化。B.Ti合金：改動Ti、Al、V的相對含量，可使合金的組織與性能發生很大的變化。例：Ti合金的

12、根本組成與組織設計Ti在882的相變溫度以上是相，以下是相。依合金元素的種類與添加量不同，可分類為、+以及合金。 最近，關于Ti合金也有了基于熱力學數據的相平衡計算。根據正那么熔體模型的熱力學計算，可以相當準確地計算多元素Ti合金中的相平衡。此外，利用亞晶格模型可以處置Ti3Al等化合物，也可以計算Ti-Al-Sn-Zr系的/Ti3Al相平衡問題。這樣，經過計算來預測構造的組織正在成為能夠。 日本的通產省工業技術院，在預測拉伸性能時，經過計算勝利地開發了能大幅度提高現有合金性能的Ti合金。 (2)組成變化不太敏感的合金作為合金的強化機制，常用的有馬氏體相變及第二相的析出等相變景象，這些相變或析

13、出景象受化學組成影響的程度比固容強化作用更大，當偏離某一合金成分時，相變或析出景象有能夠完全不發生。與此相反，固溶強化與合金組成的關系是比較平緩而延續的，再生循環呵斥的雜質及合金元素量的變動對性質的影響較小。因此，固溶合金可以作為有出路的再生循環候選資料。 (3)金屬再生循環的逐次降級運用情況在合金學中，經過添加合金元素的配比，晶粒度等微觀組織的控制等，以謀求合金的高性能。然而，在再生循環時，組成一復雜，分選與分別就困難了。此外，存在不能分別的合金元素時，有能夠使原來各合金元素的功能不能充分發揚出來。因此，以廢金屬作原料的金屬再生循環，實踐上倒不如說仍是以“逐次降級運用為主，既一級一級地向低級

14、別產品再生的過程。(4)簡單合金的可再生循環設計簡單合金：就是組元組成簡單的合金。簡單合金在成分設計上應有以下特點：合金組元、規格簡單化，再生過程中容易分選；原那么上不添加如今尚不能精練脫除的元素；盡量不運用環境協調性不好的元素。研制原那么：在維持合金高性能的前提下，盡量減少合金組元數；獲取合金高性能時，以控制顯微組織作為參與合金元素的替代方法。這種設計合金的思緒叫做省合金化設計或最小合金化法。 對現代資料進展環境協調性設計工程，需求進展多方面的思索，普通包括：(1)強度也包括疲勞強度等，韌性，高比強度先進性；(2)簡單組成，易解體構造合金協調性；(3)功能兼容，多功能性溫馨性。 (4)簡單合

15、金的可再生循環設計4.4 金屬資料再生循環的現狀金屬資料可循環再生設計是經過參與最少的元素、循環允許元素，或經過固溶強化、微細化強化、相變組織強化等保證資料性能，使資料可以循環再生。在合金學中，經過添加合金元素的配比、晶粒度等微觀組織的控制等，以謀求合金的高性能。因此，以城鎮廢金屬作原料的金屬再生循環，實踐上仍是以“逐次降級運用為主，即像“瀑布逐漸下降水位那樣一級一級地向低級別產品再生的過程。在金屬資料的再生循環過程中，去除合金元素和雜質是相當困難的，同時這方面技術又是非常重要的，應大力開展資料再生循環過程中的雜質分別技術和雜質無害化技術。4.4 金屬資料再生循環的現狀4.4.1 鋼鐵資源的循

16、環鋼在世界上全部金屬實踐消費中起著特殊的作用，在半廢品制造中，它約占世界金屬消費量的80%。在過去20年的開展中，煉鋼技術的革新添加了選擇原料包括生鐵，海綿鐵也稱直接復原鐵和廢鋼鐵投入的靈敏性，它鼓勵運用廢鋼鐵作為鋼鐵消費的原料。 鋼鐵完全可以主要依賴于廢鋼鐵或鐵礦，這取決于給定地域或國家的需求。從環境角度看，廢鋼鐵可以降低煉鋼過程中廢物排放，節約原資料和能源耗費，并減少廢棄物，因此其競爭力會得到很大提高。就節能而言，運用電弧爐熔化100%的廢鋼鐵,與運用純氧頂吹轉爐熔化生鐵相比較，可節約65%的能源。就污染排放而言，廢鋼鐵再循環可使大氣污染排放降低30%，使水污染排放降低大約60%-70%。

17、廢鋼鐵處置與雜質問題： 在廢鐵的回收過程中分選、分別工程是非常重要的。 其一是化學成分的多樣化。能按化學組成分選分別最理想，但實踐上有相當的局限性。作為合金成分添加的金屬元素有Si，Mn，Cr，Mo，Ni，Cu，V，Ti，Zr等，其組成花樣繁多。 其二是由鋼鐵精煉工藝本身所具有的性質決議的。 合金鋼經幾次廢鋼鐵再生，并且在分選過程中未被分別出而發生廢料混合的情況下，Cu, Ni, Sn, Mo等元素的濃度就會不斷提高。這些元素本來是為了提高性能而起合金作用的。但是，它們對熱加工性能有不良影響，因此必需控制其含量。 為了將廢鋼鐵置于龐大的鋼鐵資料流向中予以妥善處置，必需采取如下綜合性的處理對策：

18、(1)含有不能除去元素的廢鋼鐵精煉制鋼工藝開發；(2)雜質無害化技術的開發；(3)確立經過資料設計可以實現再生循環的資料體系。4.4.2 鋁的再生循環鋁經過電解氧化鋁原料和沸石添加物的熔融鹽來制取。由于電解鋁過程需求耗費大量的電力，故被戲稱為“電灌頭。從產品用途來看，再生鋁在門窗，飲料罐，印刷版，電線中的配比為9%，而在汽車用鑄件，家電產品壓鑄件等鑄造、壓鑄件中的配比平均為85%。以廢鋁型材為原料這一點來看，還不如將廢鋁的再生稱為二次合金化更能反映其實踐情況，這是根據成分預測配比熔煉所需的廢鋁數量以制造與原料成分不同的合金的工藝過程。4.4.3 銅再生循環的現狀銅產量的40%用于制造電線。電線

19、采用燒線處置法、解體處置法、粉碎處置法對涂層資料和銅導體進展分別分選，銅經壓塊或破碎后被再生利用。用于電線制造的廢銅比率約為10%，這是由于電線需具備高電導率及熱處置后具有穩定的特性，必需運用高純廢銅才行，因此大部分回收電線被用作黃銅合金的原料或冶煉銅錠的原料。4.5 塑料的再生技術 假設將分選技術、清洗方法等處置技術除外，大致可以分為兩類：(1)回收運用過的塑料再作為原資料運用；(2)分解成塑料的初始原料即單體，重新合成新的塑料,即資料再生循環與化學再生循環。4.5.1 塑料再生循環的根本思想根本思想方法是將石油等為原料所合成的塑料在其功能喪失之前，多次進展運用。在實踐的再生循環過程中，由于

20、雜質的混入，加工過程的蛻變等緣由，不可防止地帶來某些特性的劣化。因此由石油原料合成的新塑料首先要用于要求特別嚴厲的制品，而將回收原料作為第二次用途的原料時，普通用于性能要求較不嚴厲的制品，依次類推。就熱塑性塑料而言，現狀是在工廠里產生的次品或制造工藝中產生的碎塊，在各企業內部都思索到加工中的劣化等要素，因此普通都是將資料摻和后再化為原料運用，相當于作為其它制品的原料被再利用。進入市場后的制品，回收之后作為原料的一部分摻合進去，已有被再利用的實踐事例，但為數尚很少。4.5.2 資料再生循環實例汽車的保險杠及內裝修資料再生循環的例子是汽車的保險杠。同一種類可以大量回收，而且以保險杠資料再運用為報答

21、。涂料膜及底漆的去除、粉碎細化、分解等各種無害化技術，以汽車制造公司為主正在積極地研討與開發，并等待適用化。日本汽車公司采用有機溶劑分解和剝離漆層的方法；豐田汽車公司采用160的水熱法處置水解涂層膜的無害化方法；富士重工業研討將涂層膜的除去和粉碎同時進展的方法，這些技術都曾經接近適用化。對于內裝修資料，不同的運用場所要求各種不同的特性，為此要相應地運用各種樹脂，這樣，在回收的塑料當中便混雜著這樣的樹脂，很多情況下相溶性都不好，從而使再生資料的特性顯著下降。為此，在設計階段，預先就要思索到再生循環性，并要限定運用的原料 必需研討開發能同時滿足許多特性要求的資料及加工方法，即這種資料應盡量以通用樹

22、脂為中心的同一系統有相容性的樹脂。假設經過改動樹脂的混合比，開發出綜合滿足各種各樣特性的“通用型聚合物合金塑料合金及相容劑，那么在再生循環時即使相互混合，再生后資料的性能也變化不大，從而擴展再生資料的運用范圍。 4.5.3 化學再生循環化學再生循環，將回收資料作為資源，作為石油及單體的原始資料加以利用。研討的目的是將回收資料經過水解或解聚等化學反響，分解成原始資料的單體及低聚物或者它們的母體，然后回收并重新合成原始的初級塑料，或者復原為石油形狀以便再生利用。在實踐再生循環過程中，由于雜質混入及加工過程的影響，塑料的某些性能不可防止地要發生退化。因此，經資料再生循環法制成的再生塑料，存在一個降低

23、運用的問題。化學再生循環由于復原成了原始資料，它不僅是完全的再生循環系統，而且即使在回收品中混雜了多種類別的其它塑料時，也是可以進展再生循環的系統，因此人們對于化學再生循環寄予了很大的期望。在化學再生循環中，分餾回收技術是一個詳細的例子。如日本電線綜合技術中心在研討將交聯聚乙烯電線及橡膠絕緣電線的塑料和橡膠成分加熱分解，分餾而回收。4.5.4 環境資料與再生技術假設在塑料的原料當中預先混入特定的催化劑，這種催化劑在產品運用時并不起什么作用，但在回收后進展化學再生循環如加熱等處置時產生作用，能有效地回收有用的物質單體，氣體，油。這類參與了用于再生循環的催化劑的資料也屬于環境資料之列，人們曾經開場

24、這方面的研討。另一方面，在“環境資料的概念中，不僅再生技術是重要的，而且開發對地域環境負荷小、對人類有益的新型資料的觀念也是很重要的。當將塑料進展化學再生循環和熱再生循環時，要防止能夠對生物及地球環境產生不利影響的副產品如SO2，NO2等排入大氣、水等呵斥環境污染，或者將其變換為無害物質或有用物質。4.6 建筑資料的再生循環建筑資料更著重對人的生存、生活環境的影響，由于人在每天24h最親密接觸的環境是居住和生活環境。建筑資料設計該當思索資料本身的力學性能、功能和生態環境順應性，同時思索建筑設計中資料的選擇和組合要求。生態建筑設計與傳統建筑設計的區別之一是對資料的選擇，即思索資料的整個生命周期環

25、境負荷最低，而不僅僅是運用階段。另外，選擇傳統的生態資料并予以現代化設計也是環境協調性設計可行的途徑，例如北方的土窯建筑，以石材為主的建筑，南方以竹、木為主的建筑，云南的石片瓦，資料取自自然，最后前往自然。對建筑各部位資料可循環再生性要求如下表所示。 建筑資料可循環再生設計包括如下幾點：(1)減少運用資料，以最少的資料到達對性能和功能的要求；(2)資料再運用，要求可裝配，可修復運用；(3)循環運用，可裝配，可降級運用。 對于大宗建筑資料混凝土應采取較高強度的長耐久性設計，既可以提高資源效率又可以減少消費過程和退役排放，并且退役后可以作為再生集料循環利用。 4.6.1 建筑資料與環境的關系長期以

26、來，建筑資料主要是根據建筑物及其詳細部位對資料提出的力學性能與功能方面的要求進展開發的。構造資料主要追求高強度，高耐腐蝕性等，而外部裝飾資料那么追求其高功能性和設計圖案的美觀性等。作為建筑資料不僅要求高強度和高功能性，而且由于如何與地球環境相協調的問題曾經成為人類面臨的最大問題，所以還必需思索基于再生循環的環境協調性。1)建筑資料對環境的影響建筑資料不僅有鋼鐵，混凝土，木材等構成的構造框架和主體的構造資料，而且包括具有美觀、防水、主體維護功能的高分子涂料及瓷磚等裝飾資料，還包括外裝修及隔墻間壁等構成居住空間的金屬板，纖維水泥板等非構造資料，也就是說大量運用的建筑資料中有金屬、有機、無機和復合資

27、料等多種資料。建筑資料是運用最廣、用量最多的資料，因此它的耗能與所呵斥的環境污染也是最嚴重的。概括起來，在建筑資料消費和運用過程中，污染普通來自六個方面：空氣、水、固體廢棄物、放射性、噪聲和熱等的污染。 1廢氣、粉塵對大氣的污染 建筑資料消費過程中大多伴有燒制過程。在燒制過程中燃料熄滅產生的粉塵、飛灰、煙霧等氣溶膠，直接對人體呼吸道、眼睛等器官呵斥損害，以及對環境的破壞等。2廢液呵斥的水體污染 在建材的選礦、冶煉、軋鋼過程中會產生很多污水，其中含有大量的無機懸浮資料，如砂、爐渣、鐵屑等。3固體廢棄物 工業窯爐產生的爐渣、采礦和冶煉過程中產生的冶金渣、尾礦與碎石；建筑過程中產生的砂、碎石；金屬、

28、塑料、木材等行業加工產生的金屬屑、木屑、碎塑料、碎玻璃等；裝配老舊建筑物的碎磚、碎瓦等大大添加了固態廢棄物排放量。4原資料的開采占用大量的土地 建筑資料制品所需的主要原料，無論是金屬原料或是非金屬礦原料，對這些原料的開來及選礦過程都會占用大量土地。5噪聲污染 在建筑施工中，不同的機械會發出劇烈的噪聲，它是城市噪聲的主要來源之一。相當多的施工現場其噪聲都在90100dB，遠高于國家規定的白天要小于70dB，夜間小于55dB的噪聲控制規范。而噪聲對人的聽覺、神經系統、心血管、腸胃功能等都會呵斥破壞作用。6其他污染 家庭裝修中所運用的各種裝飾資料會釋放如甲醛、苯系物、酮等有機物，可直接剌激人的眼睛、

29、皮膚，或引發氣管炎等；所運用的尾礦、天然石板材如花崗巖石、大理巖石瓷磚及瀝青中，有時會含有過量的放射性元素如氡等。4.6.2 關于建筑資料及其構件的長壽 命與再生循環相互兼容的問題假設希望建筑物的運用期限為30100年，那么，構造資料的要求特別嚴厲，要求在設計運用期限之內必需具有盡能夠長的壽命。但是，大多數建筑資料及其構件一旦被廢棄時，幾乎都變成了很難處置的殘留物，裝配和再生循環都很困難。因此，在進展建筑資料及其構件的資料設計時必需有新的設計思想。改善混凝土的質量，利用外表涂料的鋼筋混凝土構件長壽命化的問題，已成為新的耐久性設計的方法。但是這些復合構造資料及其構件在到達運用年限之后解體廢棄時，

30、其解體有相當的難度，成為難以再生循環的難處置殘留物廢棄物，從而添加地球的環境負荷。因此，必需確立新型加強混凝土構件長壽命與再生循環相互兼容的總體壽命設計及其相關技術。4.6.3 兼顧再生循環的建筑資料及 其構件的資料設計方法(1)混合構造方式 通常鋼筋混凝土建筑物采取柱、梁和墻壁在現場整體混凝土灌注方式。 為此，不完全采用現場整體灌注方式，一半利用工廠消費的預制構件，只將結合部在現場施工。 從建筑資料的再生循環這一觀念來講，混合構造方式是今后應開發的建筑技術。 (2)高功能性和再生循環性結合的增 強資料及其運用與地球環境相協調，并具有良好再生循環性的混凝土構件是既具有長的運用壽命，又能在解體后容易再生循環的構件。這是個很重要的開發思緒。如今開發的大部分的樹脂固化新加強纖維，是環氧樹脂或乙烯脂樹脂等熱固性樹脂，這類樹脂一旦固化就很難分解。要求再生循環性也要兼顧耐火性，因此