生態環境材料第二章第一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

（2）生態系統：在一定的空間范圍內,生物群落與其生存環境之間通過物質循環和能量流動所構成的綜合體,是構成生物圈的基本結構單位。

生態系統

=生物群落

+環境條件。

任何生物群體與其生存環境所構成的占有一定空間的自然實體叫生態系統。自然界生態系統多種多樣,一個池塘、一片森林、一塊草地、一個水庫、一個城市,都是一個生態系統。

無數個不同的生態系統有機地組合起來,便構成了生物圈。生物圈是地球上最大的生態系統。第二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

第三頁，共九十五頁，2022年，8月28日第四頁，共九十五頁，2022年，8月28日

（3）生態系統的組成：一個完整的生態系統由生產者、消費者、分解者和非生物環境四個部分組成。

生產者：生態系統中能以簡單的無機物制造有機物的自養生物。消費者：直接或間接利用生產者制造的有機物的各類異養性動物。分解者：生態系統中起分解作用的異養生物。非生物環境：生態系統中無機環境的構成因子,它由有機物、無機物以及自然因素共同組成。

生態系統中的生產者、消費者、分解者與非物質環境在生態系統中缺一不可,各自在生態系統的物質循環和能量流動中發揮著重要的作用,它們相互關聯,相互適應,使整個生態系統趨向于達成協調一致或呈現相對穩定狀態。第五頁，共九十五頁，2022年，8月28日2、生態系統的功能

生態系統的四大基本功能：生物生產、能量流動、物質循環和信息傳遞。在生態系統中,物質循環與能量流動這兩大基本功能密切相關。能量蘊于物質之中,在物質吸收、轉移、儲存與釋放的過程中,伴隨著能量的變化。在生態系統中,物質循環與能量流動同時進行,二者相互依存,不可分割。但二者也存在根本的差別:

能量在生態系統中的流動是一種單向流失過程,要保持體系的運轉就必須由太陽不斷地供給能量；而物質在生態系統中流動是一種周而復始的循環運動,物質能被反復地吸收利用。見書P13第六頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、生態平衡

（1）生態平衡及其特征生態平衡(自然平衡)：整個生態系統始終處于不停地運動和變化之中,經過長時間的演變過程,生態系統趨于完善成熟,系統內各因素間能夠相互適應、相互協調,生物的種類和數量、結構和功能以及物質和能量的輸入、輸出等可在長時間內處于相對穩定的狀態,并在外來干擾下通過自我調節恢復到初始的穩定狀態。

生態平衡的特征：結構平衡、功能平衡、輸入和輸出物質在數量上的平衡。只有三者同時具備,生態系統才能是一個相互適應和相互協調的平衡系統。因此生態平衡是有條件的,同時它也是動態的相對的平衡。因為生態系統是一個開放系統,系統內不斷地有物質的輸入與輸出,各因素都處于不停的運動之中。但物質與能量的輸入、輸出只是大致相等,完全相等的平衡是沒有的。第七頁，共九十五頁，2022年，8月28日（2）影響生態平衡的因素：

影響生態平衡的因素有自然因素和人為因素。

自然因素：指自然界所發生的異常變化。如火山爆發、地震、臺風、山崩、海嘯和水旱災害等。自然因素對生態系統造成的破壞是嚴重的,甚至是毀滅性的,具有突發性的特點。但通常是局部的、暫時的,出現的頻率并不高。

人為的因素：指人類對自然資源不合理的開發和利用,以及工農業生產造成的環境污染為主。人類對資源不合理的開發和利用,以及“

三廢”排放對環境所造成的污染是大面積的、持久的,因此人為因素使生態平衡破壞的問題更為嚴重。第八頁，共九十五頁，2022年，8月28日

（3）生態平衡的恢復：采取各種措施（包括技術的、政策的）使已遭到破壞的生態平衡恢復原來的平衡狀態或重建新的平衡的過程。環境保護的基本任務是維持生態平衡使之不受破壞,使生態系統正常、健康、持續地發展。第九頁，共九十五頁，2022年，8月28日第十頁，共九十五頁，2022年，8月28日第十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日二、環境與環境科學基礎1、環境的含義

指“影響人類生存和發展的各種天然和經過人工改造的自然因素的總體,包括大氣、水、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、人文遺跡、自然保護區、風景名勝區、城市和鄉村等”

。

《中華人民共和國環境保護法》第十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

人們通常所說的環境是以人為中心的環境,即人類的生存環境,它是指圍繞著人群的空間及其可以直接或間接影響人類生活、生產和發展的各種物質與社會因素、自然因素及其能量的總體。它包括自然環境和社會環境兩個方面。

自然環境：由空氣、水、土壤、陽光和各種生物所構成,在環境科學中常常把這些自然要素描繪為大氣圈、水圈、土圈和生物圈,這是人類賴以生存的物質基礎。

社會環境：指人們生活的社會經濟制度和上層建筑的環境條件,是人類在物質資料生產過程中共同進行生產而形成的生產關系的總體。它是人類物質文明和精神文明的重要標志,并隨著人類社會的發展不斷豐富和演變。第十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日2、環境的基本類型

(1)按環境的形式分類：★可把環境分為自然環境和人工環境。(2)按環境的功能分類：可把環境分為生活環境和生態環境。(3)按環境范圍的大小分類：可把環境分為居室環境、庭院環

境、街區環境、城市環境、區域環境、全球環境等。(4)按環境的要素分類：可把環境分為大氣環境、水環境(包

括海洋環境、湖泊環境)、土壤環境、生物環境(如森林環

境、草原環境)、地質環境等。第十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、環境的基本特征

整體性與區域性：

環境的整體性：指環境是一個系統，自然環境的各要素間存在著緊密的相互聯系、相互制約的關系。

環境的區域性：指環境（整體）特性的區域差異,具體說就是不同（面積不同或地理位置不同）區域的環境有不同的整體特性。(2)變動性與穩定性：環境的變動性：指在自然的和人類社會行為的共同作用下,環境的內部結構和外在狀態始終處于不斷的變化之中。第十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、環境的基本特征

整體性與區域性：

環境的整體性：指環境是一個系統，自然環境的各要素間存在著緊密的相互聯系、相互制約的關系。

環境的區域性：指環境（整體）特性的區域差異,具體說就是不同（面積不同或地理位置不同）區域的環境有不同的整體特性。第十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日(2)變動性與穩定性：環境的變動性：指在自然的和人類社會行為的共同作用下,環境的內部結構和外在狀態始終處于不斷的變化之中。環境的穩定性：指環境系統具有一定的自我調節能力。人類生產、生活行為對環境的影響不超過環境的凈化能力時,環境可以借助自身的調節能力使這些變化逐漸消失,其結構和狀態得以恢復。第十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日(3)資源性與價值性：環境的資源性：指人類社會生存發展都是環境不斷提供物質和能量的結果。環境的價值性：指人類生活在環境中,沒有環境就談不上人

類社會的發展。環境具有不可估量的價值。環境的價值源于環境的資源性。第十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日4、環境科學基礎

環境科學:是一門研究人類社會發展活動與環境（結構和狀態)演化規律之間相互作用關系,尋求人類社會與環境協同演化、持續發展途徑與方法的科學。環境科學的基本任務:揭示人類與環境這對矛盾的實質,研究人類與環境之間存在的對立統一關系,掌握發展規律,調節與控制人類與環境之間的物質交換與能量傳遞過程,找出解決矛盾的途徑與方法,以便調整人類的社會行為,保護、發展和建設環境,從而使環境永遠為人類社會持續、協調、穩定地發展提供良好的支持和保證,促使環境朝著有利于人類的方向演化。第十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日

環境科學的性質:介于自然科學、技術科學與社會科學之間的邊緣科學,是一門新興的、綜合性很強、由多學科到跨學科的龐大科學體系,它的研究內容在不斷地充實和發展。

環境科學的分支學科:

屬于自然科學方面的有環境工程學、環境材料學、環境地學、環境生物學、環境化學、環境物理學、環境數學、環境水利學、環境系統工程、環境醫學等；

屬于社會科學方面的有環境社會學、環境經濟學、環境法學及環境管理學等。

正在形成的新的分支學科如環境倫理學、森林環境學、資源學等。第二十頁，共九十五頁，2022年，8月28日第二節環境材料學

一、環境材料學的概念環境材料學（環境協調材料學）：是關于材料成分、結構、工藝和它們的性能與用途以及它們與環境的協調性之間的有關知識的開發和應用的科學。

圖2－1不同特征的材料多面體a傳統材料四面體；b環境材料六面體第二十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

環境材料的研究目的：尋找在加工、制造、使用和再生過程中具有相對最低的環境負荷的材料,以滿足人類文明社會的持續發展需要。

學科的最重要特征：在于從環境保護的角度重新考慮和評價過去的材料科學與工程學,并指導新材料的研究和開發及傳統材料的改造和相關加工和制備技術的發展。

環境負荷：指某一具體材料在其生產、使用、消費或再生過程中耗用的自然資源數量和能源數量,以及其向環境體系中排放的各種(氣態、固態和液態)廢棄物之總量。第二十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

環境負荷

={資源,能源,排放物

}={環境因子1,環境因子2,環境因子3}

環境因子1(EF1)代表

n過程中輸入的各種形式的資源量之和。即原料量和輔料量之和。

環境因子

2(EF2)代表

n過程中輸入的各種形式的能源量之和,可以標準煤為其度量單位。

環境因子

3(EF3)代表n過程中輸出的各種形式的排放物之總和。圖2－2材料在第n過程中的環境負荷示意第二十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日二、環境材料學的主要內容環境材料學的內容主要包括三個層次：基礎理論研究應用研究評價系統研究

(1)環境材料學的基礎理論研究:◆材料需求與自然環境的變化及其規律；◆材料的系統設計理論和方法；◆與環境協調的材料開發理論；◆低環境負荷的合金理論、無機材料理論和高分子材料理論；◆材料再生循環的熱力學和動力學；◆材料的環境負荷數據庫。第二十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日(2)環境材料學的應用研究:◆低環境負荷材料的開發技術；◆循環再生材料的開發技術；◆功能性環境材料的開發技術；◆廢棄材料的綜合再生技術；◆現有材料中的有害元素和枯

竭性元素的替代技術；◆材料中的雜質無害化技術；◆低環境負荷的工程制備技術

和加工技術。(3)環境材料學的評價系統研究:◆材料的環境負荷評價系統；◆材料對自然環境的作用程度

評價；◆現有材料的合理性評價；◆環境材料的論證體系及其標

準；◆材料再生的合理性評價。第二十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日第三節

材料對生態環境的影響

社會環境科技法律政策自然環境材料系統產品服務廢氣廢液廢物作用影響物質文明精神文明資源能源影響第二十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日1.材料生產和使用對環境的影響從能源、資源消耗和造成環境污染的根源分析,材料及其產品的生產是造成環境污染、能源短缺、資源過度消耗乃至枯竭的主要原因之一。

隨著世界經濟的快速發展,對資源的消耗速度在成倍增長。導致地球上有限的一次金屬資源量銳減。例如Cu、Mn金屬已開采了全球總儲存量的50%；Zn、Au、Ag等金屬已開采了其總量的70%～80%；Co、Fe、Ni、W等金屬已開采了總儲存量的30%～40%。

人類文明社會目前所依賴的許多金屬資源預計還能開采20～50年一、材料生產和使用帶來的環境和資源問題

第二十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日

目前可供開采的金屬資源的品位越來越低,

如銅礦石的可開采品位已從1900年的3%下降到現在的0.5%左右。同樣生產1t金屬材料所要求投入的礦石量和能源量更多,與此同時,產出的廢棄物亦越多。

圖2－3生產1t金屬，礦石品位與礦渣的關系礦石品位/%礦渣/t第二十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日金屬材料的回收利用率較低也是引起金屬資源枯竭一個重要的原因。如生產量和消費量很大的汽車、家用電器等幾類產品為例,除了消費大量的鋼鐵、銅、鋁等金屬外,還使用了鎳、鉻鎢、鉬等20多種稀有金屬。大量的產品廢棄之后,許多稀有金屬很少或幾乎沒有得到回收。造成稀有金屬資源巨大浪費。

幾類機電產品中所含的稀有金屬產品名稱稀有元素

元素種類汽車Ni,Cr,W,Mo,Mn,V,Sr,Sb,Pt,Pb,Ti,Be,In,Te,Ba,Tl16彩色電視機Ni,Cr,Mn,Nb,Sr,Sb,Ta,Ge,Ga,B,In,Ba,Bi,Re14家用電器Ni,Cr,Sr,Sb,Ta,Pb,Ti,Be,Ga,B,In,Ba,Bi,Re

14光學儀器Nb,Sr,Ta,Ge,Be,Ga,B,Rb,Zr,Te,Cs

11第二十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日材料種類能耗/萬t標準煤占工業總能耗比重(%)礦產采選業1419.141.54化學纖維制造業1705.021.85橡膠制造業645.870.70塑料制造業658.830.71非金屬礦物制造業9980.8710.81黑色金屬冶煉17136.3318.56有色金屬冶煉3892.764.22金屬制品業1129.401.22材料產業合計39.60工業總能耗92346.68

100本世紀初年我國主要原材料工業的能源消耗統計第三十頁，共九十五頁，2022年，8月28日材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000生產各種材料消耗的能量及碳的排放量第三十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

本世紀初我國主要原材料工業污染物排放統計材料產業工業廢水/萬t工業廢氣/億m3(標準狀態)固體廢物產生量/萬t礦業125804408935903化學纖維工業596952811355橡膠制品業707043172塑料制品業258824633非金屬礦物制造業其中：水泥制造業4619434062196028055279751071黑色金屬冶煉1917452501511858有色金屬冶煉3745199584477金屬制品業1174248776合計51034410507455805占工業排放總量百分數(％)25.1965.3262.81第三十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日2.面臨的環境和資源問題(1)環境問題：人類的材料生產和使用是從自然環境中獲得物質資源,然后又將使用過的材料及廢棄物質還給自然環境,從而參與了自然界的物質循環和能量循環,不斷影響著自然環境。由人類生產活動引起的環境問題具體表現為以下兩個方面:

一是由于不合理的開發和利用資源所引起的環境衰退、資源耗竭,破壞了生態平衡；二是由于工業發展,排出的廢水、廢氣、廢渣和噪聲給環境帶來的污染問題。這類環境問題所造成的危害多是潛在的、積累的、慢慢產生影響,所以在短時期內不大容易引起人們的足夠重視。第三十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日

酸雨：由工業生產、燃煤及汽車尾氣排放出來的NOx、SOx等進入大氣后產生，其主要危害是破壞森林生態系統,改變土壤的性質與結構,破壞水生生態系統，腐蝕建筑物和損害人體的呼吸道系統和皮膚。酸雨的危害遍及歐洲和北美,分布地區較廣。酸雨有時飄越國境影響別國,造成跨國污染。所以酸雨問題不僅被視為區域性環境污染問題,甚至被列入全球性環境問題。

第三十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日第三十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日

2005年在全國開展酸雨監測的696個城市中，357個城市出現酸雨，占51.3%，酸雨污染嚴重。2005年我國二氧化硫排放總量為2549萬噸，超過“十五”規劃總量控制目標(1800萬)749萬噸。沒有實現“十五”規劃要求的二氧化硫減排10%的目標。“十一五”期間，減排SO2成為我國環境保護的重點，把SO2、化學需氧量減排10%作為“十一五”規劃的約束指標。因此，減排SO2就必然是各工業企業治理環境污染，加強環境保護的重點。第三十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日鋼鐵廠外排大氣污染情況第三十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日近幾年燒結工序外排SO2污染情況第四十頁，共九十五頁，2022年，8月28日國內外噸鋼排放SO2水平比較第四十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日臭氧層損耗：大氣中的臭氧每減少1%,照射到地球表面的紫外線就會增加2%,人類皮膚癌的發病率就會增加7%,白內障患者就會增加6%。紫外線輻射增強對動植物的生存也是災難性的。它可能使地球上三分之二的農作物減產,從而導致糧食危機。另外還可導致某些海洋生物的滅絕。第四十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

溫室效應：人類大量使用石油、煤和天然氣等化石燃料,釋放到大氣中的二氧化碳等溫室氣體的含量愈來愈多,導致全球氣候逐漸變暖。它將會導致海水變暖和膨脹,加速極地冰川和凍土的融化,造成海平面上升等，使沿海生態系統被破壞,對農業生態系統也有影響。目前世界上大約有1/3的人口生活在海岸線6OKm的范圍內,如果全球變暖,海平面升高,一些城市和鄉村可能被淹沒。此外,氣候變暖會打破原有的生態平衡，引起物種滅絕。

水體污染：是指對自然環境有惡劣影響的水質惡化。材料生產過程中的工業廢水含有多種污染物，水體污染不僅妨礙工農業生產，影響水生生態系統，還直接和間接地危害人體健康。第四十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日水中污染物質的主要來源污染物質主要來源鎘及其化合物金屬礦山、冶煉廠、電鍍廠、鎘電池廠、化工廠鉛及其化合物金屬礦山、冶金廠、汽油、電池廠、油漆廠、鉛再生廠鉻及其化合物金屬礦山、冶煉廠、電鍍廠、合金制造廠、催化劑制造廠汞及其化合物煉汞廠、化工廠氰化物焦化、電鍍廠、金屬清洗廠、化工廠砷及其化合物銅礦廠、冶煉廠、油漆廠第四十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日20世紀10大環境公害事件第四十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日20世紀70年代以來發生的重大公害事件第四十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日一些材料生產過程對環境的影響材料大氣水土壤/土地紙、紙漿排放含SO2、NOx、CH4、CO2、CO、硫化氫、氯化物、二英等廢氣(1)水資源消耗(2)排放懸浮性固體物、有機物、有機氯、二堊英

水泥、玻璃、陶瓷排放含砷、釩、鉛、鉻、硅、氟化物粉塵及SO2、NOx、CO2、CO、等廢氣排放含油、重金屬離子廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)排放固體廢棄物金屬及礦物開采排放各種粉塵及有害氣體排放含金屬離子及有毒化學品廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)土地退化鋼鐵(1)排放含砷、鎘、鉛、鉻、銅、汞、鎳、硒、鋅等顆粒物和粉塵，以及含有機物、酸霧H2S、HC等廢氣(2)紫外線輻射(1)水資源消耗(2)排放含無機物、有機物、油、金屬離子、懸浮性固體物廢水(1)礦物資源及土地消耗(2)排放固體廢棄物有色金屬排放含鋁、砷、鎘、鉛、鉻、鎂、錳、銅、汞、鎳、硒、鋅、碳黑、氣溶膠、SiO2等顆粒物和粉塵，以及含SO2、NOx、H2S、CO氯化物、氟化物、有機物等廢氣排放含金屬離子及有害化學品廢水(1)排放固體廢棄物(2)土地退化第四十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日(2)資源問題：自然資源是國民經濟與社會發展的重要物質基礎,是人類生存和生活的重要物質源泉,是維護環境和生態平衡的核心。目前人類所面臨的資源問題主要表現在：礦物資源迅速耗竭,水土流失和荒漠化加劇,淡水資源不足,森林資源砍伐嚴重,愈來愈多的物種瀕臨滅絕。目前我國資源的主要矛盾表現在資源供給不能滿足經濟發展的需要。我國經濟發展速度對資源的需求已達到前所未有的程度。但是,現有資源的利用效率不高,資源浪費嚴重。礦產資源的開發總回收率只有30%～50%,比發達國家平均低20%左右。每萬元國民收入的能耗為20.5t標準煤,為發達國家的10倍。在我國資源的開發和利用中存在嚴重的

“高投入、低效率、高污染”的問題。第四十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日圖2-4人口面臨的資源環境問題第四十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日日趨嚴重的地球環境問題人口增長率：3人/秒

1989年52.1億

2050年100億發達國家

8.3億9億

發展中國家

39.5億86億耕地面積需增加3億公頃（490萬公頃/年）

道路/住宅需增加1億公頃致使森林面積減少4億公頃

野生動植物減少（生態平衡破壞）

CO2排放量增加率7～14億噸/年

臭氧層破壞（無國界）酸雨溫室效應：至2050年平均氣溫增加2.5±1℃（1℃/30年）古代氣溫升高5℃造成冰川期的結束。第五十頁，共九十五頁，2022年，8月28日世界能耗增長趨勢第五十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

全球礦產資源枯竭時間的預測

年代21世紀50年代21世紀70年代21世紀80年代22世紀20年代礦產資源一般礦產資源金屬礦產資源石油、天然氣資源煤資源

我國幾種原材料的單位GNP（國民生產總值）資源消耗率與世界平均水平的比較材料鋼材銅鋁鉛鋅我國消耗率3.63.72.42.72.2世界平均水平11111第五十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

化學物質通過各種冶煉、加工制造、儲存運輸及使用消費等進入環境，也以廢棄物的形式被人們直接排放到環境中。

目前,環境中存在的化學物質約有55000種以上,有相當多的人造化學物質難以分解,很難轉變為無害物質。這類物質在環境中逐漸積累,當積累的含量較高時,就會導致環境質量下降,甚至對生物和人類造成危害。目前,研究較多的是那些與人類生活關系最密切的物質,如醫藥、食品添加劑、日用品等。

添加劑中只有少數來自天然物質,大部分是人工合成的化學物質,它們進入人體后會發生潛移默化的作用。有些添加劑雖然本身無害,但在使用過程中發生某些化學反應后,就有可能生成有毒、有害的物質。常用防腐劑亞硝酸鹽和環境中的二級胺和三級胺作用生成亞硝胺化合物。而亞硝胺是一種重要的致癌性污染物。

二、材料中化學物質對環境和人體的影響

第五十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日

大量化工產品的制造和使用,同樣帶來環境問題,并對人體造成危害。在發達國家,大量的化學合成品在使用之后都作為廢物而拋到環境中,常常成為令人頭痛的污染問題。堆積則污染土壤,焚燒則污染空氣。日用化工制品是環境化學物質重要的污染源。

此外,有機溶劑如涂料、粘結劑、干洗劑、印刷用的稀料、有機合成等都離不開有機溶劑,常使勞動環境、生活環境受到污染。

廣泛存在于環境的化學污染物有些具有較強的致癌作用。化學污染物對人體健康的影響問題已成為環境醫學、環境生物學以及環境化學的重要研究課題。第五十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日第四節

材料中主要元素的環境和資源特征一、化學元素的環境分布特征

自然界的物質循環,使構成物質的化學元素在環境中不斷地遷移轉化，由于化學元素的遷移轉化,使其在環境中的分布體現出普遍性、富集性和共生性三大特征。1、普遍性在自然界中,構成物質的90多種元素,不僅廣泛存在于宇宙中,而且均存在于地殼層中由礦物、巖石和土壤等構成的各種地質體中,體現出化學元素分布的普遍性。用“豐度”概念來定量表示各種化學元素在地殼中的平均含量,

它表示地殼中各化學元素的相對平均含量,也稱之為元素的“克拉克數”。如果以重量百分數表示,則稱為重量克拉克數。如果以原子百分數表示,則稱為原子克拉克數。第五十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日豐度的概念：化學元素在地殼中的平均含量稱為豐度。克拉克值：為紀念美國科學家克拉克在計算地殼中元素平均含量所做的貢獻，將各元素在地殼中含量的百分比稱為“克拉克值”，如以質量百分比表示，稱為“質量克拉克值”，簡稱“克拉克值”；如以原子百分數表示，則稱為“原子克拉克值”。第五十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日2、富集性

化學元素在地殼中的含量分布不僅相差很大,且很不均衡。由于某些地質條件的作用,如風化、沉積、火山爆發、巖漿活動等促使有用的化學元素發生富集現象,出現了地殼中化學元素分布的第二個特征——富集性。

由于地質成礦作用極少發生,元素富集需要相當漫長的歲月,因而具有工業開采價值的礦床數目和數量是極其有限的。地殼中元素富集形成過程所需時間是以億年為單位的,而人類大規模開采礦石是以10年為單位,兩者相差107年。如果人類將具有開采價值的礦床采空,就會導致金屬資源枯竭。第五十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日表2-10主要金屬元素的開發技術指標

順序金屬元素在地殼中所占比例/%礦石開采品位/%富集系數1Al8.24052Fe5.6254.53Ti0.571.52.64Mn0.095252635VO.01350.5376Cr0.0104040007Ni0.00751.01338Zn0.00702.53579Cu0.00550.59010Co0.00250.28011Pb0.001253240012U0.000270.013713Sn0.000200.5250014Mo0.000150.166615W0.000150.3200016Hg0.0000080.11250017Ag0.0000080.00562518Pt0.00000050.000240019Au0.00000040.0001250第五十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、共生性（復合性）

地殼中的化學元素具有富集性,但這種富集是一種多組元的共生富集,即共生性或復合性。世界上尚不存在具有工業開采價值的單一化學元素形成的礦床,很多常見礦產都具有多種有用伴生元素。因此,開采某一礦床時必然涉及多種元素的綜合利用。表

2-12

銅礦物的種類及其組成礦

物

名組

成理論銅品位/%種類名

稱英文名自然銅NativecopperCu100.00氧化銅赤銅礦CupriteCu2O88.8孔雀石MalachiteCuCO3·Cu(OH)257.3硅孔雀石CuCO3·Cu(OH)2CuSiO3·2H2O56.0硫化銅黃銅礦ChalcopyriteCuFeS234.5斑銅礦BorniteCu5FeS463.3輝銅礦ChalcociteCu2S79.8銅

藍CovelliteCuS66.4硫砒銅礦EnargiteCu3(As·Sb)S448.3

第五十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-11某些礦產的有用伴生元素礦產名稱有用伴生元素鐵

礦Co、Ni、Cu、Mo、Pb、Zn、Sn、Ti、V、Ge、Ga、P錳

礦Fe、Co、Ni、稀有金屬鉻

鐵

礦Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh、Co、Ti、V、Ni銅

礦Fe、Pb、Zn、Co、Sb、Au、Ag、As、Cd、Se、Te、Ge、Ga、Re鉛

鋅

礦Cu、Au、Ag、Ge、Cd、Sb、Bi、Sn、In、Ga硫化鎳礦Cu、Fe、Cr、Co、Mn、Pt、Pd、Ir、Os、Ru、Rh鎢

礦Sn、Mo、Bi、Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Sb、Be、Li、Nb、Ta、As錫

礦Cu、Pb、Zn、W、Bi、Mo、Ag、Sb、Nb、Ta、S、As、Fe鉬

礦W、Sn、Cu、Pb、Zn、Au、Ag、Bi、Be、U、Re、S汞

礦Sb、Cu、U、Mo、As、Bi、Au、Ag、Tl銻

礦Hg、Au、W鉑

礦Cu、Ni、Co、Au金

礦Cu、Ag、Pb、Zn、Sb、Mo、Bi、Y鈹

礦Nb、Ta、Li、W、Sn、Pb、Zn鋰

礦Nb、Ta、Be、Rb、Cs鋁

土

礦Ga、V、Ti、Co鉀

鹽

礦B、Li、I、Br、Cs、Rb、Mg煤

礦U、Ge、Ga、In、S磷

礦U、Mn、Li、Be、Ce、La、Y、Ti、V、Fe、Pt、稀有元素第六十頁，共九十五頁，2022年，8月28日二、金屬資源的儲量及其壽命1、金屬元素的生物、植物效應

金屬元素進入生物體或人體后將產生一系列的生物效應。按金屬元素對人體的作用不同,分為三個大類：即必需元素、有害元素及有毒元素。但即使是某一必需元素,其在人體內的濃度也有一個最大極限。一旦超過這個極限,必需元素也將轉化成有害元素。

第六十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-13各種純金屬元素的人體生物效應及其特征

金屬元素性

質作

用體內含量/mg攝人量/mg.d-1過量反應Fe必需元素促進代謝、構成蛋白4×10315鐵中毒、損害肝腎A1有害元素干擾代謝、骨髓病變10045干擾磷吸收、影響神經Mo必需元素參與代謝、構成酶類90.2鉬中毒、骨質異常Mn必需元素促進代謝、構成酶類85.0錳中毒、損害神經Cu必需元素促進代謝、維持發育1003銅中毒、溶血癥Zn必需元素參與代謝、構成酶類2×1032.2鋅中毒、致癌Cr必需元素促進代謝、協助胰島素60.1鉻中毒、致癌Cd有毒元素抑制酶、取代酶中Zn400.05損害肺、腎、骨骼軟化Pb有害元素干擾生化、生理反應

0.04損害各系統和器官Ni必需元素增加胰島素、降低血糖10400損害呼吸道、鼻癌Co必需元素參與酸類活動1.10.3影響心臟功能V必需元素參與氧化-還原反應0.3×10-42釩中毒、損害腎、肝Li必需元素藥理作用

2鋰中毒、損害神經第六十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-14金屬元素對植物的效應及其特征金屬元素性

質過量效應欠量效應Cd有害元素抑制根系發育、影響生長

Pb有害元素影響代謝、形態異化

Cr必需元素毒害作用,抑制生長影響正常發育Cu必需元素褪綠、阻礙Fe的吸收發育受阻、缺Cu癥Zn必需元素損害根系光合作用減弱、缺Zn癥Co非必需元素褪綠、阻礙Fe的吸收

Mo必需元素未發現影響固氮、缺Mo癥Fe必需元素很難發現失綠、枯萎、缺Fe癥Mn必需元素在酸性土中Mn中毒影響光合作用,缺Mn癥Al非必需元素抑制根系生長

第六十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日2、儲量及壽命

人類社會所需要的各種金屬元素均以礦產的形式存在于地殼之中。這種金屬礦產資源稱之為一次資源。

金屬儲量是指由于地質作用的結果,在地殼中某些地段內形成金屬礦物的富集,其質量能夠滿足工業要求,并在當前經濟技術條件下能夠開采的自然堆積體的總量。

金屬資源的可開采年限又稱為金屬資源的靜態壽命,即某金屬資源的當年總儲量與其當年總產量之比。第六十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-15各種金屬資源的儲量和可開采年限元素1976年1984年1988年1990年1994年儲量/t可開采年限儲量/t可開采年限儲量/t可開采年限儲量/t可開采年限儲量/t可開采年限Felx10121096.5x10101301.53x10111671.51x10111756.5x101071All.2x109352.Ox10112502.18x10112242.18x10102002.3x1010216Mn

1x109125

8x10840Til.47x108511.7x10860

1.7x108

2x10856Cr7.75x1081121.1x109100

4.19x108

1.4x109128Ni

5.2x107705.4x107654.9x107524.7x10755Mo5.4x106365.4x10650

5.5x10657Co

2.7x10680

3.3x106

4x10688W

2.8x10662

2.35x106

2.3x10673Cu3.08x108245.0x108713.5x108413.2x108363.1x10833Pb

1.46x1010507.5x107227.Ox107216.3x10721Zn1.23x108182.43x108401.47x108211.44x108201.4x10819Ag2x105142.6x10520

2.8x10520第六十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、影響壽命的因素

影響金屬壽命的因素主要包括三個因素,即某一金屬元素在地球上的總儲藏量、金屬資源的消耗量或生產量以及該元素物質的再生量。前兩個因素構成了某一金屬資源的靜態壽命,

它取決于當年的科學技術發展水平及其已探明的儲藏總量。

動態壽命（循環壽命）：指某一資源的當年儲藏總量與其當年總產量和再生總量之差的比。某一物質的再生總量越大,其資源的循環壽命或可供開采的年限越長。在討論金屬資源的壽命時,應該樹立開源節流的觀點。開源就是開發新的可代替的資源,節流即指資源的循環再生。前者是環境材料學的研究重點之一。第六十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-16某些金屬資源的動態可開采年限(以1994年為基準)再生率0%10%20%30%40%50%60%70%Al216240270308360432540720Fe717989101118142178237Cu33374147556683110Mn404450576780100133Cr128142160183213256320427Ti5662708093112140187Ni5561697892110138183Mo5763718195114143190Co8898110128147176220293W738191104122146183243Zn1921242732384863Ag2022252933405067Pb2123263035425370Sn424753607084105140Sb96107120137160192240320Pt族199221249284332398498663Ta62697889103124155207Zr61687687102122153203第六十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日表

2-17各種新的可代替資源

材

料可能的代替資源鋁高嶺土、橡膠、塑料矸石斜長石、煤炭鉻鎳、鉬、釩鈷鎳銅鋁、塑料鉬鎢、釩、錳、鉭、硼錫鋁、塑料鎢鉬、鈦、鋁、陶瓷鋅鋁、塑料、鎂鎳鋁、鉻、鉬、釩、鎢、錳、鈦、陶瓷、塑料鈮釩、鈦、鉬、鉭鋯鋁、鈮、釩、二氧化鐵第六十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日第五節

材料流與資源效率和環境影響一、材料流

材料流（MaterialsFlow）又稱物質流（MassFlow）,也稱材料鏈(substancechain)。材料流也可以說是材料背負的生態負荷或稱生態包袱

(EcologicalRucksack)。指從材料的采礦開始，包括生產加工、儲運、銷售、使用，直至廢棄的全過程。圖2-7典型材料流循環過程示意圖鋼鐵材料：8t礦石1t鋼700Kg型材500kg金屬制品第六十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日

材料流分析(MaterialsFlowAnalysis,MFA)是指用數學物理方法，對在工業生產過程中按照一定的生產工藝所投入的原材料的流動方向和數量的一種定量分析的理淪。它通過對自然原始物質在開采、生產、轉移、消耗和廢棄等過程的分析,揭示物料(包括能源、水資源等)在特定范圍內的流動特征和轉化效率,找出環境壓力的直接來源,進而通過技術措施,提出相應的減少環境壓力的解決方案,提高資源效率,作為評價該地區、產業和行業及產品等發展的可持續性指標,為實現可持續發展的近、中期目標提供科學依據。材料流理論是一種方法學，其理論基礎就是物質不滅定律和能量守恒定律。主要用于研究、評價工業生產過程中所投入的原材料的資源效率，找出提高資源效率的途徑。

（一）、材料流（理論）分析第七十頁，共九十五頁，2022年，8月28日（1）4倍因子理論

4倍因子理論是德國Wupperdal研究所的所長Weizsaecker教授于90年代首先提出的。其宗旨是在社會經濟和生產活動中,通過采取各種技術措施,將能源消耗、資源消耗降低一半,同時將生產效率提高一倍,即在同樣能源消耗和資源消耗的水平上,得到4倍的產出。1995年,出版專著《4倍因子:半份消耗,倍數產出》。

4倍因子理論對有效利用資源、改善生態環境、實現社會和經濟的可持續發展具有指導性意義。即從資源效率角度減少原材料消耗、增加產品的有效產出,從源頭上實現減少排放,保護了環境,是治本之道。式中：R——資源效率；

P——產品產出量；

I——原材料、能源投入量。第七十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

（2）10倍因子理論

10倍因子理論是由德國Wupperdal研究所副所長Schmidt-Bleek教授于1994年率先提出。其核心思想是：為了保持現有的生態環境水平,必須通過提高資源效率來平衡和補償對環境的破壞,必須繼續減小全球的物質流量。據推測到2050年,地球上的人口將是現在的2倍,同時,世界各國的國內生產總值(GDP)將增長3～6倍,取平均值為5,則二者之積為10,按現在的水平發展對環境的影響將增加10倍,因此必須將資源效率和能源效率提高10倍。這樣才能讓人類的子孫后代在地球上繼續生存下去。式中：I——環境影響；

P——人口；

GDP——國內生產總值。第七十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

Schmidt-Bleek教授還在法國創建了國際10倍因子(Factor10+)俱樂部,旨在推行10倍因子理論和實踐。該俱樂部向全世界發表了著名的致政府和產業領袖的1997卡諾勒斯宣言,提出了在一代人之內,將資源和能源的生產效率提高10倍的目標以及實現這個目標應采取的技術措施。宣言指出,進入經濟活動的所有物質或遲或早都要被消耗或排放進入環境,到頭來是環保費用的持續增長。因此,要降低環保費用,首先需要降低和減少物質從自然界(即環境)流入經濟活動圈的進入量,從而減少污染物排放量。通過減少污染物的處理量,最后使環保投資費用降低。第七十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日（3）極值理論

極值理論指出：對一定的原材料投入，有效產品的產出率越高，廢棄物產生量就越小。從環境保護的角度看，就是要求最大的產出率和最小的廢物排放率。可用等式表示：式中：I——物質總投入量；P1,P2——有用產品產出量；

W1,W2——廢物產出量；R——資源效率，即有用產品產出量除以物質總投入量；O——廢物產出率,即廢物產出量除以物質總投人量；

求

極大值,即

,則可獲得最大資源效率。同時，求

極小值,即,則可獲得最小廢物產出率。第七十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日

對經濟活動中的任何一個生產過程或流通過程，若求得了最大資源效率，同時也就得到了最小的廢物產出率。即在這個條件下，該過程對環境的影響最小。若要進一步降低環境污染，則需要通過技術措施，提高有用產品的產出量，即提高資源效率，才有可能進一步降低廢物排放量。材料流理論分析是生態環境材料研究的一個有效工具。

通過材料流分析，了解物質和能源的走向，對最初和最終的物質總量進行極值分析，使該經濟活動的資源效率、環境污染狀況一目下然。因此，極值理論將資源和環境之間的關系進一步簡單化、定量化。而在應用極值理論時，對過程的材料流分析顯得必不可少。第七十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日（二）、材料流理論的應用實踐

全球環境的惡化主要是經濟活動引起的，而資源效率是經濟活動能否實現可持續發展的關健。針對如何提高資源的利用效率、節約能源、減少環境污染，許多國家組織和企業都借助于材料流分析進行下改善資源效率的實踐。設在美國首都華盛頓的世界資源所1997年曾與德國WUPPERTAL氣候、能源和環境研究所，日本國立環境研究所，荷蘭房屋、土地規劃和環境保護部等單位合作，聯合發表了一份關于材料流的調查報告，列舉了德國、荷蘭、日本等國的材料流年度調查結果。第七十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日圖2-8

1991年德國全國材料流分析示意圖圖中數據的單位均為億t

。（資源效率17.9%

）第七十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日圖2-9

1991年荷蘭全國材料流分析示意圖圖中數據是平均每人的年材料流量（單位為t/人），按1991年荷蘭人口1500萬人估計,當年荷蘭的材料流總量約在12億t左右。（資源效率49.5%

）第七十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日圖2-10

1990年日本全國材料流分析示意圖圖中數據的單位均為億t

。（資源效率60.8%

）第七十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日圖2-11我國某鋼鐵企業材料流分析示意圖利用材料流理論分析方法，計算得出該材料生產的總資源效率為30.7%。第八十頁，共九十五頁，2022年，8月28日三、材料生產的資源效率1、資源概述

現代社會里，關于資源可理解有自然資源、入力資源、社會資源、信息資源、旅游資源、物質資源等。其中自然資源可分為礦產資源、水力資源、海洋資源等；物質資源可分為自然物質資源、人工物質資源及廢棄物質資源等。

在一般意義上，資源是指人類可以直接從自然界獲得并用于生產和生活的物質。資源是自然環境的重要組成部分，通常又稱為自然資源。自然資源可分為三大類：第一類為取之不盡的資源，如空氣、風、太陽能等；第二類為可再生的資源，如生物體、水、森林、草地、海洋、土壤等；第三類稱為非再生資源，如礦物、化石燃料等。第八十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日表2-17礦產資源種類能源煤、石油、天然氣、油頁巖、鈾、釷等金屬礦產黑色金屬、有色金屬、貴金屬等非金屬礦產冶金輔料：石灰石、螢石、硅石等化工輔料：硫鐵礦、磷礦、硼礦、鹽、天然堿等其他：石棉、剛玉、水晶、瑪瑙等

資源具有社會性、自然性和商品性三個特點。資源的社會性指資源隨著國家和時代的不同而不同，如16世紀人類對中東地區石油資源的認識遠不如20世紀那樣深刻。資源的自然性指資源隨著地域的不同，其豐饒程度也有所不同，例如全世界的貴金屬資源90%以上集中在南非。資源的商品性指資源可以進入市場進行流通，如目前我國鋼鐵工業所需大量鐵礦石從澳大利亞、巴西市場購買。第八十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日現今，人類所需能源的97%來自非再生的礦物能源。據統計，我國的能源對單位GNP的產出率僅為世界平均水平的1/7，表明我國的能源效率很低。我國90%以上的能源和80%以上的工業原料都取自礦產資源，每年投入國民經濟運轉的礦物原料超過60億t。對非再生資源的需求趨向于負荷的極限，引起了嚴重的資源短缺問題。因此，為了解決經濟發展中的資源瓶頸問題，實現我國社會經濟的可持續發展，最積極的措施是提高資源效率。第八十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日資源效率指在某一生產過程中所產出的有用產品占所投入原料總量的百分比。環境污染，很大程度上是由于工業生產過程中所投入的原材料沒有變成有效產品，而作為副產物排放到環境中，形成環境過量承載的一種現象。顯然，材料生產過程的資源效率越低，最終造成的環境污染越重。我國經濟規模已居世界前列，發展速度令人矚目，對資源的需求已達到前所未有的程度。一方面經濟發展已受到某些資源短缺的約束；另一方面現有資源的利用效率不高，浪費嚴重。礦產資源的開發總回收率只有30%～50%，比發達國家平均低20%左右。每萬元國民收入的能耗為20.5t標準煤，為發達國家的10倍。在我國資源開發和利用過程中存在“高投入、低效率、高污染”的問題。

2、資源效率第八十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日材料FeMnAlCrZnCuTiNi主料2.04.02.52.54020066.7100.0輔料21.625.731.377.3123.610.7785.7614.5資源效率4.24%3.37%2.96%1.25%0.61%0.47%0.18%0.14%表2-19生產1t純金屬材料所消耗的資源及資源效率表2-20我國材料生產的資源消耗與國際平均水平的比較材料能源鋼鐵木材水泥橡膠塑料化纖銅鋁鉛鋅國際水平11111111111中國水平7.03.65.012.06.01.59.03.72.42.72.2第八十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日3、資源保護和綜合利用

(1)資源保護廣義的資源保護指人類在維護自然的生態系統及其綜合體過程中，對開采和利用資源采取的平衡觀念和行動；狹義的資源保護一般指對資源進行有效的綜合利用，提高資源效率。資源保護的措施：主要有評價、管理、利用和監督等幾個方面。資源評價包括對資源價值、開采價值、開采目的等方面進行綜合評價，最后根據資源效率來決定資源利用的意義；資源管理包括在資源使用過程中的資源回采率、貧化率、加工回收率等方面進行綜合管理，以保證資源效率；資源利用包括資源的開采技術、分選水平和資源的綜合利用水平等方面；資源監督主要是保證資源利用過程中的經濟效益、社會效益和環境效益要統一，而不是矛盾和對立的。從資源效率的角度，特別要注意提高資源加工水平，拓寬資源用途，加強資源的再回收利用程度等。第八十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日

關于資源的有效利用，從技術方面來考慮：首先是節約自然資源，提高單位資源利用的效率。其次是發展替代資源，包括生產中的替代和消費中的替代。科學技術的發展，使人類在采用替代資源的同時，能保證產品的用途和質量等不受影響。第三是延長產品的生命周期，使用壽命的延長，意味著同種產品的原材料消耗降低，產生的廢物減少。

關于資源保護，從管理上說：