高分子材料与环境课件.pptx

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1、高分子材料的地位与快速发展；聚合物垃圾的分类及处理方法聚合物垃圾分类及处理“白色污染”的现状与对策；高分子材料在环境保护中的作用。,高分子材料与环境,高分子材料 材料：金属、无机非金属、有机高分子材料 作为材料，必须具备以下特点：一定的组成；可加工性；形状保持性；使用性能；经济性；再生性。,一、高分子材料的地位与快速发展,与其它材料相比，高分子材料具有以下特性(以塑料为例)：,密度小，质轻。（塑料的密度通常在 0.92.3 g/cm3 之间，而当制成泡沫塑料时，密度更低，只有 0.010.05 g/cm3。）拉伸强度(强度)和拉伸模量(硬度)较低，韧性较优良。易于成型加工成各种形状、各种尺寸的

2、制品。传热系数小，可用作优良的绝热材料。（尤其是泡沫塑料，被广泛应用于冷藏、建筑、节能及其它绝热工程上。）电气绝缘性能优良。（塑料的体积电阻率一般在 10131018 cm，介电常数一般 2，介电损耗 10-4，常用作电气绝缘材料。缺点：易产生并积累静电。）,减震、消音性能良好，可用作减震、消音材料。透光性良好。（PC、PMMA、PS 和其它一些光学塑料）着色性良好，可制成色彩鲜艳的制品(包装、纤维)。有较好的化学稳定性，耐腐蚀性能优良，对酸、碱、盐溶液、蒸汽、有机溶剂等的稳定性能也较好（因品种而异。）某些塑料(如 PTFE)具有优良的减磨、耐磨和自润滑性能。（但是，由于其导热性差、线膨胀系数

3、大，在加工、使用过程中，应采取有效的散热措施，防止摩擦生热的积聚。）可赋予各种特殊的功能，如透气性、粘结性、离子交换性能、生物降解性能及光、热、电、磁等各种特殊性能。,使用过程中易产生蠕变、疲劳、冷流、结晶等现象，长期使用时性能会变差。热膨胀系数大，一般为 10-4/K（金属、陶瓷的热膨胀系数分别为 10-5/K 和 10-6/K）。使用温度不高，耐热性一般比金属、陶瓷低。易燃烧，且燃烧时会产生大量浓烟和有毒的气体。,Thus，compared with traditional engineering materials,polymers exhibit a superior balance

4、of the“three Ps Price,Performance and Processability,and polymers are therefore ideal materials for the rapid production of complex,lightweight components.,高分子材料的来源及生产,Oil&Gas Journal（OGJ）(2010.9),2010 年全球十大乙烯生产公司,备注：截止到 2010 年 3 月的统计结果。,建国初期，乙烯产量趋于零，90%以上的石油化工产品依赖于进口。1962 年，兰州石化公司 5000 吨/年乙烯装置建成投产，

5、标志着我国乙烯工业的诞生。1965 年 8 月，第一套以原油为原料的砂子炉制乙烯装置及 LDPE、PP、丙烯腈、丙纶、腈纶等主要装置在兰州石化陆续动工，形成了当时全国最大的乙烯生产基地，标志着新中国石油化工时代的开始。1983 年，中国石化总公司正式成立；1984 年，我国乙烯生产已达 72.8 万吨；乙烯工业初具规模。1998 年起，我国乙烯生产进入快速发展时期，在生产技术、装置规模和单套装置产能等方面都有很大的突破；尤其是进入“十一五”之后，乙烯产量呈跨越式发展。2008 年，全国乙烯产能突破 1000 万吨，2011 年全国乙烯产能突破 1500 万吨，达 1569.5 万吨。,我国乙烯

6、工业发展,1.聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET,Polyethylene Terephthalate）具有良好的透明性、刚性和阻止 O2、CO2 渗透，因此占有塑料瓶市场的近 30%，用来包装各种食物和饮料，如软饮料、果汁、食用油、酒类等；也用于制造纺织用纤维（涤纶）；可循环利用。,2.高密度聚乙烯（HDPE,High Density Polyethylene）约占全球聚烯烃市场的 27%，成本低、易成型；强度好，硬度高、有韧性。其吹塑制品被用来瓶装牛奶、水、果汁、日化用品（漂白剂、清洁剂、洗发水和机油）等，也用于大型容器，如汽车燃料箱、垃圾桶等；用于饮用水和污水管已有近三十年；包装薄膜发展也很迅

7、速；约占包装市场的 21%。,Resin identification code：,3.聚氯乙烯（PVC,Polyvinyl Chloride）具有良好的透明性，用来制造高压管、门窗、人造革、发泡材料、玩具等；热稳定性较差(需添加热稳定剂、增塑剂等)。,4.低密度聚乙烯（LDPE,High Density Polyethylene）用于要求透明和易加工的场合，如包装薄膜、农用薄膜(如地膜、塑料大棚)等，也用作通讯电缆包覆层材料。,5.聚丙烯（PP,Polypropylene,“万能号”）具有优异的耐化学腐蚀性、耐热性和疲劳性能，用途广泛，从制造纤维、薄膜(BOPP,Biaxially-Orie

8、nted Polypropylene)、板材、管材(化工管道和配件)等，到食品包装(如螺旋盖、酸奶和黄油盒、果汁瓶、吸管等)；其改性产品在汽车工业中也具有较强的竞争力(汽车电池容器、仪表板、保险杠等）。,6.聚苯乙烯（PS,Polystyrene）出色的电绝缘性能、透明性、加工流动性，良好的耐水性、耐光性；其增韧品种，高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、ABS 树脂，广泛用于电子电器、仪表、文教用品、食品包装、玩具等；聚苯乙烯泡沫的开发，更扩大了其应用范围。,高分子材料中的添加剂：增塑剂、稳定剂（热稳定剂、抗氧剂、光稳定剂）、润滑剂、增强填料、着色剂、固化剂、发泡剂、阻燃剂、增韧剂、成核剂、荧光增白剂

9、、抗静电剂,7.OthersPMMA(Polymethyl Methacrylate)、PC(Polycarbonate)、ABS 等。,重要事实：世界 4%的原油储量用于合成高分子材料；原油的能量在合成高密度聚乙烯(HDPE)的过程中损失40%。世界高分子材料的消费量在逐年增加。美国高分子材料的年消费总量为 800 亿美元，以重量计接近钢铁材料；在我国，高分子材料的年消费量超过 3000 万吨。高分子材料废弃物占固体废料的 78%。世界上每年的塑料废弃物约是其产量的 6070，橡胶废弃物约占其产量的 40，我国每年的塑料废弃物和橡胶废弃物总计达 700 万吨。这些高分子材料废弃物绝大部分不能

10、自然降解、水解和风化，即使是淀粉/聚合物共混物的降解制品要降解到对生态环境无害化的程度，至少也需要 50 年。,聚合物垃圾的分类：城市固体垃圾包括家用产生的垃圾（从衣物到食品包装到大的家庭用品）和商业活动及零售所产生的垃圾；其中约有 78%为高分子材料（LDPE/LLDPE、PP、HDPE、PS、PVC、PET等），且主要为包装垃圾(约占 65%)。,备注：值得注意的是，放弃塑料包装并不一定能降低对环境的影响。文献资料显示，使用非塑料的包装材料(如纸张)可能使包装材料的质量增加 291%，在制造过程中消耗的能量会增加 108%，废弃物的体积增加 158%。据估计，使用塑料包装材料每年所节约的能

11、量足以供一个 100 万户人家的城市使用 3 年半。,二、聚合物垃圾的分类及处理方法,汽车垃圾与用于包装的塑料种类相比，用于汽车的塑料种类较少，但用量增加较快，近年来塑料在欧洲汽车中的用量已从 2%增加到12%，占各种聚合物总量的 8%，如：PP 或 ABS 的保险杠、HDPE 的油箱、橡胶轮胎、PU 泡沫的座椅、PVC 地垫保护层等。,备注：在西欧，汽车领域每年消费 170 万吨塑料，相当于消费 325 万吨燃油。然而，由于塑料配件的重量大大轻于金属配件，从而提高了燃油的效率，使得西欧每年可节约燃油 1200 万吨，从而每年减少了 3000 万吨 CO2 的排放量。,建筑垃圾PVC 在建筑工

12、业中有着广泛的应用(如管材、地板、门窗和电缆等)；一些热固性塑料(如酚醛树脂、氨基树脂等)在建筑行业也有应用；约占聚合物垃圾总量的 18%。物流和大规模工业垃圾高分子材料在物流和大规模工业中生产中主要用于包装货物。农业垃圾农业生产中的聚合物垃圾主要是 LDPE(主要用于塑料大棚和地膜)，使用量约为聚合物总产量的 2.5%。,电子电器垃圾电子电器领域所消耗的聚合物占聚合物总产量的 8%，主要的聚合物品种是 ABS(40%)、PC、PMMA 和改性的 PP 等，主要用于电子电器外壳(电视、摄像机、微波炉、个人电脑、移动电话等)、塑料光纤、塑料芯片等；另外，每件电子产品中也有一定量的热固性树脂(聚酰

13、亚胺、环氧树脂等，用作电路板基材等)。,备注：伴随着电子工业科技的发展，每件电子电器产品中聚合物的使用量减少了，但是由于市场的迅速扩张，特别是移动电话的指数式发展，聚合物的消费总量并未减少。,聚合物垃圾处理等级：降耗 替代品；减少用量；减少原材料消耗；再利用 收集、拆卸、翻新；回收焚烧填埋,备注：回收废塑料并使之资源化是解决“白色污染”的根本途径。废塑料回收后，经分类、清洗后再通过加热熔融，即可重新成为制品(“机械或物理回收”)。另外，从组成看，PE、PP、PS 等均由碳氢元素组成，因此将其隔绝空气加热至高温，使之裂解，再将裂解产物进行分馏，可制得汽油与柴油(“化学或原材料回收”)。其次，可以

14、把塑料垃圾送入焚化炉燃烧，提供采暖或发电的热量(“能量回收”)。,聚合物垃圾的回收：,机械回收：,江苏霞客环保色纺股份有限公司将废旧 PET 塑料清洗、筛选整理后，经高温挤压喷丝制成涤纶短纤维，用于纺纱和制衣。英国 Delleve 塑料公司利用回收的乳酸饮料瓶与废旧 HDPE 共混、增容后经过冲压改性制成单层和双层的波纹管，用于公路排水、农业及地基设施等建设。美国 Polywood 公司开发了以废旧 HDPE 和 PS 为基材的聚合物复合材料，用于制造塑料枕木，具有生产周期短、使用寿命长的特点。莫志深等将粉煤灰与多种废旧塑料共混，开发出了系列的高附加值的产品，具有优良的抗压、抗弯、抗冲击强度和

15、耐候性等性能，可取代钢材、水泥、木材等使用(中国发明协会首届“发明创业奖”)。,化学回收：,焚烧和填埋：即使前三种处理方法能够很好地完成，产生少量的废物仍然是不可避免的，这些废物必须通过焚烧或者填埋的方式进行处理。,备注：若把废塑料直接进行焚烧处理，将给环境造成严重的二次污染。塑料焚烧时，不但产生大量黑烟，而且会产生二噁英 迄今为止毒性最大的一类物质。二噁英进入土壤中，至少需 15 个月才能逐渐分解，它会危害植物及农作物，对动物的肝脏及脑也有严重的损害作用。因此，焚烧塑料垃圾排放出的二噁英对环境的污染，已经成为全世界关注的一个极敏感的问题。,备注：填埋作业曾是处理城市垃圾的一个主要方法。但是现

16、在已经越来越不被社会所接受。降解时间长；塑料垃圾密度小、体积大，能很快填满场地，降低填埋场地处理垃圾的能力；填埋后的场地由于地基松软，垃圾中的细菌、病毒等有害物质很容易渗入地下，污染地下水，危及周围环境。,Agent Orange,TCDD has been described as“perhaps the most toxic molecule ever synthesized by man”.,TCDD has never been produced commercially except as a pure chemical for scientific research.It is,h

17、owever,formed as a synthesis side product when producing certain chlorophenols or chlorophenoxy acid herbicides.It may also be formed along with other polychlorinated dibenzodioxins and dibenzofuranes in any burning,especially if certain metal catalysts such as copper are present.,白色污染：什么是白色污染？所谓“白色

18、污染”，是人们对塑料垃圾污染环境的一种形象称谓。它是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成的各类生活塑料制品(如一次性泡沫塑料餐具)使用后被弃置成为固体废物，由于随意乱丢乱扔，难于降解处理，以致造成城市环境严重污染的现象。“白色污染”的危害（1）视觉污染给人们视觉上所造成的“脏乱差”感觉，破坏景观美感；影响人们的工作和生活情绪。（2）潜在危害危害健康；污染环境（土地、空气、水体等）。,备注三大误区：“塑料袋有毒”。解答：只要合格生产，塑料袋无毒。塑料袋的“不环保”主要表现在它不易被分解而并非本身有毒。目前大量使用的 PS、PP、PE 等都是不可降解塑料，分子量达 2 万以上。只有分子

19、量降低到 2000 以下，才能被自然环境中的微生物所利用，变成水和其它有机质，而这一过程需要 200 年。超薄塑料袋几乎都来自废塑料的再利用，这些由垃圾中分拣、回收的塑料废弃物成分复杂，有的甚至曾经用来装农药、化肥，或者作为农地膜使用，不可避免地含有有毒、有害物质。而这些超薄塑料袋通常也是由小作坊制作而成，设备简陋，技术力量薄弱，卫生条件差，根本不可能达到生产食品包装材料的要求。小作坊本身就是要卫生整治的地方。,“塑料袋是白色污染的罪魁祸首。”解答：白色污染不是生产出来的，是人们扔出来的；环境污染的罪过不是塑料袋本身造成的。“纸袋比塑料袋更环保。”解答：生产加工可被微生物降解的纸袋消耗能源远超

20、塑料袋。首先，制造纸制品时，需要消耗大量的木材、能源（水、燃煤）；产生大量的污水（若污水未经处理，直接排入河流，会引起水污染）；气体排放量比制造塑料制品多 70%（酸雨、温室效应等）。其次，纸制品在物流运输时更耗时、耗力；再次，纸制品填埋时占用空间更大。,白色污染的应对措施 行政和技术：,我国的相关管理、规定与措施杭州市于 1995 年 9 月15 日发布了关于禁止使用泡沫塑制快餐盒的通告并开始实施杭州市市容环境卫生管理条例，其中第35 条规定：禁止销售、使用泡沫塑料制作的不可降解的一次性餐具违者可处以 5005000 元罚款。其后，武汉、哈尔滨、福州、广州、厦门、宁波、汕头等城市也颁布了相应

21、的政策、法规，禁止本地使用一次性泡沫塑料餐具。1997 年 6 月 1 日，北京市发布了关于对废弃的一次性塑制餐盒必须回收利用的通知，要求在北京市生产、经销一次性塑制餐具的单位和个人必须负责回收利用废弃餐具，也可以委托其它单位进行回收利用。,中华人民共和国固体废物污染环境防治法（2005 年4月1日）收集、贮存、运输、利用、处置固体废物的单位和个人，必须采取防扬散、防流失、防渗漏或者其他防止污染环境的措施；不得擅自倾倒、堆放、丢弃、遗撒固体废物。禁止任何单位或者个人向江河、湖泊、运河、渠道、水库及其最高水位线以下的滩地和岸坡等法律、法规规定禁止倾倒、堆放废弃物的地点倾倒、堆放固体废物。使用农用

22、薄膜的单位和个人，应当采取回收利用等措施，防止或者减少农用薄膜对环境的污染。国家鼓励科研、生产单位研究、生产易回收利用、易处置或者在环境中可降解的薄膜覆盖物和商品包装物。,国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知（“限塑令”，2007 年12月31日）明确规定：由于过量使用及回收处理不到位等原因，也造成了严重的能源资源浪费和环境污染。特别是超薄塑料购物袋容易破损，大多被随意丢弃，成为“白色污染”的主要来源。从 2008 年 6 月 1 日起，在全国范围内禁止生产、销售、使用厚度小于 0.025 毫米的塑料购物袋。自 2008 年 6 月 1 日起，在所有超市、商场、集贸市场等商品零售场

23、所实行塑料购物袋有偿使用制度，一律不得免费提供塑料购物袋。,各有关部门（环卫、环保、科技、财政和税务部门等）要通过相关政策、标准、技术等办法提高废塑料的回收利用水平。科技部门要加大对废塑料处理处置技术研发的支持力度，开发推广提高废塑料利用附加值的技术和产品，提高废塑料资源利用水平。提倡重拎布袋子、重提菜篮子，重复使用耐用型购物袋，减少使用塑料袋，引导企业简化商品包装，积极选用绿色、环保的包装袋，鼓励企业及社会力量免费为群众提供布袋子等可重复使用的购物袋，共同营造节制使用塑料购物袋的良好氛围。,根据国家发改委初步统计（2011年5月），限塑令实施之后，我国主要的商品零售场所塑料购物袋年使用量减少

24、了 240 亿以上，累计减少塑料消耗 60 万吨，相当于节约石油 360 万吨，折合成标准煤是 500 多万吨，减少二氧化碳排放 1000 多万吨。超市和商场的塑料袋的使用情况也普遍减少 2/3 以上，全国“白色污染”问题得到一定程度抑制。国际食品包装协会的一项调查：在“限塑令”实施第一年，全国农贸批发市场的超薄塑料购物袋的使用量最高减少达 60%；但到了第二年，超薄塑料袋的使用量比限塑之前仅减少了 20%；第三年，这一比例已降至 10%。更尴尬的一项数据是，执行“限塑令”之后，超市手撕塑料袋的使用量增幅超过 55%。“限塑令”在实施中主要存在三个方面的问题：首先，“限塑令”在农贸市场、集贸市

25、场、个体经营户中的实施情况非常差；其次，“限塑令”在超市的执行力度有所下滑；第三，很多消费者和媒体都把希望寄托在塑料袋的替代品上，可是无论使用什么样的替代品，只要使用不当，都会破坏环境。因此，关键问题是应关注如何改变人们不正当的购物袋使用行为。,技术方面以纸代塑。研究开发降解塑料光降解、生物降解、双降解。,光降解塑料 的制备主要有两条途径：一是通过高分子反应向其中引入可光降解的发色基团，如酮基、双键等，通常采用将 CO 或烯酮类单体（如甲基乙烯酮、甲基丙烯酮等）与烯烃类单体共聚的方法。目前已经得到了含羰基结构的光降解型 PE、PP、PS、PVC、PET 等。另一种是将聚合物与具有光增感作用的光

26、敏剂进行共混，如芳香胺、芳香酮、过渡金属化合物、多芳香族碳氢化合物、卤化物以及一些多核芳香化合物（如蒽、菲、芘等）。光解塑料是最早开发的环境降解塑料，其研究起源于20世纪70年代，并迅速形成一定规模的产量，在一些领域得以实用化，但是由于其价格昂贵、降解过程及降解条件难以控制、降解不完全等问题，大大限制了其推广应用。,生物降解 是指在一些有机体（如酶、细菌等）的作用下产生的酶解或化学降解。在生物降解的同时也可能同时伴随着光降解、水解、氧化降解等过程，过程较为复杂。目前研究的生物降解高分子主要有天然生物降解高分子、微生物合成生物降解高分子，以及化学合成生物降解高分子。在天然生物降解高分子中，多糖（

27、如淀粉、纤维素、甲壳素、壳聚糖等）是最重要的一类，通过将这些可生物降解的天然高分子与聚烯烃类高分子共混，可以制得相对较易在环境中降解的高分子材料。,微生物合成生物降解高分子 的典型代表是聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxy-alkanate,PHA)，是微生物合成聚酯中的重要品种，其中最具代表性的是聚-羟基丁酸酯(Poly(-hydroxybutyrate),PHB)，可作为热塑性塑料，但由于其脆性、加工性差，通常采用共聚或共混对其进行改性。PHB 及其共聚、共混物可用于注射、模压成型，也能纺成纤维，但生产成本较高，限制了其实际应用。,化学合成降解高分子 是指用化学方法合成得到的可降解高分子

28、，由于在结构和性能上具有更大的可调性，因此在医药、农业及环境保护等等方面有着广阔的应用前景。这一类高分子有聚乳酸、脂肪族聚酯、聚酰胺酯等。,备注：“玉米塑料”聚乳酸饱含淀粉质的玉米等农作物果实经过现代生物技术可生产出无色透明的液体乳酸，再经过特殊的聚合反应过程生成颗粒状高分子材料聚乳酸，从玉米中提取的聚乳酸颗粒称为“玉米塑料”，可代替化工塑料粒子，根据不同需要制成建筑墙体板材、包装材料、纺织面料、日用器具、农用地膜、地毯、医用材料、汽车内饰和家庭装饰品等。由这种生物高分子材料制成的物品，废弃后可采用堆肥填埋处理，在自然界微生物的作用下彻底分解为水和二氧化碳，并可当作有机肥施入农田成为植物养料。

29、生产 1 吨的玉米塑料，需要消耗玉米 3 吨左右。目前全球每年的玉米库存量达到 1 亿吨左右，如果全部拿出来生产玉米塑料，年产量将在 3000 万吨左右，相当于全球一年的塑料需求量。,双降解塑料 通常以聚烯烃塑料为基料，在其中加入光敏剂、生物降解剂、促氧化剂、降解控制剂等复合而成，使之同时具有光降解性和生物降解性，并在一定的条件下可以控制其降解速度。,备注：使用可降解塑料有四个不足：多消耗粮食；使用可降解塑料制品仍不能完全消除“视觉污染”；由于技术方面的原因，使用可降解塑料制品不能彻底解决对环境的“潜在危害”；可降解塑料由于含有特殊的添加剂而难以回收利用。,高吸油性树脂由乙烯基单体经聚合(共聚

30、)、适度交联制得的具有三维网络结构或一定微孔结构的材料；水处理及废气处理等中的应用：离子交换树脂；离子膜/半透膜；波纹状、列管状和蜂窝状等有机合成填料，具有高比表面积和孔隙率。例：“生物膜法污水处理”；合成高分子纤维束滤料，纤维直径为微米级，比表面积远比硬质滤料大，易于吸附水中的悬浮浊质和胶体杂质，用于给水处理、中水处理和水深度处理；,三、高分子材料在环境保护中的作用,水处理沉淀池设施中的斜板(管)增加沉淀面积，质轻、耐腐蚀；高分子絮凝剂，水溶性聚合物树脂，分子链上带有阴、阳离子或强吸附基团，在常温下可与废水中的重金属离子、胶体或悬浮粒子进行吸附、电中和、架桥等作用，破坏其稳定性，生成不溶性絮状沉淀；在给水净化、水/油体系破乳、废水处理及再资源化、污泥脱水等方面有着广泛的应用。高分子泡沫材料(聚苯乙烯、聚酯、聚氨酯、聚乙烯等)，用于废气处理的过滤器，以泡沫塑料为过滤层基材、含吸附材料（如活性炭等）；用于缓冲减震、噪声控制和隔热等；编织袋、救灾帐篷等。,