材料与社会持续发展.ppt

核能 核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。 压水堆、轻水堆及快中子堆： 1、无CO2排放 2、安全性正在提高 3、资源丰富 全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400－600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富，但钍的储量仅次于印度，看来核裂变能仍不失为今后的重要能源。 4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50－100年后实现，目前已组织国际合作。 2002年美国工程院在讨论工程前沿时，盛赞核能。在美国建一个100万千瓦核电厂的核燃料费每年4000万美元，而同规模煤电厂为1.1亿美元，天然气2.2亿美元，电厂每度电成本分别为1.83、2.07及3.52美分，但建设成本远高于天然气，每千瓦分别为1500和500美元。 材料在制备过程中的污染是另一个严重问题。如2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。此外，一吨钢出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，每年都以亿吨计，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。 环境污染 8 12 5 15 60 对温室效应相对贡献(%) 数周到数月 60-100 150 10 50-200 在大气中寿命(年) 0.2-0.5 4 0.3 0.9 0.5 当前年增长率(%) 20-40 0.28 310 1720 353,000 当前浓度(×10-9) 10 0 288 790 280,000 工业革命前浓度(×10-9) O3 CFC N2O CH4 CO2 温室气体 几种温室气体 该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。 From “Interdisciplinary Science Reviews”, Vol26, No4, 2001,P254 由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5oC(冰河期与目前温差5－6oC)，人居环境灾难频发，陆地缩小。 解决办法： 减少化石能源利用 地球绿化面积扩大 CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂 10年内可贮存6000万吨CO2 通过催化剂与生物工程CO2＋H2O 粮食 三、为了可持续发展，当前材料科学技术应 重视的几个环节 1、自然资源的有效利用 2、传统材料的升级换代 3、开发资源丰富的新材料体系 4、现有材料性能的提高与新材料的开发 5、环境材料是循环经济的重要组成部分 1、自然资源的有效利用 从矿石到金属要经过几道工序 采矿 铸锭、轧制 选矿 提取 精炼 每一工序金属的回收率不等，如采矿一般70－95％，选矿50－85％ 矿石的综合利用：我国多复合矿，以包头、 攀枝花为例 乱采乱挖，不但回采率低，而且破坏了矿 区，以钨为例 2、传统材料的升级换代 传统材料量大面广，资源消耗多，是重要污染源，性能的提高与工艺的改进影响大，传统材料升级的潜力很大，如超级钢(973)，通过晶粒细化或纳米颗粒强化，可使钢的强度大幅度提高，如： ?碳钢200?400MPa ?低合金钢400 ?800MPa ?合金结构钢800 ?1500MPa 现已在大钢厂生产数百万吨，并用于汽车制造和建筑业。建筑业推广要改规范。 3、开发资源丰富的新材料体系 中国的原镁产量及出口量 镁(Mg2.3%)是地壳表层含量仅次于Al(8%)、Fe(5.8%)，占第三位的金属元素,特别在海水中有2.1×1015吨(1.3g/l)，其性质与铝相近，但强度需进一步提高，抗蚀性差，且加工困难，有待开展基础研究。 通向月球的碳纳米管天梯想象图 碳系材料：自然间是碳循环； 资源丰富 同素异型：从柔软垫圈到 最硬金刚石 碳纤维：耐高温2500oC，高强、高模量 C60、纳米碳管，比强度100倍于高强钢 工程陶瓷(Si3N4、SiC·······)，性能优越，资源丰富 性脆，价高 合成有机高分子材料：原料可再生、分子设计、正在向功能材料发展 天然无机非金属材料：玄武岩、蒙脱土等 4、现有材