学术前沿讲座

一 我国大气环境现状综述

近年来，我国经济快速发展，人民生活水平显著提高，但同时我国巨大的能源消费规模和以煤为主的能源消费结构引起的环境 污染 已使 国家不堪重负，我国能源环境问题的严重性不仅在于现在的污染，更重要的是未来潜在的能源需求增长对环境造成的巨大压力 。

1 我国大气污染现状

由于我国当前大多数空气污染物属于“存量型” 污染 ，即当前环境质量不仅决定于当前的污染排放量 ，还受 以往排放的污染物的影响 ，当前排放的污染物不仅影响当前的环境质量，也对今后的环境质量造成影响。在评价环境质量时应该从环境中污染物浓度指标和污染物排放量两方面对全国大气质量的现状进行考察 。 1．1 从大气环境质量指标考察大气环境质量

统计数据显示 ，自2000年 以来 ，中国城市的空气质量整体呈好转趋势 ，颗粒物超过二级标准的城市比例呈逐年增长趋势。2004年 46．8％的城市颗 粒物超过二级标准 ，比 2003年增加 1．2个百分点； 超过三级标准的城市占14．3％ ，比上年减少 6．9个百分点。但S02浓度呈增高趋势 ，2003年和 2004年S02年浓度均

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为 0．049 mg／m，比 2002年增长 0.006 mg／m，且 S02年均浓度达到二级标准的城市比例自2000年以来 基本上呈下降趋势 。

2005年共有 522个城市开展了空气质量监测， 包括地级以上城市319个、县级城市203个。其中空气质量为一级的城市22个，占4．2％；二级的 293 个，占56．1％；三级的 152个 ，占29．1％；劣于三级的城市55个 ，占 10．6％。达到或超过国家二级标准的统计城市比例比上年增长了21．7个百分点 ，劣于三级标准的城市比例同比下降了 9．6个百分 点，与2004年相比，城市空气质量有所改善。 1．2 从排污总量角度考察

受污染源集中程度的影 响，大城市 的环境质量指标不能准确反映整体环境负担情况 ，比较而言 ，污 染 排放 量可 以更客 观地 衡量 环境 负担 。 1995年 以来 ，由于 国家 对 S02、烟 尘 、工 业 粉 尘 等主要污染物 的排污实施总量控制和经济结构的调 整 ，到 2002年 ，全 国 S02、烟尘 、工 业粉 尘排 放量 呈逐年下降趋势 。但从 2002年末开始 ，S02排放总量快 速增 长 ，烟 尘 排 放 也 略 有 升 高 。 据 初 步 统 计 ，2005 年全 国 S02排放 总量 已达 到 2 549万 t，比 2004年增 加达 13个 百 分 点 。近年来 酸雨发生频率及酸雨分 布 区域保持稳 定 ，但 部分 地 区酸雨 强 度加 大 。2005年 全 国开展 酸 雨监 测 的 696个 城 市 中 ，357个 城 市 出 现 酸 雨 ，占 51．3％。从酸 雨 出现城 市 比例 和 降水 酸度分 析 ， 2000年 一2005年期间 ，全 国出现 酸雨城市 比例在 50％～60％间波动，但重酸雨 (pH值 ≤4．5)城 市 比 例呈升 高趋 势。从 酸雨 区域分 布分 析 ，2000年 一 2005年期间 ，以重庆 、贵阳为代表 的西南 酸雨 区酸 雨污染有所减轻；华 中酸雨区(湖南、江西等省)酸雨 强度有所增加 ；华东地 区特别是浙江省酸雨污染进 一步加重；华南酸雨区的珠江三角洲地区污染加重。

2 我国大气污染控制现状分析

针对 目前 的大气污染状况 ，我 国从国家到地方 均对大气污染的控制采取 了相应 的，各省都制 定了本地的大气污染控制计划 ，但从 目前 的污染状 况来看，现有的治理方式并不理想。综合分析造成 我 国大

气污染的原因，主要存在以下几方面问题。 2．1 以煤为主的能源消费结构超常规发展

我国一次能源消费结构 中煤炭 占70％左右 ，燃 煤是大气 sO2污染 的主要 来源 ，我 国目前燃煤SO2排放量 占全 国 S02排放总量的 90％以上。 自2002年末以来，高物耗 、高能耗的火电、钢铁、建材 、化工 等工业呈现过热发展的态势 ，年均增长率都在 15％ 以上 ，这几大行业用煤急剧增长。仅 2005年全国能 源消费总量已达到22．2亿 t标 准煤 ，其中煤炭消耗 达到 21．9亿t，同比增长 14.4个百分点。火电行业 消耗煤炭量为 l1．1亿 t[引，占全 国煤炭消费总量的 50．7％。2005年初步统计火电行业 S02排放量已经 达到 1 400万 t。

能源 的超 常规增 长 和火 电行业 的快速 发展是导 致 S02增加的主要原因，在“两控区”表现得更为明 显。2004年“两控 区”工业排放 SO2总量为 1 132．5 万 t，比 2003年 多 出 981万 t，占到全 国工业 排 放量 的 59．8％，而全 国火 电行 业 2004年 比2003年 多 103 万 t。可 以看 出“两控 区”是 S02排 放 的主要地 区 ；火 电行业 是“两 控 区”S0，的主要 排放源 。

火电厂排放 s02总量增长除煤炭消耗量增大这 一主要原因外 ，跟煤炭供应紧张、煤炭质量下降也有很大关系 ，并且在 325 GW(截至 2004年底)火电装机容量中，效率低 、煤耗高的小机组占很大比例 。由于缺电形 势严重 ，纯凝 汽 式小 火电 厂不能按期 关停，造成 了煤炭资源 的极大浪费和严重的环境污染。 2．2 治理速度赶不上新增速度

自2002年末 ，高能耗 、高物耗行业快速发展 ，而污染治理进程却相对缓慢 ，尤其作为 SO2主要排放 源的火电行业脱硫进展更是缓慢 。进入 “十五”后 期 ，尤其是最近煤炭供应紧张 ，煤质下降 ，靠选择低硫煤来降低 SO2排放量已无空间 。同时，《火电厂大气污染 物排放标准》(GB 13223--2003)对火 电厂提出了更高的要求。由于推进烟气脱硫产业化和市场竞争 ，烟气脱硫设备造价大幅度降低 ，采用高效率的石灰石／石膏湿法脱硫工艺(90％以上)成为控 制火 电厂SO2排放 量的主要手段 。到2004年底，全国投产的烟气脱硫机组容量 已达 24 GW。除安装烟气脱硫设施外 ，关停 小火电机组 ，“两控 区”内火 电厂改 烧 低 硫 煤 ，发 展 热 电联 产 ，增 加 动 力煤 入选 比例等措 施 也在一 定 程度上 减少 和控制 了 火 电厂 SO2的排 放 量。然而统计数据表明 ，火电厂SO2治理仍远低于其他工业行业的水平 。2004年工业部门 SO2平均去除率 为 32．0％，而火电行业仅 为14．4％。与 2003年相 比 ，2004年火电行业SO2排放量增加262.2万t，去除量增加71.2万t，可见火电行业S02控制和治理任务任重而道远。

目前我国 Nox排放研究刚刚起步，控制手段落 后。由于 NOX主要来自于煤炭的直接燃烧 ，火电行业仍是主要的排放源。有关数据表明，近年酸雨中NOx一离子的浓度呈上升趋势。据专家预测，未来酸雨污染可能由硫酸型向硫酸／复合型发展。但 由于对 NO 研究基础薄弱 ，虽然 GB 13223—2003中规定 ，第三时段新建、

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改建、扩建 的燃煤电厂 ，燃煤挥 发分小于 10％时 ，排放限值为 1 100 mg/m，燃煤挥发分大于等于 10％、

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小于等于 20％时，排放限值 为 650 mg／m，燃煤挥发分大于 20％时 ，排放限值为 450 mg／m3，对第一、二时段的电厂则采取 了更为宽松的 排放标准。虽然 国家作 出了排放标准要求 ，但没有 强制性要求火电厂安装脱 硝设施 ，而大部分 电厂对 NOx排放未采取有效控制措施 ；其他各工业部 门，如 钢铁 、建材亦没有采取控制措施 ，国家环保总局发布的历年环境统计年报中也没有公布NOx的排放量 。 虽然一些研究人员或 组织对NOx的排放量进行了估算，但都不能准确地表明 NOx的污染现状。

从城市环境质量来看 ，由于机动车数量的快速 增加 ，机动车尾气已成为大城市大气污染的主要来源。2003年城市环境空气质量监测结果显示 ：北京、上海、广州等大城市大气污染物中机动车排放的碳氧化物 、碳氢

化合物、氮氧化物和颗粒物所 占平均比例为 80％、75％、68％、50％，机动车尾气污染已成 为这些城市空气 污染的第一大污染源 ，而相应的控制措施不见成效 。

3.我国未来能源结构变化

中国正处于工业化、城市化加速发展时期，能源需求持续增长。2007年，一次能源消费量达到26．6亿吨准煤，比2000年增长了13亿吨标准煤。其中，煤炭消费量占能源消费总量的70％以上，石油消费量占23％，50％的石油消费量需要进口。持续增长的能源需求给中国的能源环境和能源安全带来巨大的压力，据美国能源信息署(IEA)等机构预测，到2020年，中国石油需求和供给的缺口将达到约800万桶／天，石油进口依存度有可能超过70％(Downs，2006)。目前中国二氧化硫和二氧化碳排放量已居世界第一，酸雨区已超过国土面积的40％。若不控制化石能源的生产和消费，后果将会更加严重。中国还有相当大比例的农村人口处于能源贫困之中，这也影响了农村经济和社会的发展。

《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确规定 ：到2010年 ，在 G DP年增长7．5 ％ 的同时 ， 主要 污染 物 排 放 总 量 减 少 10 ％ 。 以 此 作 为 “十 一 五”规划 期 间的 8 大约束 性指标 之一 ，作为 具有法 律效力 的刚性 指标 ，这 是 党 和 国家 按 照 科 学 发 展观 和 可持续发展 的要求 ，基 于 目前 的经济 结构 、产业 结构 状 况和严 峻 的环 境 形 势 做 出 的 战略 性 决 策 。《可再生能源中长期发展规划》和《“十一五”可再生能源发展规划》这两个规划也把用可再生能源替代化石能源、优化能源结构作为第一个发展目标。风能、太阳能、生物质能受到高度重视，其中，风电和太阳能向并网发电方向发展，生物质能利用向生物质发电、生物质燃气、生物质固体成型燃料、生物液体燃料等多种方向发展。具体发展目标是：2010年，可再生能源占能源消费的10％；2020年，可再生能源消费占能源消费总量15％。这意味着中国可再生能源发展要走与前一个阶段目标全然不同的发展方式，即大规模的、产业化的发展道路。因此，“十一五”规划提出了可再生能源产业的发展目标，即以规模化建设带动可再生能源产业新技术的产业化发展。关于可再生能源产业技术水平和装备能力的规划目标概括起来就是：现阶段要重点提高技术水平，建立完善的产业体系。已成熟的技术要实现大规模生产、形成比较完善的生产体系和服务体系。从2010年到2020年期间，加强可再生能的技术研发和设备国产化，建立完备的可再生能源产业体系，大幅度降低可再生能源开发利用的成本。

4. 我国NOx污染状况

NOx是我国47个重点城市环境空气质量周报中的考核项目，也是2000年重点城市“一控双达标”中城市环境空气质量达标项目之一，但是NOx的排放情况、监测数据和污染控制等方面还有很多不确定因素。为了做好NOx的污染控制工作，我们对NOx的污染指标和控制措施等有关问题作了初步探讨一、我国NOx污染现状：1、我国NOx排放情况的估算。据项目“能源规划中综合考虑环境因素”研究的初步估算，1990年我国氮氧化物的排放量约为910万吨，其中近70来自于煤炭的直接燃烧，固定源是NOx排放的主要来源。根据世行项目“中国机动车排放污染控制战略研究”，1995年全国机动车辆(不包括农用车辆)的NOx排放量为141.3万吨,若包括农用车辆，其排放估算量可能将增加1/3，机动车的排放量估计占排放总量的不到20，是城市的NOx的主要来源之一。目前我国NOx排放量估计在1000多万吨。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长，NOx排放量也将持续增加。据有关研究的估算，到2000年和2010年，我国的NOx排放量将分别达到1561万吨和2194万吨。由此可见，今后NOx排放量将十分巨大。如果不加强控制，NOx将对我国大气环境造成严重的污染NOx排放量的剧增使我国城市大气中的NOx污染程度加重。1997年在全国357个城市中，NOx浓度年均值范围为0.001-0.140mg/m3，年均最大值出现在广州市，其中291个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05mg/m3)，占81.5，66个城市超二级标准，占18.5。1998年全国311个城市，NOx浓度年均值范围为0.006-0.152mg/m3，年均最大值出现在北京市，其中252个城市NOx浓度年均值达到国家二级标准(0.05mg/m3)，占81.0，59个城市超二级标准，占19.0。1997-1998年，NOx浓度年均值超过国家三级标准(0.10mg/m3)的城市有北京、广州和

上海三市。根据1991-1998年8个年度的统计，环境空气中NOx平均浓度的年度变化趋势不明显，但北京等少数特大城市的污染有加重趋势。NOx对环境的影响和对人体健康的危害:我国NOx排放量和大气NOx浓度的快速增加，将使我国大气污染的性质发生根本性的变化，大气氧化性增加，导致一系列的城市和区域环境问题，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁.NOx中对人体健康危害最大的是NO2，主要是影响呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿。大气中NOx和挥发性有机物VOC达到一定浓度后，在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应，就会产生以高浓度O3和细颗粒物为特征的光化学烟雾，形成了夏季城市天空经常出现的兰色烟雾。由于我国大气中VOC浓度较高，光化学烟雾的产生主要受NOx制约，大气NOx浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染。光化学烟雾是一种二次污染，污染区主要位于污染源（城市）下风向30-50km，由于O3和细颗粒物可以作长距离传输，造成区域性的氧化剂污染和细颗粒物污染，使区域空气质量退化，减少太阳辐射，气候发生变化，对生态系统造成损害，农作物减产。美国目前由于O3污染使谷物减产10以上，估计太阳辐射减少对产量的影响更大。光化学烟雾会使大气能见度降低，对眼睛、喉咙有强烈的刺激作用，并会产生头痛、呼吸道疾病恶化，严重的会造成死亡。

由于大气氧化性，NOx在大气中可形成HNO3和盐细颗粒物，同硫酸H2SO4和硫酸盐细颗粒物一起，发生远距离传输，从而加速了区域性酸雨的恶化。已有研究表明，HNO3对酸雨的贡献呈增长之势，降水中NO3-/SO42-比值在全国范围内逐渐增加。目前我国已结合对两控区的划分工作，对SO2排放进行了全面控制，但NOx排放总量的快速增长及其大气浓度和氧化性的提高有可能抵消对SO2的控制效果，使酸雨的恶化趋势得不到根本控制。

二 工业固体废弃物磷石膏的产生及资源化趋势

磷石膏是湿法生产磷酸过程 中的副产物 ，通 常每生 产 1 t 磷酸 (以 P：0 计 ) 可以得到 4．5 t 磷石膏 (干 )，实 物量约为 7 t。 近年来 ，随着磷酸工业 的发展 ，磷石膏 的 排放量也 日益增大。 十五期 间，我国仅磷肥副产磷石膏 高达 3300 万 t，许多重点磷肥企业年排磷石膏量均在 100 ～200 万 t。 但另一方面其利用率却很低 ，磷石膏 占用 了 大量土地 ，污染环境 ，给生产企业带来了很大的负担。 磷石膏的资源化已成为磷酸工业实现可持续发展的关键 因 素之一。 1 磷石膏的基本特性

湿法磷酸生产过 程 中产 生的含有少量未 分解 磷矿 和游离酸的二水硫 酸钙称为磷石膏 。 纯 净的二水硫 酸钙是单斜晶系的白色粉末 ，结晶较好 ，多呈平行四边形 和长柱状以及燕尾状结晶。 磷石膏因含有杂质一般为浅 黄、浅灰或灰黑色的细粉状 固体 ，含水率 20％ ～30％ ，容重 0．733 ～0．880 g／cm ，粘性较大 ，流动性差 ，呈酸性 ，略 有异味，主要成分为 CaSO ·2H 0，并 含有少量的 SiO：、 A1：O，、Fe O CaO、M gO，微量的重金属离子及放射性元 素 ，以及未分解的磷矿粉、P O 、F 一和游离酸等杂质 。 经测定 ，磷石膏晶体尺寸在 4JD ～200 肌 之间，二 水石膏(CaSO ·2H：0) 的含量非常高。 磷石膏 能溶于 酸、铵盐、甘油 ，微溶 于水 ，不溶于乙醇，175 ℃左右 时失 水成半水石膏 (CaSO ·0．5H：0)，193 ～210 ℃时失去水 而成为无水石膏。

2 磷石膏中的杂质对性能的影响及其预处理方式 2．1 磷的影响及去除

磷石膏中的磷以P205 的形式表 示 ，包括可溶性磷、共晶磷和难溶性磷。 可溶性磷 主要来源于残留在磷石膏

-- 3-中的磷酸 ，磷酸 电离后产生 H3P04 、H2PO4、HPO4、PO4 四种形态的 P205 。 它在炒制过程中不挥发 ，生成

焦磷酸(H4P207)或其他磷酸盐 。 可溶性磷对磷石膏的性能影响主要表现在 延长磷石膏的凝结时间和降低石膏制品的强度。 它存在 于石膏晶体的表面，其含量随磷石膏颗粒度增加而增加。 采用水洗预处理就可以除去可溶性磷。

共晶磷一般 以 CaSO4 ·2H20 CaHPO4 ·2H2O 的固 溶体形式存在。 因而难以采用水洗预处理去除。 在建筑 石膏水化时，共 晶磷中 的 P：O 释放 出来， 以 ca (P0 )： 的形式存在 ，此时表现为降低 pH 值 ，延缓凝结 时间 ，降 低石膏硬化体强度。 只有在 800 oC 下煅烧磷石膏才能使 共晶磷转变成为隋性的焦磷酸盐 。 难溶性磷存在于少量未反应的磷石灰粉 中。 作为 惰性组分 ，它对磷石膏的性能几乎无不良影响。 2．2 氟的影响及去除

磷石膏中的氟来源于磷矿石 ，硫 酸分解磷矿石 时有 20 ％ ～40 ％ 的氟进入 了 磷石膏 中。 硫酸分 解 时 以 可溶 性 氟 (NaF) 和 难 溶 性 氟 (CaF，、 NazSiF )两种形式存在 。 影响磷石膏性能的主要是可 溶性氟，可溶性氟有促凝作用 ，但当其 含量超过 0．3％ 时，会显著降低磷石膏的强度。 难溶性氟一般是惰性的 ， 但若以同结晶络合物存在或不存在于二水石膏中时，就 有很大活性和热不稳定性 。 水洗预处理可以去除可溶性氟。 另外 ，也可采取石灰中和预处理方式使其转化 为难溶性氟(CaF )，从而消除可溶性氟的影响。 2．3 有机物的影响及去除

磷石膏中的有机物来源于 磷矿石中的有机杂质和磷酸工艺 中所加入的有机添加 剂。 研究表明 ，磷石膏中的有机物为乙二醇 甲醚乙酸 酯、异硫氰甲烷、3 一甲氧基正戊烷、2 一乙基 一1，3 一二氧 戊烷等，其含量随磷石膏颗粒度的增加而增大，通常分布 在二水石膏晶体表面，使磷石膏胶结材需水量增加 ，削弱 了二水石膏 晶体间的结合 ，使硬化体结构疏松，强度降 低。 水洗、浮选法和 800 ℃煅烧等方法均可去除有机物 。 但水洗存在生产线一次投资大 、能耗高、水洗后污水排放 造成二次污染等问题 ；煅烧则需要在高温条件下才能去 除其中的有机物。 因此 ，当磷石膏中有机物含量较高时，宜选用 浮选方式加 以去除。 2．4 其他杂质的影响及去除

除磷、氟、有机物之外 ，磷 石膏中还含有其他一些杂质 ，如 SiO 以及 Fe、Sr、M g 的 氧化物或与磷酸盐形成 的络合物。 这些杂质一般为惰 性 ，对磷石膏性能影响不大。 但碱金属盐会在磷石膏构 件干燥过程中随水分迁移至表面，使构件发霉或泛霜，需 要通过预处理去除。 总之 ，磷石膏中的杂质越少 ，磷石膏 的品质越高，越容易利用 。 在实际的利用过程中 ，选择何 种预处理方式不仅要考虑磷石膏中存在的杂质种类及数 量 ，还应考虑其利用途径 ，综合各种因素选择经济而又合 理的预处理方式。

3 磷石膏的资源化途径

3．1 磷石膏用于建材行业

3．1．1 磷石 膏在水泥工业中的应用 在水泥工业中 ，磷 石膏可用作水泥缓凝剂、水泥矿化剂 ，并可

用来生产低碱 度水泥和制硫酸联产水泥。 3．1．1．1 用 作水泥缓凝 剂 硅酸盐类 的普通水泥和特 种水泥 ，都需要一定量的石膏( ≤3．5％ ，以 S0 计 )，使 其与 C A 反应生成溶解度极小的钙矾石 ，从而使水泥产生正常的凝结。 水泥中掺入杂质含量不大的磷石膏与掺天然石膏的性能相近，水化产物基本相同，早期强度略小 于掺天然石膏的水泥 ，还可能提高后期强度。 需要注意 的是 ，应控制磷石膏中可溶性磷的含量 ，否则不但影响其 作为水泥缓凝剂的作用 ，还易腐蚀钢筋混凝土工程中的 钢 筋。

3．1．1．2 用作水泥矿化剂 在煅烧硅酸盐水泥时加入 石膏(1％ ～2％ ，以 S0。 计) 和 CaF：(0．8％ 一1．6 ％) 的复 合矿化剂可以节能，提高产品产量和质量。 少量 的磷酸 盐对水泥熟料烧成起着强烈的矿化作

用 ，而磷石膏是由 高度分散的二水石膏、少量的 P O 和 F 一组成 ，可认为它 是一种天然的复合矿化剂。 3．1．1．3 生产低碱度水泥 生产硫铝酸盐水泥、铁铝酸 盐水泥时 ，要加入一定量的石膏 ，它作为一种主要成分形 成 c A]S，使水泥具有快硬和膨胀特性 。 磷石膏低碱 度水泥是以石灰石、矾土、磷石膏为原料在立窑中烧制硫 铝酸盐水泥熟料 ，外掺磷石膏和石灰石磨制而成 。 这种 水泥具有早期强度高、硬化快、碱度低 、微膨胀等特性 ，成 本低于硅酸盐水泥。 由于石膏浆体 中没有 Ca(OH)， 高 碱性等物质存在 ，所以碱度十分低 ，是 目前碱度最低的水 泥之一 。 用该水泥制造的玻璃纤维增强水泥制品具有质 轻、高强、韧性好、耐久性好、不变形等优点 ，现 已广泛用 于制造 GRC 轻质多孔板。

3．1．1．4 制硫酸联产水泥 该工 艺的原理是将磷石膏 高温分解 ，所得的 S0 用 于生产硫酸 ，CaO 用 于生产水 泥。 此法对于硫 资源缺乏 的 国家来说非常具有现实意 义。 前提是磷石膏必须经过预处理才能用 于配制生料。 其优点在于：①磷石膏中的钙硫得以充分利用；②磷石膏 被消化而不产生二次废渣 ；③控制好制酸尾吸收，可实现 尾气达标排放；④副产的硫酸用 于磷肥生产 ，减少了硫酸 外购和运输量，降低了成本。 但缺点时生产设备效率低、 投资大、能耗高 。

3．1．2 磷石膏用 于生产石 膏建材制品 磷石膏用 于生 产石膏建筑材料主要是将磷石膏 中的二水硫

酸钙在不同 的转化条件下脱水生成 或 13 型半水石膏 ，然后再加工 成石膏板材、砌块 、石膏粉及其它装饰材料。 利用磷石膏 制砖工艺简单 、能耗低、投资少、用量大 ，是磷石膏综合利 用 的良好途径 。 石膏板材具有质轻 、保温隔热隔声性能好、防水防 火以及施工简单造价低等优点。 目前我国建筑行业对石 膏板材的需求呈上升趋势，一些地方呈现供不应求的局 面。 因此，利用磷石膏为主要原料的生产线是符合市场 需求的短平快项目。 利用磷石膏生产石膏板材在国 外已经比较成熟 ，其中 ,日本用于生产石膏粉和石膏板材 的磷石膏占磷石膏总量 的 75％ 左右。 我国铜陵化工集 团与澳大利亚博罗亚洲公司于 1997 年合资建成 400 kt／年精磷装置 ，其产品销往上海博罗公司生产纸面石膏板。 另一方面 ，我国已经明令从 2000年6月1 日起逐步禁止使用 实心黏土砖.这无疑为磷石膏生产建筑材料提供了广阔的潜在市场前景 .

3．2 磷石膏用于化工行业

3．2．1 磷石膏用于制过硫酸钙 磷石膏 可与高 品位磷 矿相混合生产合格 的过磷酸钙 ，而且在采用湿法生产过 磷酸钙中，当矿浆水分高时可通过磷石膏 的加入得到调 整 ，使鲜水分稳定。 据报道 ，安徽庐江化学工业集 团 有限公司用磷石膏与高品位磷矿搭配，在 60 kt／年湿法 过磷酸钙装置 上使 用 ，成品达 到部 颁过磷酸 钙合格级 标准。

3．2．2 磷石膏用于制硫酸铵 用 磷石膏生产硫酸铵有 两种基本工艺 ：荷兰工程公 司的工艺 流程是将磷石 膏洗涤过滤去掉杂质后 ，将 NH， 和 CO 引入带搅拌的反 应器中与磷石膏反应 。 而奥地利西亚格公 司开发了磷石 膏与碳酸按复分解反应的工艺流程。 磷石膏制硫酸铵的 主要技术 问题是硫酸铵的含氮量低 ， 以单 位氮计 的生产费用比尿素和铵要高得多。

3．2．3 磷石膏用于制硫酸钾 用磷石膏生产硫酸钾有 一步法和二步法。 一步法是用磷石膏与氯化钾在氨水等 溶剂存在下低压反应 ，经分离净化再分离 即得硫酸钾产 品 ，同时副产氯化钙， 因氯化钙难 以处理 ，故应用 前景不 佳 。 二步法是磷石膏先与碳酸氢铵反应生成硫胺溶液 ， 硫胺再与氯化钾反应生成硫酸钾 ，同时副产氯化铵和碳 酸钙 ，前者可做肥料 ，后者可用于制水泥。 但其缺点在于氨损失大 、固液分离困难 、设备生产能力低 ，投资较大。

3．3 磷石膏在农业上的应用

磷石膏呈酸性，pH 值为 1 ～4．5，因此可以直接用 作土壤改 良剂改善盐碱 地和红壤旱地。 直接施 用 能降低土壤 的 pH 值 ，有效改 善土壤 农化形状 ，磷石膏 中的 ca“与土壤中 的 Na 交换可以使 钠 一黏土变成钙 一黏土而改善土质 ，提高土壤的渗水性 ， 防止表皮结壳 ，有利于植物生长。 同时 ，磷石膏含有植物 生长所需磷 、钙 、硅等各种营养元素 ，因此可以利用 磷石 膏生产各种农用 化肥 。 据报道 ，如果将

二水石膏 与尿素 在高湿度下混合 ，可以生产吸湿性小而肥效比尿素高的尿素石膏[CaSO ·4CO(NH ) ]。

3．4 磷石膏在其他方面的应用

3．4．1 磷石膏作为硫还原茵的硫源 据报道 ，磷 石膏可作为一种很好的硫还原菌的硫源 ，这是 因为磷石 膏富含丰富的硫元素(以 CaSO, ·2H O 形式存在 )，作为 硫还原 菌 的电子 受 体。 磷 石膏 (CaSO, ·2H O) 相 比 CaSO, ·0．5H2O、PbSO4、BaSO4和[KFe3(so4)2(OH)6]， 磷石膏在水中的溶解度较大且基本不与分子氧反应 。 在 富含硫的厌氧环境中硫还原菌对有机物的生物降解起着 重要的作用 ，这样的生物降解过程有两个好处 ，一是可以 通过硫还原菌作用可以使工业废渣磷石膏得 以分解 ，二 是使废水中有机 物降解为 CO 从而达到净化废水的目的，这无疑是一种很好的磷石膏利用途径。 但应注意磷 石膏重金属元素的去除 ，以防其影响硫还原菌的生长。

3．4．2 磷石膏制备新型材料 石膏基磁性材料是将磁 化粒子如铁氧体类和稀土类利用 特殊工艺复合其 中 ，使 磁化粒子在制品中定 向排列制备而成 。 这些材料的应用 将使建筑体具有 自动传感 、自动调节及其它特殊功能，从 而使建筑体能较容易地实现智能化与多功能化。 因此磷 石膏有望通过特殊工艺制成石膏基磁性材料 ，成为一种 新的资源化途径 。

石膏基导电材料可在石膏中掺入导电物质 ，如导电 聚合物、石墨等，作为屏蔽电磁波 、电热材料和耐热导电 材料用于特殊建筑物的光 电转换、工业防静 电、发热体 、 传导材料及隐身材料等。 以磷石膏为原料制得的石膏基 导电材料有望达到上述要求。

4 磷石膏资源化过程中存在问题及解决途径

磷石膏的资源化尽管在 国 内外 已经得到广泛重视 并付诸实践 ，取得了良好的经济效益和环境效益 ，但在磷 石膏资源化过程 中，仍存在一些尚待解决 的问题 。 妥善 处理这些问题 ，将使磷石膏的资源化提高到一个全新的 水平 ，为磷酸工业的可持续发展提供技术支撑。

①位高低不一 ，生产工艺 以及处理方 式的差异造成磷石膏杂质含量 、理化性能波动很大 ，给磷 石膏的资源化带来一系列问题 ，使 目标产品的质量难以 保证。 针对这种情况 ，在实际生产 中 ，应 根据磷矿 源品 位 、废渣性质灵活采取最经济、最有效的资源化方式。 例 如 ，可 以通过减少磷石膏中微量组分的环境输入来实现 ， 即主要通过对原料磷矿的选择得以实现 ，从根本上说这 是一种从源头控制的绿色手段 ，但此举也受到当地磷矿 资源条件的制约。 再者又如磷酸生产企业在对磷石膏选 择输渣方式 (有 干排 渣和湿排渣两种 ) 时，必须结合企 业、渣场情况认真进行方案比选。 ②磷石膏中常含有镭等放射性元素，其 中的放 射性物质来源于磷矿石 。 如果磷石膏放射I生核素比活度 超过 GB6566 —2001((建筑材料放射性核 素限量》的允许 值，则应在磷石膏的资源化过程中，根据其 目标用途 ，掺 配其他材料混合使用， 以确保混合后的建材产品中放射性核素比活度符合国家标准的要求。 ③ 由于磷石膏 的产生量 巨大 ，对其资源化应着 眼于用量大 、附加值高和技术含量高的有示 范效应的磷 石膏基材的研发 ，由磷石膏制得的化工产品应是经济发 展所 急需的短线产品， 以保证磷酸生产企业有一定的经 济效益，方能实现磷石膏的可持续利用。 第四 ，中 国磷肥工业协会制订的磷肥工业“十一五” 规划中的一项重要工作就是磷石膏综合利用，争取今后 五年内将磷石膏的利用率由目前不足 10％ 提高到 20％ 。 另一方面则应抓住 国家明令逐步取消黏土砖的机遇，通 过生产水泥缓凝剂 、砌砖等方式和途径 ，使磷石膏的综合利用有一个稳定可靠的保障，从而在根本上解决磷石膏 的资源化问题。

三 农村固体废弃物处理现状及对策分析

固体废弃物是一种不可忽视 的污染源 ，不仅 给环 境带来严重的污染 ，还严重威胁 了人体 的健康 。关于城市固体废弃物 的处理，目前已有很多研究报告和管 理规范出台，受到了学者和的普遍重视，但在占国土面积 90％的农村，其固体废弃物的处理现状却不 容乐观。固体废弃物 的乱堆乱放 ，已严重影 响了农村环境 ．威胁着农民的身体健康 ．成 了现代农村面临的一大难题。 1 农村固体废弃物处理现状 1．1农村固体废弃物的来源

农村固体废弃物的成分很复杂 ，包括生活垃圾 、 农业及养殖业废弃物 、工业固体废弃物 、建筑垃圾 、医 疗垃圾等。以前，农村生活垃圾以厨房剩余物为主，而 且大多数厨房剩余物可作为畜禽饲料，而使得生活垃 圾 自生 自灭。近些年来 ，农村居民的消费结构发生了 很大的变化，引起农村生活垃圾成分也发生了明显的 改变。农业地膜的使用，畜禽产生的大量粪便 ，更是加 剧了农村环境 的恶化。一些高污染企业近年来都 向边 远地区或者农村转移 ，给农村经济带来发展的同时 ， 也为农村环境的破坏埋下 了隐患。乡镇工业在农村的 发展，存在着自然资源的过度利用、工业布局混乱、工 艺设备落后以及环境管理手段薄弱等问题 ，给农村的 环境造成了很大压力。而城市固体废弃物向农村 的转 移，更是加剧了这一问题的严重性。在农村存在着很 多赤脚医生，虽方便了居民看病 ．但其对医疗垃圾的 随意丢弃 ，造成 了很大的健康安全隐患 。以上是从一般意义上来说的农村固体废弃物来源 ，具体 的地方需 具体分析 ．其分析方法及手段可参考刘永德等人的研究 1．2农村固体废弃物的特点

从农村 固体废弃物的来源与成分分析来看 ，可以 将其归于 以下几个特点 ：数量大 、成分多 、面积广 、治 理难。农村人 口多 ，占全国的 70％左右，产生的固体废 弃物量就大。近年来 ，一些难以 自生 自灭的废弃物 ，如 包装废弃物 、一次性用 品废弃物等在农村大量地出 现，如婴幼儿使用的一次性尿不湿、妇女卫生用品、废 旧衣服鞋帽等 ，尤其是塑料制品 、玻璃 、陶器 、废 旧电 器 、电池 、磁带 、光盘 、玩具等在农村 固体废弃物 中的 比例逐年增加。另外，随着农民生活条件的改善，液化 气的普及利用和化肥的滥用 ，许多有机垃圾如秸秆和 稻草等未被利用或还 田，而是作为废弃物被随意丢 弃，使农村生活垃圾数量和成分上发生很大变化。由 于农 民居住 比较分散 ，不像城市那样集 中，哪里有人 或者住所 ．哪里就有 固体废弃物 的存在 ，其分布面积 广 ，给集中治理带来 了难度。 1．3农村固体废弃物的处理现状

普遍说来 ，中国农村的固体废弃物存在着随意丢 弃 、随意焚烧的情况 ，基本上没有无害化处 理。在农村，按传统的观念．主要是靠“垃圾堆”这种方式收集 和堆放垃圾，然后再通过焚烧等方式解决。经济发展 水平在很大的程度上决定了农村固体废弃物的处理情况 ，在经济相对发达的地 区 ，如深圳 、上海 、浙江及苏南的农村地区．垃圾处理状况要比其他农村地区来 得乐观一些 ．很多地方都设置 了固定垃圾池 ．有些地方还实行了上门收垃圾。但实践表 明，由于受到资金 筹集等方面的因素制约 ．固体废弃物污染仍然 比较严重。在经济发展相对落后的地区，其农村固体废弃物 一般不经处理而直接乱堆乱放 ，破坏 了村容 、侵 占了 土地 、污染了地下水及河流 ，对农村环境造成 了严重的影响 ．必须采取措施加以解决 。 1．4农村 固体废弃物处理现状的原因分析

分析农村固体废弃物处理不力 的原因．主要有以 下几点 ：一是长期的生活 习惯 ，以及环保意识相对薄弱 ：二是资金投入不够 ．固体废弃物存放的基础设施 落后；三是没有专门的环境卫生保洁队伍；四是农村 固体废弃物分布较散 ，且面积较大 ，不利于收集 ；五是 农民收入低，固体废弃物收费难于实现，治理资金难以筹集 ：六是 固体废弃物处 理没有一个系统 的、长远 的统筹安排和规划 ；七是政绩评定机制不完善 ，未能 将

农村环境保护纳入考评机制中；八是国家环保监测 网点 ，对乡镇及 乡以下企业的监测 ．能力也是有限的，一些怵 目惊心 的案例与数 字 ．还未见诸报告 ；九是 一 些农村 固体废弃物处理与处置工程 ．如秸秆气化工 程 ，缺少技术支持。

2 解决农村 固体废弃物 问题 的方法探讨

2．1宣传教育经常化

针对村民的环保意识薄弱问题．应加大宣传力 度，努力提高农村干部群众的环保意识。各有关部门 和单位应充分利用村广播 、电视 台、地方报纸 、村头标 语 、办画廊 、发资料 ，以及通过志愿者参与和农村社 区 公益宣传等多种形式，切实做好宣传工作 ，提高农村 干部群众对垃圾治理的责任意识和参与意识 ，引导大家养成文明健康的生活习惯。同时要大力宣传环卫和 固体废弃物治理工作的成果 ，建立和逐步完善公众监督机制 ，及时通报在 固体废弃物治理 中存在 的问题 ， 并广泛征求村民的意见和要求 ．使广大农 民和社会各界积极参与到所在地的固体废弃物治理工作中去。 2．2管理方法科学化

坚持把农村 固体废弃物治理 的具体工作 纳入新 农村建设整体规划中去 ，有计划、有重点、分期分批地搞好农村生活垃圾治理 ，以及对相关设施设备 的投 入 。根据“村收集 、镇运输 、区处理”的管理模式 ，可 以 实行村落联合处理处置，集中资金，形成规模 ，产生经 济效益。必要时，可以与邻近的乡镇联合起来建立联 合收集 运输 系统 ．形成规模化处 理 ，使农村垃圾处理 工作逐渐走上了规范化轨道。但区别于城市垃圾 ，农 村垃圾成分更趋复杂 、分布面更广 、收集更为困难 ，并 存在就地处理便捷 、人力资源丰 富、转化利用率高等 特点．农村垃圾这一特征决定了必须探索一条与农村 实际情况相吻合 ，与经济承载实力相适应，与城乡统 筹发展相一致的科学处理模式l 21．并根据各地实情有针对性地选择应用。 2．3筹集资金有效化

因建立农村 固体废弃物处理与处置系统需要 大 量的资金 ．考虑到 目前的农村 固体废弃物处理现状及危害，国家应该加大农村 固体废弃物处理与处置的力 度 ，提供更多的资金支持 ，保障新农村建设 ，且还应鼓 励社会资金向农村公共卫生服务设施倾斜 。农村干部 需争取各级 的资金支持 ，即省 、市 、区、镇各级拨 款 ．再 向辖 区内单位或个人收取一定的农村 固体废弃 物处理费．积极倡导个人捐助一点，实行专款专用于 固体废弃物清扫 、收集 、清运及终端无害化处理等工 作经费 ，切实解决处理资金不足的问题 ，尽快建立长期稳定的投入机制 。 2．4固体废弃物减量化

相对城市来说 ．农村生态系统较稳定 ，环境容量 较大。应充分利用农村这种巨大的环境 自净能力 ，如土壤 水体 、大气和生物的稀释、扩散 、降解 、吸收和转 化等作用 ．建立农村环境 自净体系 ，以就近分化掉最 大量垃圾 ．把需要集中收运处理的固体废弃物量降到 最低点。还可以建立人工 自净体系，主要有扩大绿色覆盖率、修建氧化塘、保护 自然天敌和益鸟、推广生物 防治等。根据农村 固体废弃物成分特点 ，既有可就地填埋的瓦砾砖块 。也有可就地堆 肥的菜 叶瓜皮 ；既有 可收集降解 的塑料橡胶制品，也有可回收利用的金属玻璃制品等 ，有必要实行就地分拣 回收处理 ．实现减量化分类。另外 ，还应鼓励村民购买绿色产品 ，多使 用农家肥 ．从源头上减少一些难降解物质的引人。 2．5固体废弃物资源化

废弃物是放错地方的资源 ，一些 固体废弃物通过 处理 ．可以进行资源化利用 。例如 ，在广大的农村地区，应加大沼气建设 ，发展农村沼气 ，因为它可以在解 决群众生活用能的同时．带动养殖业和高效种植业 的发展 ．不仅 提高了农产品质量和产量 ．而且从各个方 面直接或 间接地促进了农村经济的发展 ，具有显著 的

经济效益。食物垃圾进行生态堆肥，那些塑料橡胶、废铜烂铁 、玻璃制品等可卖给回收公司以进行再生利用 ．不能回收的碎砖石块等 固形物作为建筑道路填充 物铺垫填埋 ．有效减少固体废弃物运送成本 和资源浪费 ．最大程度地减轻农村 固体废弃物处理的费用负 担 2．6固体废弃物无害化

农村生产过程中产生的牲畜粪便 以及菜帮 、菜叶 等都在沼气池中得到无害化处理 ．而那些有害废弃物如 电池 、残 留农药瓶等则单独集中处理 ．集中后待运 至垃圾场，经过分类压缩的垃圾集中无害化处理是农村垃圾处置的后道程序 。一般说来 ，目前 比较有效 的 无害化处理方法是焚烧发电．它是 目前世界各 国广泛 采用的垃圾处理技术 ，主要通过垃圾焚烧来发 电，焚 烧后 的废渣用来制砖 ．产 生的余热用来发 电．形成一 个完整的循环经济链。但由于其处理成本 的 ，大 多农村 的固体废弃物都是作卫生填埋处理 。当然，要彻底地清除那些有毒有害固体废弃物，还需要优化农 村固体废弃物收集及运输系统 ．保证 垃圾桶 、垃圾 中 转站及相关垃圾运输车辆的数量。

四 生命周期评价

确定满足环境需求的产品设计方案需要指导改善措 施下使用能够量化开发产 品环境绩效 的工具 。此外 ，只有对产品生命周期持系统观念才可确保这些措施减少对 环境的风险 ，并避免简单地将环境影响从一个生命周期 阶段 转(LCA)是一个客观的用于评价相关产 品整个生命周期 环境影响的 目标程序。通过定量测定全部转移过程中产 品系统与生物圈之问的交换 ，从原料提取到它们 以废弃物的形式返 回生物圈的整个过程。

1 环境分析与生命周期评价

环境影响可被定义为 “任何对环境的改变，无论有 害或有利 ，全部或部分受组织 活动的影响 、产品或服 务” (ISO14001，1996)。试 图减少生产 活动对环境的 负面影响的一个最大的困难是定性或定量地评估这些影 响，以便 随后可以采取适 当的措施来抑制它。虽然为了 评估环境影响 (环境影响评价——EIA)开发的方法多 种多样 (Jain等，1993)，且影响 的识别 、测 量与解 释各不相同 ，但它们一般都存在一些相同的重大局限性 ：

· 它们是针对特别案例开发的。

· 这些 方法 没有评 估结 果 可靠性 和 稳定 性 的可 能性。 · 它们不是从前面讲座所提到的生命周期方法的 前提下开始的。

唯一 的方法是生命周期评价，不 同于这些局限，因 为它克服了基 于第二讲中所提到的前提下的环境影响评 价的方法。实际上，LCA是评估生产工业活动相关资源 消耗以及废弃物排放的一个客观过程。它是通过全部转化过程 中涉及的产品系统 与生物圈全部流动交换的定量要求 ，从原料提取到以废 弃物的形式返回生物圈，来评价这一活动产 品的整个生 命周期。 1．1 起源与演化

第一个有关量化原材料消耗与生产过程能源效率的研究可以追溯到 2O世纪 60年代 。受到一些暂时的发展 模式的巨大影响，这种发展模式描述了世界人 口快速增 长与 自然资源的情况的特点 ，化石燃料与矿产资源 的缺乏 ，伴随着能量转换过程中过度热量排放所造成的 气候变化 (NAS，1969；Goldsmith等 ，1972)。

作 为一个直接后果 ，这些研究主要面向成本评估 ，常规能源生 产与替代能源的环境意义 ，以及工业过程 中能源生产的 效率。虽然这种类型的评价是基于能源分析的，但它们 还需要流动的平衡表编制来描述审查过程。因为后者不 能脱离于原材料消耗的量化与固体废弃物的产生 ，这些 早期的能源研究也是所有资源流作用 的重要分析。其中 一个最重要的第一个具体证明是环境问题 的新方法被应 用于工业化学领域 (Smith，1969)。

同期我们看到的第一个有关大众消费产品的重大投 资 ，包括 中西部研究所以及后来的弗兰克林协会 ，以可 口可乐公 司软饮料 的不 同容器为代表进行 的一项研究 (Vigon 等， 1993；Caftan，1996；Hunt和 Franklin， 1996)。这项研究经常被作为进行 资源与废弃物的清单分析 的例子 ，因为它具有量化原材料 、燃料和环境收费与审议各种类型容器生产过程的目标。

受 20世纪 70年代初期石油危机的影响 ，量化资源消耗与返馈环境的过程 ，由于工业产品的制造开始有 了 明确的方法结构，因此在美国被称为 “资源与环境概况 分析”(REPA)(Hunt等 ，1992)。一项 由美国环境保护 局进行的饮料罐的 REPA研究 (Hunt等，1974)可被看 作是典型的现代 LCA的先驱。同时，欧洲类似的研究介 绍的方法被称为 “生态平衡 ” (Vigon等，1993；White 和 Wagner，1996)。这些研究 都集 中于原料与能源的消 耗，以及废弃物的产生 ，符合有关排污过程信息的环境辩论 ，特别的污染特性与潜在的环境影响仍然受到。

从这些最初 的研究可 以看出 ，从环境结果 角度出 发 ，对工业生产体系的完整研究 ，唯一有效途径是量化 检查它们的运行 ，顺着原材料 的路线 ，从原料 提取开 始 ，经过所有的转化过程 ，直到它们以废弃物的形式返 回生物圈 (“从摇篮到坟墓”)。

主要的刺激导致的这种方法是最近才得到 了理解 ， 集中于只用单一生产过程的传统方法更加有效，而不用考虑相关活动的整个 系统，这是完全不够的。这一结果 对于有关的环境 问题更加真实准确，因为单独考虑一项 工业活动 ，通过简单地将污染转移到其它地方，似乎更 加清洁有效 ，同样的l工业体系的其它部分产生的新的环 境评价给环境带来的好处 ，而没有得到任何真正的全面改善 。

由于 20世纪 70 1年代末 到 80年代初 ，石油危机不 再被作为一种刺激 ，因此人们的注意力从节约资源转移到了对污染废弃物的管理。然而 ，研究一直持续到了产 品与工艺过程的环境概况 ，最重要 的是这样两个 主题 ： 工艺 流 程 的 能 源 效 率 (Boustead和 Hancock，1979； Brown等，1980)；包装 的生 产 和使 用 (Bfidgwater和 Lidgren，1983；Boustead和 Lidgren，1984)；特别 是饮料容器 (Lundholm和 Sundstrom，1985)。最后这个问题 在欧洲尤其显著 ，已达到了应尽快成立一个欧盟委员会 的特定机构 (环境 理事会 )来解 决环境 问题 的程度 ， 注意力立刻集中到了生产与推广容器的环境后果的问题上。一项促进检测原料与能源消耗 以及 固体废弃物产生的具体指令是与相关产品类型联 系起来 了 (欧盟指令 85／339，1985)。

1．2 生命周期评价与形成的介绍

产品环境评价一 般方法 的最终发展出现于 20世纪80年代末 ，并有两个连续 的阶段 。最初 ，强调 固体废 弃物流动的环境 问题 ，导致了人们将感兴趣 的领域被扩 大到了循环回收以及废弃物处置 ，在清单分析中完全实 现了生命周期方法 (生命周期清单——LcI)。后来 ，人们更加关注从单独的清单分析转移到对环境后果的全面评估 (生命周期影响评价——LcIA)。

这些 的刺激导致 的普遍理解认为评估与分析方法 的发展需要一个明确和迫切 的一般结构。1990年 8月 ， 环境毒理学和化学学会 (SETAC)在佛蒙特组织 的会议 是对这一需要 的直接 回应 。这里 的术语 “生命周期评 价”被创造并 定义为 “一个评估 环境负荷与确定 和量 化能源与物质的使用 ，即：将废弃物排放到环境

中的产 品或活动的客观过程，并且评估和执行影响环境改善 的 机会” (Fava等，1991)。生命周期方法明确强调 ：“这 个评价包括产品、过程或活动的整个生命周期 ，包括提 取和加工原材料 ；制造 ，运输和销售 ；使用 ，再利用 ， 维修；回收和最终处置。”

2 生命周期评估 的前提 、属性和框架

ISO14040系列标准是基于 1990年代初期 SETAC确定的一个初步的结构 。LCA最基本的定义是 SETAC提案 的一个简要总结 ，可被理解为 “投入、产出，以及产品系统整个 生 命 周 期 的潜 在 环 境 影 响 的汇 编 和评 价 ” (IS014040，1997)。这个方法的结构基于以下几个前提： ·从 “摇篮到坟墓 ”的观点分析产品系统基本活动 与环境的相互作用。 ·生命周期 的方法在 前几讲 中得到了全面充分 的 讨论。

·对环境影响的分析是基于多方面的，它评估了所 有的环境 影响和损失 ，可能是因为产 品系统 间的相互 作用。

·对活动的评价和 比较是 与一个功能单位相关 的， 因此符合相同功能产品的等价原则 (即，要求初步定义 参考功能单位 ，量化产品系统性能单位 )。 2．1 生命周期与产品体系的定义

ISO标准定义的生命周期也充分反映 了 SETAC的草案和前面所讨论的概念。实际上 ，它将产品的生命周期 定义为 “一个生产系统连续 的、相联系的阶段 ，从原料 获取或 自然资源的产生到最终处置 。”产品系统被理解为 “物质与能量的收集相关的单位过程 ，执行一个或多个确 定的功能”(ISO14040，1997)。

同样，根据 LCA常规结构 (Fava等，1991)，生命周期重要阶段 的划分与第 2讲描述的极为相似： ·原料采集——包括需要从环境 中获取物质和能源 的所有活动和过程 ，都是从原料提取开始的。 ·加工和制造——包括需要将资源转化成为所需产 品的所有活动和过程。 ·销售——包括运输、储存和分 配的所有活动，使 产品到达客户手中。

·使用 、维护、修理——包 括产 品使 用 的整个 阶 段 ，包括所有类型的服务 。

· 回收——在产 品使用阶段之后 ，包括所有 回收选 择 ，内部 (闭环)以及外部 (开环 )，回到生命周期的 起点。

·废物管理——鉴于产品不可循环的功能，构成最 终废物处置的管理。

总之 ，这些阶段组成 了 “从摇篮到坟墓” 的完整体 系。然而，对于部分 LCA，在一个 完整的系统 中，定义 一个或多个层次 (门)，可使 LCA分为更多种类 (Todd， 1996)： ·摇篮 到 门——从 上 游 阀 门到 生 命 周期 部 分 的 分析。 ·门 到坟 墓——从 下 游 阀 门到 生 命 周期 部 分 的 分析。

·门到门——两个阀门之间生命周期部分的分析。 2．2 LCA方法框架

如 2．1小节中所述 ，LCA的第一个例子基本上包括了物质与能量的量化 ，以及固体废弃物的产生。对于这些研究 ，环境要求已有所改变，因为有了一个生命周期 环境分析完整和完善的水平。这个水平从第一个方法结 构 (Fava等 ，1991；Consoli等，1993)，以及 随后 的发 展开始 (Vigon等，1993；Fava等 ，1993；EPA，1995) 已大大提高 ，到达了 ISO标准确定的最终形式。

LCA框架 目前的发展状况 (根据 ISO标准，特别是生命周期清单和生命周期影响评价的阶段)， 最近在研究中被提议 (Rebitzer等 ，2004；Pennin~on等 ， 2004)证明了仍然存在争议 ，以及 目前 LCA部分应用的 主要领域中的关键问题 。

目前，一个完整的 LCA有 四个主要阶段 ：

· 目标与范围定义——根据将要进行的分析和一套初步假设的目的定义第一阶段。这要求确定评价类 型 (目的是改善系统或 比较替代 系统 )；检查生产 系统边 界；清单和分配的相关功能单位、假设以及参数 ；考虑 各种影响。

·生命周期清单 (LCI)——包括整个生命周期投 入、产出等额编制和量化。这些数据可从各种来源获得 ， 例如直接测量，以及数据库和文献信息。

·生命周期影响评价 (LCIA)——组成 LCA阶段 ， 清单数据转化为潜在环境影响 ，评价其规模和意义。常 规的过程包括分类清单流 (分类 )，以及定量描述不同 影响的类别 (描述)。影 响类别包括臭氧层消耗 ，酸化 ， 富营养化，气候变化，资源枯竭等等。在分类 中，确定LCA的投入 、产出被分配到影 响类别。在描述 中，每个消费或排放的影响潜能是乘 以由每个影响类别各自的影响评价因素 (或性质 因素 )的消费或 排放数 量来计算的。然后将影响数据的结果标准化和分配权重 (权重)，获得对环境影响的单一指标。 · 解 释 (根 据 ISO 标 准 ) 或 改 进 分 析 (根 据 SETAC)——在这个最后的阶段 LCA或 LCIA的结果按 计划 目标来评估 ，以便制定最终的考虑和改进指令。

对于量化清单分析参数的概述 ，应当考虑产品系统的环境影响，其中也 提出了一些介绍有关评估环境影响的问题 。 组织划分为四个主要阶段对于 SETAC提出的第一个 方法框 架 与 国际 ISO标准 定义 的标 准 是共 同的。一个最重要的区别在于 ，评估影响阶段 (LCIA)与最终阶段 (解释或改进)。关于 LCIA阶段，SETAC结构与 ISO标准的区别为：

·在SETAC方法中，影响评价结构更加严格，不仅 提供了分类和描述，还提出了最后的评估行为，而权重 的程序被应用于不同类型的影响，以取得数据进行比较 和集中。这些数据被作为依据，以便决定应采取的行动 (Fava等，1993)。

·在 ISO标准中，强制性和非强制性过程中存在很 大的区别。必须考虑到环境影响的选择 (选择)，分类， 以及描述，这些都是强制性的。非强制性过程中 (标准 化，分组，权重)关注描述阶段结果的拟定，以获得可 用于全面评估的简明指标 (ISO14043，2000)。 在最后阶段，SETAC的结构与 ISO标准的区别如下： ·在 SETAC方法中，表明了改进分析，并将注意力 集中于制定干预措施以改善环境绩效的可能性 (Fava 等，1991)。

·在ISO标准中，表明了解释，并涉及了更广泛的 干预，包括敏感性分析和结果不确定性的评价，以及制定最终建议 (ISO14043，2ooo)。

2．3 Iso标准中的 LCA阶段 ISO14040系列标准包括组成 LCA的所有主要 阶段 。表 4．2显示 了这些标准 的主要标题 ，及其具体 内容的总结。表中下面的部分也显示 了技术报告信息 以及属于同 一组的初步文件 ，但 尚未形成正式标准。这一小节给出了标准的详细讨论 ，给出了特别的重要意义 ，为 LCA方法目前的范围和特点提供了一个更完整理解。

2.3.1 IS014040：1997——原则与框架

这一标准概括了某些重要的问题 ：

· 目标与范围——LcA的 目标和范围必须 明确定义， 并与应用相一致。因此，研究 目标 的明确声 明是至关重 要的。

·功能单位——这是一个测量 的参考单位 ，用 于处 理和显示 LCA的数据与信息。根据标准，一个功 能单位 包括 “产品系统功能产出绩效的测量 。”功能单位定义 的主要 目的是提供一个联系投入产出流的参考单位 。

· 系统边界——有关的定义是精细的操 作，因 为这些 “决定哪些单元过程应被纳入 LCA。”第一个边界 的划定是通过考虑物理环境与生产过程得出的。然后才能 排除那些在很大程度上无关或难以用细节表示的部分 。因 此，很显然 LCA应用 的领域是十分 主观的 ，而且基本上取决于分析所计划的深度 。在所有情况下 ，“用于建立系 统边界 的标 准应合 理确定 研究 的范 围” (IS014040， 1997)。

2．3．2 IS014041：1998——生命周期清单 (LCI) 清单的目的是提供一个客观的数据 ，可加以阐述和解 释 ，在决 策 阶段 获 取有用 的评估 。清单 分 析 的主要步骤是：

·模拟产品系统——包括足够详 细的开发示意模型 ，以代表问题中系统的执行过程 ，详细程度取决于每种情况 下 LCA的目标 ，以及系统组成部分的复杂性和艰巨性。

·数据的收集——清单 数据 的收集 “涉及投人产出 的定性及定量描述 ，需要确定过程的起始与结束 ，以及过 程单元的功能。”这时使用准备记 录。问题 中的数据被列 为 “主要数据”，通过直接测量获得， “次要数据 ”派生 出来的数据一般从文献 中获得。

·分配程序——真正的工业过程很少只有一项产出； 因此 ，“物质与能量流 ，以及相关 的环境排放数据明确规 定 的程序应被分为不同的产品。”分配程序允许对个别程 序不同的副产品相关的能量和环境的收费。通过这些联系 能够进行研究复杂的系统 ，使用能源和环境指标来归纳它 们的行为 (IS014041，1998)。 2．3．3 IS014042：2000——生命周期影响评价 (LCIA)

LCIA针对环境影响评估 ，揭示资源消耗与整个生命 周期产生的排污的后果所产生的巨大影响。评价的困难在 于确定存在于生命周期执行期间的行为与这些行为对环境 的影响之间的关系。这些环境影响 (温室效应，臭氧层破 坏，酸雨，富营养化 ，光化学烟雾，有毒物质 ，资源枯竭 等等)分为地方、区域或全球性影响，并被理解为影响类 别 (例如：影响类别 “代表关注可能被分配的 LCI结果的环境问题”)。LCIA分为不同阶段 ，一些是强制性的，另一些是选择性的。强制性的阶段有：

·选择——包括选择必须加 以考虑 的环境影响，以 及代表这些影响相应的环境指标。 ·分类——包括编制清单数据，联 系不 同的环境影 响 ，联系各种影响。

·特征化—— 目的是定量确定相关各种不 同影响类 别环境指标 (类别指标)的价值 ，计算包括转换普通单 位 LCA的结果 ，以及按影响类别汇总转换结果。

额外的非强制性 阶段可完成 LCIA。它们的应用取决 于 LCA的 目标。被称为标准化 ，分组和权重 ，这些阶段 包括描述阶段的拟定结果，以获得用于检查过程执行全面 评估。标准化和分配权重的方法不同，且不规范——它们 都涉及不同的参数 ，往往与人为的和有争议的因素联系在 一起 (ISO14042，2000)。 2．3．4 ISO14043：20o0——生命周期解释

LCA最后一个阶段为前阶段得到的数据提供了一个解 释 ，在此数据基础上确定应采取的行动，目的是减少系统 的环境影响。这个方法的意义是，在改变生产过程后 ，有 必要重复进行 LCA，以确认这一改变确实使情 况有所改 善 ，而不是恶化了。这个阶段往往被理解为能够在清单分 析结果与哪些影响分析 中建立一个有效的结果的步骤 ，以 便对研究确定的目的和目标提 出一个有用的建议。这个程 序是十分主观 的，ISO14043标准建议在前阶段 获得 的数 据必须形成一个明确的可理解的方式 ，以便为改进的干预计划提供有用的指导 (ISO14043，20oo)。

3 生命周期评价的应用领域及局限

ISO参考标 准表 明了 LCA应 用的广 度和各个领 域。 LCA在不同背景下可对从产品开发到环境规划提供有 效的支持作用。

在产品开发中，LCA被用于识别一个机会，以提高产 品生命周期的环境绩效。在产品开发中，目标是生产体系 的分析和改善还有不同系统间的比较，LCA可帮助确定检 查解决方案的环境评价。它还可帮助确定最佳设计战略和 标准，选择最有效的 (从环境角度看)替代方案 ；发现 最清洁的技术。关于环境规划 ，在单

一工业活动层面 和层面 ，LCA在决策中是最有效的工具 ；它可用于确 定复杂系统的环境评价，产品的环境危害，以及确定每个具体问题所应采取的最佳战略。

与此广阔前景相反，应注意到 LCA一些重大的局限。 虽然 目前可认为它是可用来评估产品环境绩效最有效的工 具，多数问题可归因于它的方法 (在过去十年中已十分明 显)，但其局限性仍未得到完全解决 ： ·每个 LCA基础上的初步假设 (例如：定义系统边界，选择信息来源 ，以及确定检查影 响类别 )都是主观的，并且对评价的最终结果有决定性的影响。

· 清单合并阶段基础上 的大量数据 的质量和可靠性 的不确定性可整体分析技术的可靠性 (Ayres，1995；Weidema和 Wesnaes，1996；von Bahr和 Steen，2004)。

·LCI和 LCIA阶段下的模型和过程都受到进一步的 假设和缺 陷的 (Baumann和 Rydberg，1994；Guinee 和 Heijungs，1995；Ekvall和 Finnveden，2001)，这对最终结果的影响很难控制。 ·LCI阶段 中时间和空间的缺乏导致影响评价结果的 不确定性 (Udo de Haes，1996)。

由于这些局 限性 ，针对 扩大 LCA潜力作了许多努力 (Udo de Haes等 ，2004)。一些更加重要的结果将在 以下 章节中考虑。然而 ，ISO标准 中明确提 出的建议 仍然有效 ：“LCA研究中开发的信息应被用于更加全面的决策过 程 的一 部 分 ，或 用 于 理 解 广 泛 的或 一 般 的交 易 中” (ISO14040，1997)。

4 实用方法与生命周期评价工具的概述

LCA方法框架的描述揭示了其复杂性及其涉及的许多 问题。显然 ，实施一项分析技术与这样一个复杂的结构需 要方法与分析工具的开发来支持最重要的阶段。因此 ，从 1990年代第一次编制 LCA的研究开始，就 出现了实用方 法和工具的广泛使用 ，以实现这一 目标。下面的概述划分 了这种工具两个主要的类型： ·完 整 LCA工具 (完全 LCA)，不 断发展 以满足 LCA阶段克服应用困难的需 要，例如：4．2小节所描述的，尤其是那些关于将清单数据转化为 LCIA环境影响类 型指标的过程。

·简化 LCA工具 (简化或精简 LCA)，当它无法整 理完整 LCA要求的数据时 (在任何情况下 ，在开发的早 期阶段由于时间和成本的不充许)，不断发展以满足在产 品设计与开发的第一阶段进行环境评价的需要。 正如下面将要说明的，第一种工具一般是定量的，而 第二种工具可进一步分为定量的和定性的工具。定量工具 使用了更大量 的数据 (和经验 )，制定职 能测定 环境绩 效 。因此 ，这些评价更客观且易证实 ，但需要更详细的信 息 ，只能在已完成的设计的某一点获得。反之 ，定性工具 是基于主观意识和评价之上的。因此 ，它们容易执行 ，因为它们只需要有限的数据 ，但其结果不明确或不易证实。 4．1 完整 LCA

正如 4．2．2小节中所注意到的，LCA方法框架在第一 个 SETAC结构与 ISO标准 中是相 同的。影响评价阶段中 一个重要区别，SETAC结构不同于 ISO标准的是影响评价 提供了分类和特征化以及一个估值的决定性步骤，其 中分 配权重过程被用于不同的影响类型。这些程序的 目的是获 取数据，以用于决定应采取的行动 (Fava等，1993)。在ISO标准中，这一最后 阶段包括了选择性的，而非强制性 的程序 (IS014042，2000)。

在所有情况下 ，显然 LCA的有效利用作为决策和选 择的方法需要清单分析 阶段的详细结果，提供简明的指 标，使设计师做出一个明确的完整的评价。各种方法和分 析工具 (定量的)建议这一 目标不仅考虑它们环境影响 的类型，还有特征化，标准化和分配权重的过程。一些最 被熟知的情况见表 4．3，依为参考。一个更广泛的概况和 它们不同点的细节描述，可在一些比较不同方法的研究中 发现 (Braunschweig等，1996，Finnveden，1996；Hertwich 等，1997；Powell等，1997；Dreyer等，2003)。 4．2 简化 LCA

虽然 LCA是 目前评估一个产品或系统环境绩效最有 效的技术 ，但其复杂性 了它在产品设计阶段 的使用。 目前 ，当分析 中可得到的数据更加完整可靠 ，而 LCA指 导产品开发过程不可行 时，它只应用于设计 的最后 阶段 (Bhander等，2003)。简化 LCA的概念被开发 用在设计 阶段即可评估产 品影响 ，迅速 回应 设计师 的具 体需求 。这种方法是为 了克服完整 LCA的主要缺点，它们是 ：

·分析与评估过程的复杂性和耗 时，与迫切 的需要 对 比，以缩短时间。

· 必须使用大量数据 ，在设计开发的第一 阶段往往 很难获得 ，需要环境专家 的干预 。 ·难以解释结果 ，通常包括广泛的数据 ，令设计师 与产品开发团队成员难以理解 。

为 了克服这些 缺点 ，各种研究 审查 了开发各种新方 法实施 简化 LCA的可能性 ，通常被称为精简 LCA (Todd 和 Cuban，1999)。

在 LCA不同阶段 ，其简化 的主体通常是清单分析 阶 段 (例如 ：成本高 ，费时的阶段 ，并 提出最 有潜力的精 简 ) (Christiansen等 ，1997)。从这个角度 出发 ，简化的策略针对分析边界，消除生命周期 的所有 阶段 (如 2．1小节中指 出的 “从摇篮到闸 f-j”LCA)，或减少活 动描述所需的参数。这 可通过 分析 目标和范 围，以 及简化清单分析和影 响评估使用 的模型和过程实现。另外，为了便于信息收集 阶段 ，可使 用替代数 据和定量 、 定性数据。在实践 中，可采用许多策略来 “精简” LCA， 广泛 使用 的描述 可在 许 多文 献 中可 以看 到 (Graedel，1998；T0dd和 Curran，1999)。

目前 ，简化 LCA包括大量工具 ，既有定 量的，也有 定性 的 (Tolle等 ，1994；Graedel等，1995；Wenzel等 ， 1997；Biswas等 ，1998；Bey等，1999；Sousa等 ，1999； Fleischer等 ，2001；Chen 和 Chow，2003； Ryu 等 ， 2003)。一般 情况下 ，它们是直接来 自于 LCA过程 ，且 其环境数据往往来 自前面 的完整 LCA。表 4．3中给出的 一些影响评价方法可用于简化 LCA的工具 (尤其是生指标，EPS，和 MET—points方法)。

在所有情况下 ，这些工具 的 目的是评价开发产品的 弱点 ，量化实 现的环境条件 ，评估设计 干预 的有 效性。 它们的类型不同 (系统的指导方针 ，检查表，评估表和 矩阵 ，数学模型)；实施过程 ；分析生命周期阶段；测量 环境影 响类 型；以及最后 结果 的形成。近几年工具 的传 播及其特点的多样性 ，通过 比较不同类型的研究报告 的 发表得 以证 实 (Hunt等 ，1998；Luo等 ，2001；Emzer 和 Wimmer， 2002； Hochschorner和 Finnveden，2003；Lee等 ，2003)。

然而 ，应 当注意的是 ，尽管简化 LCA技术得到 日益 的关注与使用，但它并 不能总是充分认识到这种简化在 何种程度上影响到所得结果 的有效性，正如与完整 LCA 结果比较 的研 究所示 (Hunt等 ，1998)。因此，这些技 术有时会破坏这种重要工具的性能。

4．3 替代方法 目前状况下 ，4．3小 节描述 了 LCA参考方法结构和 基本方法的各种关键 问题会 结果 的有效性。其 中最 突出的主要缺点是 LCA中时间和空间的缺乏 (如 ：以上 所注 意 到 的，导致 了成 功的 LCIA阶段 结 果 的不 确 定 性)，以及没有涉及 经 济与社 会方 面 (还有 环境 方面 ， 构成可持续发展的三个主要因素 )。解决这个 问题的一个 方法是 ，在传统结构背景下细化 LCA，以扩大其潜力和 目标 (Udo de Heas等 ，2004)。

此外 ，还可采用完全不 同的方 法 ，例如 ：将 环境 与 经济二者结合起来分析的方法 。这种方法最重要的是基 于活动的 LCA和投入 一产出 LCA。

4．3．1 基于活动的 LCA

基于活动 的 LCA来 自于 LCA方法 的应 用以评 估成 本 ，从 1980年代中期开始广泛应用 ，称为基于活动的成 本 (Cooper，1990)。与传统成本分析不 同，每个单位产 品消耗的资源 (基于过程的分析 的基本概念 ，

例如 ：传 统 LCA本身)，这种方法始于产品或 服务不直接使用资 源 ，而是消费活动的假设。基于活动 的 LCA包括基 于活 动的成本 的延 伸，明确地看作设计 与管理决策的辅助 ， 能够在不确定 的条件下评 估经济成本 ，能量消耗 ，以及 废弃物的产生 (Emblemsvag和 Bras，1997)。

4．3．2 投入——产出 LCA

投入 一产 出 LCA (IO—LCA)是基 于投入 一产 出经 济分析 (IOA)方法结构 ，可 以重组整个 经济系统所有 投入 一产出流。这种分析方法证实 了同一系统下不 同经 济部门之间的相互依存关系 ，反过来，基于同一经济模 式平衡中的投入 ，每个部门需要其他部 门生产的单位产 品是具体 的 (Leontief，1986)。这 涉及到定位 简化的假 设 ，一个部门生产的商品的增加导致这一部门收到所有 其他部门的推动 ，投入成 比例增加。投入 一产出分析最 初用于模拟复杂的经济系统 ，例如 ：工业化国家的经济 。 1990年代早期 ，它被作为一个工具不仅用来量化一个工 业体系经济和成本 的流动 ，还被用作整个使用循环 的资 源 流 动 (物 质 和 能 量 )，从 提 取 到 处 置 (Duchin， 1992)。同一时期出现了将投入 一产出分析与 LCA整合 的研究 (Moriguehi等 ，1993)，因为这种方 法得到 了持 续的关 注 ，并通 过 近 期更 多 的 论 文得 以证 实 (Joshi， 2000)。这种兴趣源于对投 入 一产 出分析克服传统 LCA 的局限的潜力 ，成为了一种基于过程的分析 ，了封 闭系统内预设边界的评价 (例如 ：它将产品系统视为独 立的 ，而不是一个更广泛的系统)。相 比之下 ，投入 一产 出分析方法的分析边界包括整个经济体系中，产品的设 计及其生命周期 的开发。正是 由于这个特点 ，投入 一产 出分析可用于弥补不完备 的分析技术 ，减少基于过程 的 系统的产品系统 ，如 ：LCA。另一方 面，基 于过程 的分 析保持了其主要过程的细节和具体程度 ，是投入 一产出分析方法所缺乏的。

使用投入 ～产出分析作为产品生命周期环境分析的 方法结构 ，一个 众所周知 的例子 是 以经 济投 入 一产 出 LCA (EIO—LCA)为代表 (Cobas等，1995；Hendfick— son等 ，1998)。这种技术特点是货币流特征 的整个经济 体系的产品被量化 (即：经济体系中生命周期各阶段审 查产品开发 )，这些流动可转化为环境影响方面 (资源 消耗 ，污染因素 )。虽然它是基于经济分析模 型，FIO— LCA的演变 作为环 境分 析技术 ，因此 ，它也包 括在表4．1中列出的 LCA方法结构。

最后，值得注意的是 ，最近使用的方法，综合投入 一产出和基于过程的分析，称为混合技术 (混合 LCA) (Joshi，2000；Udo de Heas等，2004)。混合技术与投入 一产出方法 本身都被视为简化 LCA的工具 (Rebitzer等，2x~4)。 4．4 软件工具

学术和工业部 门开发使用 的软件工具的概况提供了 一个 明确 、完整 的 LCA工具 的持续生产和传播 的现状。 多数情况下 ，它涉及到方法结构和工具支持以上所讨论 的 LCA，并针对促进设计、生产和管理中 LCA技术的实 施。这种软件是用来改善产品、过程或系统环境绩效的。 各种大量商业化工具的主要区别在于 ：

·方法 用 于 将 清 单 数 据 转 化 为环 境 影 响 ，环 境 损害。

·生命周期分析 中的控制边界假设 (例如 ：有些工 具尽可能考虑原料提取 中能源的利用 )。 ·数据库性能 ，它们的扩充 ，获取信息的质量。

关于最后这一方面 ，应当注意到 ，为 了计算产品整个产 品生命周期涉及 的各种资源和排放 的总和 ，我们有必要掌握 大量生产过程、原料和 能源流动的详细信息 ， 并预测该产品的使用及报废的过程 。一般情况下，将所 有必要信息录入数据库是不可能的，这已导致软件开发 商根据客户需要提供交互数据库。此外 ，收集数据的质 量和重要性 ，严格取决于使用的方法 ，以及用户所处的 经济和生产现实。

总之 ，必须指 出，评估各种工具间的 区别，而不通 过直接使用和经验是困难的。然而 ，潜在 的用户根据 自 己需求选择适合的工具也是很 困难的。在这方面 ，参考 说明和 比较文献 中的信息可能会有 所帮助 (Menke等 ， 1996；de Caluwe，1997；Rice等 ，1997；Vezzoli，1999； Gibson等 ，2001)。

5 总 结

生命周期评 价的出现是 由于需要调查 、生产与提供 商品和服务 的活动 与过程 中整个体系潜在 的环境影 响。 它已演变成为一个完整的方法结构 ，能够评价一个产 品 整个生命周期 的环境影响，例如：资源枯竭 ，毒理学对 人体健康和生态系统的压力 ，臭氧层 消耗 ，酸化 ，富营 养化和气候变化 。资源与排放的量 化与分配和环境影 响 转化为清单数据的阶段 ，构 成了最 完整的方法 ，以评估 基于整体问题的产品的总体影响——需要一个能够 真正 实现可持续发展 的方 向。

生命周期评价在不 同背景下 ，从产品开发到环境政 策规划都是一个有效 的支持 。尤其 是产 品的开发 ，它可 帮助审查确定环境影响的解决方案 ，确定最佳设计 战略 和标准 ，并选择最有 效的方法。然 而，ISO标准 明确提 出，生命周期评价研究 的信息开发应该作为一部分被用 于更加全面的综合决策过程 中，或用于广泛的理解或一般的交易。

五 纳米功能材料

1纳米功能材料的发展历程

纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。

2研究现状和趋势

纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。 纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望。

根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（nsf）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国darpa（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 ogala计划、erato计划和量子功能器件

的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资1.28亿美元；德国科研技术部帮助联邦制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1.2亿美元。

据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从2.5亿美元增 加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。

3国内研究进展

我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达 92％，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常hall－petch效应。 3.1大面积定向碳管阵列合成

利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到 3mm 3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国《科学》杂志上。3.2超长纳米碳管制备

首次大批量地制备出长度为2～3mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1～2个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国《自然》杂志上。英国《金融时报》以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。 3.3氮化嫁纳米棒制备

首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3～40urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。 3.4硅衬底上碳纳米管阵列研制成功

推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用 3.5制备成功一维纳米丝和纳米电缆

该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。 3.6用苯热法制备纳米氮化像微晶

发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（crn）、磷化钴（cop）和硫化锑（sbs）纳米微晶，论文发表在1997年的《科学》杂志上。 3.7用催化热解法制成纳米金刚石

在高压釜中用中温（70℃）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为“稻草变黄金---从四氯化碳（cc14）制成金刚石”一文，予以高度评价。

5 纳米材料的特性

5.1 表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

5.2小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

5.3量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

5.4宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

6 纳米材料的应用

纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用。包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的“头盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。 6.1纳米塑料

是一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，不发生变性情况。如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。

6.2纳米电脑

电脑是20世纪人类的一大发明。由于纳米材料和纳米技术的出现，由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。

纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。有所谓蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，据测每平方厘米达1015至1016个，比硅片集成电路高3~5个数量级，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，在1立体毫米晶片上可含100亿比特，运算速度更达到10微微秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。

在新型的纳米芯片支持下，纳米级电脑包括了所谓超导电脑、化学电脑、光电脑、生物电脑（其中DNA电脑运算速度快，它几天的运算量就相当于目前世界上所有计算机问世以来总运算量），量子电脑（其基本元件就是原子和分子），神经电脑（用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成神经电脑，又称为人工大脑）。

6.3纳米武器

纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。 纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。

6.4纳米工业与农业

纳米技术制造机器——微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。

如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去收割庄稼，有如一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机快。 当地下电缆断了以后，让成千上万个微型机器人沿着电缆爬行，爬到断头时，便举起前脚搭在前端断头上，于是微型机器人便成为连接线，永久留在电缆上。

6.5纳米医疗和保健系统

纳米技术的应用，将使基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和攻克癌症顽疾等多个医学领域上取得突破。

7 纳米材料的另一面

纳米科技是一把双刃剑。 有一类纳米材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的，所谓具有飘浮的弥散行为。因此，在使用这类材料时，特别要注意这个飘浮特性，否则会造成对于人类环境和身体的污染、侵害。由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊毛孔进入人体内部，所以它是比空气中粉尘危害更大的污染，不可以掉以轻心，否则也许会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等更严重的伤害人类的自然灾害。当然还有其它潜在的危险，如果纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有某种内在的停止信号，那么灾难是极可能发生的。快速复制的纳米机器人在人体内扩散的速度可以比癌细胞还要快，从而会排挤掉正常的组织，等等。

8 纳米技术与纳米材料的未来发展趋势

●纳米材料及其性能向着更加优质的方向发展，从而将有更多性能优越价格低廉的纳米粉末、纳米粒子和纳米复合材料得到更加广泛的应用。如纳米粒子可以被用于创造新的光学薄膜和创造具有光、磁特性的新功能材料。磁性纳米粒子和量子点将可用于生产10倍于目前芯片存储容量、数百千兆赫速度的超小光盘驱动器。

●在纳米材料与加工方面，将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米管等创造新的功能结构材料；开发超轻、超强结构材料；开发长寿命材料、支撑能量转换的材料和具有新功能的电子材料；了解涉及材料变形和断裂的纳米工艺，利用仿制技术有序排列纳米粒子合成纳米材料；

●纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。这不仅对能源和化学生产非常重要，而且对能源转换和环境保护极具经济价值；

●纳米材料的发展将对生物医学领域，如对植入性和弥补性生物兼容材料、诊断器件、治疗学等产生很大影响，纳米材料将有更多的机会用于药物传递系统。新型的生物兼容性纳米材料和纳米机械元件将创造更多的植入性新材料、人造器官新材料和纳米新元件。

●开发基于天然纤维材料和具有环境兼容性、保证人类健康和安全的纳米聚合物纤维新材料：开发利用细菌精细纤维制造的纳米生态材料；用于食品等工业的小麦生物聚合物（淀粉）复合材料；将纳米粒子与生物可降解的聚合物结合，提高聚合物的物理和化学特性；开发来自糖的纳米晶增强剂以净化废品；开发用于聚合物复合材料的局部化学改性的植物纤维素纳米粒子；开发利用谷壳（rice husk）生产纳米结构的纳米硅炭化物；开发通过表面分离的自组织植物纤维素薄膜。

总之，纳米技术／材料将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。

六 稻壳灰资源化

1 稻壳灰的成分

我国是世界上最大的水稻种植国家，每年稻谷产量达 1．8亿 t以上。稻壳通常占稻谷产量占2O% 以上，据此计算，我国的稻壳产量每年约为 3 600万 t。稻壳资源十分丰富，其开发利用价值很大，同时也有利于减小环境污染。在稻壳的各种应用中，对稻壳硅的开发利用最活跃，因为 水稻能将土壤中稀少的二氧化硅富集于稻壳中， 稻壳中二氧化硅的质量分数约为 0．2(其余组分 为木质素和纤维素等)，且主要呈无定型状态，而 自然界中绝大多数二氧化硅呈结晶状态。

稻壳灰是稻壳燃烧后得到的产物，稻壳灰的性质受稻壳的产地、反应条件等因素的影响。而且燃烧温度对稻壳灰性质的影响很大，有研究报道，经700℃烘烤后得到的稻壳灰，含47％SiO2，含52％C（均为质量分数）。 一般情况下，稻壳中有22％木质素、35％纤维素、18％戊聚糖。除了碳氢化合物外，稻壳中还含有15％～20％的无定形水合SiO2。稻壳中各种成分的含量因产地不同而不同。

研究表明，稻壳灰中含有丰富的硅素，含有多种微量元素，同时，稻壳灰有巨大的比表面，且保持无定形状态、具有纳米级别的微粒结构等特性。将稻壳灰制成农用的硅肥能够做到资源化利用和生态循环，不仅能够为作物提供硅素及其他微量元素，还能够起到改良土壤的作用，具有显著经济效益和环境效益。此外，完全燃烧后的稻壳灰，深加工后还可用作白炭黑、活性炭、硅锰酸钾、涂料、预制混凝土等行业的填充剂。但因其投资成本高，回收期长，推广该项技术比较困难。

2稻壳灰制成含硅水稻专用复混肥

研究发现，稻壳灰可以制成含硅水稻专用复混肥，水稻/棉花专用壮苗肥等，对喜硅的水稻、花生等作物具有很好的应用价值。其主要原料是利用废弃物资稻壳灰与有机物和无机物科学配比而成。用其做底肥、追肥均可，可以大大减少化肥用量，减少肥料投入资金约1/3。该项技术可充分地把稻壳灰利用起来，变废为宝，减少环境污染，既有利于防火，又可支援农业，增产增收，其社会效益和经济效益明显。

稻壳灰制成的含硅系列肥料对作物稳产高产具有“三抗三促”功能，即：抗倒伏、抗病虫、抗干旱、促进光合作用、促进根系生长发育、促进土壤养分的有效利用。硅肥主要适用于水稻、小麦、玉米、花生、甘蔗、竹笋等禾本科植物和蔬菜（黄瓜、番茄、西瓜、草莓等）、水果等作物，施用硅肥对农作物具有显著的增产效果，可平均增产15%左右。此外，硅肥是保健肥料，能改良土壤，提高土壤盐基，促进有机肥分解，抑制土壤病菌。硅肥也有改善农产品品质的作用，使农产品色香味俱佳，且耐贮存及运输。

稻壳灰制成的含硅系列肥料的市场需求量大，发展前景较好。目前我国缺硅耕地占总耕地面积的50%左右，若全国推广硅肥施用，按每667平方米每年施用50千克计，每年需要硅肥3000万～4000万吨。以水稻为例，我国常年种植水稻的面积达3333多万公顷，缺硅土壤占50%。如果全部施用硅肥，按增产10%计，仅此一项每年应可增产100万吨稻谷。可见我国硅肥市场潜力巨大。 （稻壳灰制成）含硅系列肥料的使用方法: A、施用方法。

① 适宜作基肥，不宜作种肥。可单独施用，也可与农家肥混施。 ② ②可作追肥，应早施，深施。水稻可以在耙地后插秧前撒施，也可在插秧后撒施，保持浅水层，旱田

追肥可穴施或沟施，施后覆土、浇水。果树在秋冬、早春单独与有机肥开沟（环状放射状条沟）注入法施肥，一般每株施5～10公斤。

B、施用量。

应根据不同地块土壤有效硅的含量与硅肥水溶态硅的含量确定硅肥施用量。严重缺硅的土壤可适量多施，而轻度缺硅的土壤应少施。有效硅含量达到50～60%的水溶态硅肥，每亩可施用6～10公斤；有效硅含量为30～40%的硅肥，每亩可施用30～50公斤；有效硅含量低于30%的，每亩可施用50～100公斤。

3稻壳灰在橡胶工业中的应用

利用稻壳硅最简单、最经济的方法是使用稻 壳灰(RHA)。RHA是稻壳燃烧后的产物，燃烧 时产生的热量可用于电厂发电等。稻壳燃烧时大 部分有机物(纤维素和木质素等)被烧掉，剩下的 RHA主要成分是二氧化硅。二氧化硅是 目前常 用的重要工业填料，可改善高聚物的性能，因此人 们将 RHA填充于高聚物中，以期作为一种

经济 型替代资源加以充分利用 ，变废为宝，减小污 染。本文概述 RHA在橡胶工业中的应用，并对 目前存在的问题进行分析，指出今后的研究和发 展方向。 3.1 RHA的组成和结构

RHA中含量最大的是二氧化硅(质量分数为 0．55～O．97)，其 次为 炭 ，还有 少 量金 属 氧 化 物 (质 量分 数 小 于 0．005)，如 氧化 钾 、氧 化 钠 、氧 化 镁和氧化钙等。RHA 的组成和结构取决于处理 和 燃烧 的条 件 -6l，当 温 度 低 于 600 。C时焚 烧 稻 壳 ，所得低温 RHA中二氧化硅的质量分数在 0．9 以上 ，且仍保 持无 定 型状 态 ，基本 粒 子 的平 均粒 径 约 为 50 nm，松散 粘 聚并形 成大 量纳 米尺 度 孔 隙 ， 粒 子呈 不 规则 形 状 。低 温 RHA 的 比表 面积 大 ， 活性高 。当温度超过 600。C时，二氧化硅 由无定 型状 态 变为 结 晶状 态 ，并 且 炭 会进 入 二 氧 化 硅 的 晶格 中 ，导 致 纯 度 下降 。RHA 与 其 它 硅 酸 盐 类 填 料一样 ，表 面 含有羟 基或 硅醇 基 ，因而具 有 亲水 性 ，易 吸湿 。 RHA根据其炭含量 可以分为高炭灰(RHA— HC)、低炭灰 (RHA—Lc)和无炭灰 ；也可根据其色 泽分为黑稻壳灰(BRHA)和 白稻壳灰(wRHA)， 它们分别对应 于高炭灰和低炭灰。WRHA是 由 于焚烧 时 内部 高温 而 产 生 的，外 观呈 灰 白色 ；BRHA是由于焚烧时外部低温而产 生的，含炭，颜色深 。 3.2 RHA 的应用

1975年 Haxo H E等 采用特殊燃烧工艺 制 成 的 RHA 填 充 SBR，EPDM 和 NR，发 现 RHA具有一定 的补强作用 ，且对 胶料 的硫化性 能无不 良影 响。近年来 ，RHA在各 种橡 胶和热 塑性 弹性 体 (TPE)中 的应 用研 究不 断深 入 。

3.2.1 NR

是通用橡胶 中综 合性能最好 的品种，应用范 围很 广 。 目前有 关 RHA 在 NR 中 的应 用研 究主要 集 中在 RHA 对胶 料 硫 化特 性和硫 化 胶物 理性 能 的影 响及 其 经 过改 性后 的性 能变 化 等方面 。 Da Costa H M 等l8‘ 对 RHA填充 NR的普 通硫黄硫化体系胶料的硫 化特性进行 了研究 ，并 与炭 黑 和 白 炭 黑 进 行 比 较 。 结 果 表 明 ，虽 然 RHA的主要成分 为二氧化硅 ，但其作用 与 白炭 黑相 差较 大 。在 NR胶 料 中加 入 白炭 黑 ，由于 白 炭黑 表 面羟 基对 促 进 剂 的 吸 附 作 用 而延 迟 了 硫 化 ，因此 使用 时 必须 加入 胺 类 或 醇 类 化合 物 作 为 活性剂 。RHA 的作 用与炭黑 相似，对硫 化具有 促进作用 。其中 BRHA 的硫化促进作用 比炭黑 小 ，而 wRHA 的硫化促进作用则 比炭黑明显 ，特别是当填充量超过 20份时。在相 同硫化体 系的 条 件下 ，若 用 RHA 部 分替 代 炭黑 或 白炭 黑 ，对 硫化仍具有促进作用。用 BRHA部分替代 白炭黑 时 ，虽 然 对 硫 化 有 促 进 作 用 ，但 作 用 比 WRHA 小 ；而用 BRHA替代炭黑时则起相反作用 。分析 原 因认 为 ，在体 系 中加 入 氧化 锌 时 ，RHA 中存 在的少 量 金 属 氧 化 物 对 硫 化 起 促 进 作 用 ，另 外 RHA 的粒 径 较 大 ，对 配 合 剂 的 吸 附作 用 小。 Arayapranee W 等 也 发 现 ，在 NR 中 加 入 RHA，胶 料 的硫化 时 间缩 短 。

关 于 RHA 对 NR 硫 化 胶 物 理 性 能 的影 响 ， Sae-oui P等 l_I。 将 RHA-LC和 RHA-HC填 充 于 NR胶料中，并与滑石粉 、陶土、碳酸钙 、白炭黑和 炭 黑进 行 比较发 现 ，各项 物 理 性 能 均 与 惰性 填料 相当。Da Costa H M 等n ’“ 用研磨过 的 RHA 填充 NR，在填 充 量 为 20份 时 ，硫 化 胶 的物 理 性 能最好，但除了耐磨性外，其它性能均比炭黑和白 炭黑填充胶差。Arayapranee W 等Ⅲ 研究表 明， RHA 填 充 量 为 4O份 以 下 时 ，随 着 填 充 量 的 增 大，硫 化胶 的硬度增 大，拉伸强度 和撕裂 强度减 小回弹值增大，杨氏模量和耐磨性变化不大。最 近 Da Costa H M 等n 对 WRHA 和 BRHA 分 别进行 了研究 ，

并与炭黑和自炭黑进行对比，结果发 现 当填充 量 较小 时 ，4种 硫 化 胶 的撕 裂 强 度 相差不大 。BRHA 为 非 补强 性 填料，硫化胶的拉伸强度 明显下降，填充量超过 20份时拉伸强度下降较 大；WRHA为半补 强性填料 ，当填充量为 20份 时 ，其补强性能与炭黑和白炭黑相 当，而在整个填 充范 围 (5O份 以下 )内对 硫 化 胶 物 理 性 能 的影 响 较 大 。而 Ismail H 等 I1 发 现 ，WRHA 填 充 量 为 l0份 时 ，硫 化胶 的 拉 伸 强 度 和 撕 裂 强 度 最 大 ，硬 度 和 杨 氏模 量 随 着 WRHA 填 充 量 的 增 大 而 增 大 ，此结 果 与文献 [16]报道 的 不一致 ，这 可能是 由 于所用的 WRHA或配方体系不同造成的。 为 了 提 高 RHA 填 充 NR 硫 化 胶 的 物 理 性 能 ，采 用 偶 联 剂 Si69改 善 硫 化 胶 的 物 理 性 能口。 ，但 效果 不 明显 ，傅 立 叶转 换 红 外 光 谱 (FTIR)证 实 RHA 表 面虽 含 有硅 醇 羟 基 ，但 量很 小 ，不足以提供偶联作用 。采用氢氧化钠和盐酸 的溶液对 RHA进行化学处理后再填充 NR，胶料 的性能基本上与未处理时相同，只有在填充 20份 RHA 时性 能 才 表 现 异 常 ，比炭 黑 和 白炭 黑 填 充 胶还要高Ⅱ 。Ismail H 等n 采用多功能添加剂 MFA(一 种羧 酸二 铵盐 ，可起 加 工 助剂 、填 料 分散 剂 、硫 化促 进剂 和脱 模 剂 的作用 )、偶联 剂 Si69和 MFA／Si69并用 改性 WRHA填 充 NR，结 果 表 明 它们均能改善胶料的性能 ，特别是当 WRHA填 充量为 1O份时 ，NR胶料 的性能最佳 。

3.2.2 其它橡胶

考虑到 RHA 的硅醇 基与 环氧化 天然 橡胶 (ENR)的环 氧 基 团间 的作 用 ，Ishak Z A M 等 I1 将 WRHA(二 氧化 硅质 量分数 为 0．96)和 BRHA (二氧化硅质量分数为 0．54)填充于 ENR一50(环 氧化度为 50 )胶料 中，采用半 有效 硫化体系硫 化 。结 果 表 明 ，W RHA 填 充 胶 的 性 能 优 于 BRHA 填充胶 ，经 丫一巯基 丙基 三 甲氧 基 硅烷 偶 联 剂 (A一1)处 理 后 胶 料 的 硫 化 时 间缩 短 ，拉 伸 强 度和撕裂强度提高 。WRHA 填充胶 的耐疲劳性 能优 于炭 黑填 充胶 ，但 不如 白炭 黑填充 胶口 。 稻 壳 炭可 用 作 SBR1500的补 强 剂 I2 。稻 壳 炭 是在 温度 约 300℃下将 RHA碳 化 后得 到 的 粉 体 (二氧化硅质量分数 为 0．503 6，炭质量分数为 0．4l4 9)，相 当于 BRHA，不 经 处 理 时 可 使 SBR 的拉伸强度提高 l倍 ，具有与滑石粉和 陶土相同 的补强 效果 ，与炭 黑 相 差 较 大 。而 加 入 硅 烷偶 联 剂 ，尤其是偶联剂 A一1后拉伸强度提高 2倍 。

高含 量 二 氧 化 硅 (质 量 分 数 为 0．961)的 wRHA经 FTIR分 析 表 面不 含羟 基 ，填充 到 EP— DM 中，胶 料 的 门 尼 粘 度 减 小 ，易 于 加 工 ；随 着 WRHA用量 的增大 ，胶料的硫化速率提高 ；硫化 胶的拉伸强度 先增大后减小 ，当 WRHA用量 为 20~40份时达 到最大值 ；100 定伸应力则 不断 增 大 ，但增 幅 比 白炭 黑 填充 胶 小 ；WRHA 填 充胶 的撕裂强度不如白炭黑填充胶。

Sereda L等_2 ∞ 将 BRHA 用 于硅橡 胶 中， 通过应力一应变 曲线 中的模量评价 了其与硅橡胶分子问的相互作用 ，结果发现经筛分后的 BRHA 与硅 橡胶 分 子 问 的作 用 比 1 000。C煅 烧 后 的 BRHA与硅橡胶分子问的作用大 ，但还是小 于白 炭黑与硅橡胶 分子问的作用 。另外 ，通过 白炭黑 和 BRHA 在 不 同温度 和 不 同压 力 下各种 气 体 (氧 气 、氮气 、二氧 化碳 和 甲烷 )的透 过 系数 和扩 散 系数 的测定 ，发 现 白炭 黑 和 BRHA 均会使 气 体 的溶 解性 有所 提高 (尤 其是 在填 充量 小 于 1O份 时 )，但 会阻碍气体的分散 。分析原因认为填料与基体分 子问的作用阻碍 了气体分子的微布 朗运动 ，并预见材 料 的物 理 性 能 应 有 所 提 高 ，这 为 RHA 补 强 硅橡胶提供 了一定基础 ，值得进一步研究 。

3.2.3 TPE

TPE 因加热 时 具 有 塑 料 可 模 塑 性 以 及 室 温 下 具 有橡胶 的柔软 性 和弹性 而得 到广 泛应 用 。在 NR／PP TPE中加入 RHA_2 ，随着 RHA 用量 的 增大 ，TPE的拉伸模量增大 ，拉伸强度 、拉断伸长

率 和 屈 服 强 度 减 小 ，加 入 氨 基 硅 烷 偶 联 剂 KH一550后 ，TPE的性 能有所提 高，吸水 性下 降。在 NR／线形 低 密 度 聚 乙 烯 (LLDPE)TPE 中 加 入 WRHA，TPE的 硬 度 和 100 定 伸 应 力 增 大 ，拉 伸强度、拉 断伸长率和耐油性下 降；加入相容 剂 PPEAA(丙 烯一乙烯一丙 烯 酸共 聚物 )，则 能 改 善填 料与基体问的作用，使各项性能有所提高 。 。

Siriwardena S等 研 究 了 WRHA填 充 于 PP／EPDM 共 混物 中动态 硫化 和 填料 用量 对 共混 物性能的影响。结果表明，经动态硫化后，共混物 的硬度 、拉 伸强 度 和 压缩 永 久变 形 有 所 提 高。 wRHA填充量增大时，TPE除了硬度增 大外 ，其 它物理性能均 下降 。通过研究 加料顺 序对 EP— DM／PP／wRHA共混体 系(共混 比为 50／50／30)

加工 和物 理性 能 的影 响 ，发 现在 熔 融 的 EPDM 中 先加入 WRHA再加入 PP后共混物 的拉伸强度最大，但拉断伸长率较小；而在熔融 的 EPDM 中 先加 入 PP再加 入 WRHA 的 共混 物 拉 伸 强 度 和 拉断伸长率较大 ，具有典型的 TPE特征 ，而且扫 描电镜 (sEM)也观察到填料 的分散性最好 ，因此 认为该加料方 式最佳 ，只要 在密 炼机 中混合 1O min(包括预热 1 min)即能均匀混合 。 3.3 RAH在应用中存在的问题

RHA在橡胶 和 TPE中只能起 到廉价填 充 剂的作用 ，而补强作用需 在低 填充量条件下或经过处理 (如加入适当的偶联剂、相容剂或多功能添 加 剂 )后 才 显示 出来 ；当填 充 量 较 大 时 ，胶 料 的 拉 伸强度 、拉断伸长率和撕裂强度等下降，补强效应 很 小 。分 析原 因认 为 ：① RHA 是 极 性 材料 ，且 亲 水，而大 多数 高聚物 亲 油，二 者之 间 相容 性差 ， RHA在胶 料 中不能 良好 分散 ，团聚 现象 明显 。 ②燃烧过程的不可控导致得到的 RHA粒径分布和杂质含量发生 了变化 。杂质含量大 ，粒子的形 状 和多孔 性会 影 响粒子 的 聚集及 其 与基体 问 的相 互作用 。③SEM 分析显示 ，RHA 在胶料 中的分 散是不连续 的，不能形成像炭 黑和白炭黑那样的 网络 结 构 ，因此 不能 起 到 补强 作 用 。④ 粒 子 的形 态和表 面 活 性 影 响粒 子 的改 性 效 果 ，RHA 的外 形不规则且多孔使其硅烷化 的能力变差 ，改性效果不显著 。

4 稻壳灰制备混凝土顶级掺合料

4.1 稻壳灰用作饲料不符合现代营养科学

稻壳营养价值极低 。表 l给出了稻壳 (砻糠 )和 米糠 的一般成分。从中可见 ，稻壳 中仅含 3％粗蛋 白质 ，20％以上为 SiO2，40％左右为粗纤维 ，而粗纤维中一半是难于消化 的木质素。现代动物营养学大量的研究表明 ，猪 、鸡是单 胃动物，消化粗纤维的能力很差 ，用稻壳喂猪或家禽 ，可消化养分均为负 值 ，不但不能提供营养，反而会引起额外的能量消耗 ，得不偿 失。稻谷中含有约 8％的粗蛋白质 ，60％以上的无氮浸出物及 约 8％的粗纤维 ，如不脱壳 ，营养价值低于米糠 ，在能量饲料中 属中低档谷物。在发达国家，稻谷是不直接磨制饲料 的，只有 脱了壳的糙米才用作饲料。而我 国时至今 日，仍有一些地方 习惯将稻壳用作猪或家禽的饲料 ，更甚的是，一些地方还将 已 分离的稻壳和碎米或米糠混合起来磨制粗饲料。这些做法都不符合营养科学 ，是一种落后的饲养技术，应予淘汰。

4.2稻壳的资源价值在于无定形SiO2

虽然稻壳 的营养组分无利用价值 ，但稻壳所含的 Sio2呈 无定形态 (蛋白石或硅胶)，却是一种有价值的矿物 。自然界 中的 Sio2大多数以结 晶状态存在 ，无定形 SiO2很少 。水稻将土壤 中稀薄 的无定形 SiO2~I]蛋 白石 SiO2·nH20等通过生物矿化的方式富集在稻壳中，等于为人类提取 了大量非 晶态的 sio2。作者的研究工作表明 ，稻壳通过 生物矿化 的方式富集 的非晶态 sio2以纳米颗粒 的形态存在。在 60O oC以下将稻 壳进行控制焚烧 ，所得的低温稻壳灰 (L—RHA)90％以上为 SiO2，并且这种 SiO2保持在稻壳 中的存 在状态不变—— si02 为无 定 形状 态 ，以约 50 nnl大 小 的颗 粒 为 基 本 粒 子 ，松 散 粘

聚并形 成大量 纳米 尺度孔 隙。这种具 有纳 米结 构 的生 物 si02，可以廉价制得，它比表 面积巨大 ，具 有超高 的火 山灰 活 性，对水泥混凝土具有强烈的增强 改性作用 ，是一种混凝 土顶级 矿物 掺合 料 „ 。

当前 ，现代混凝 土正由传统 的水泥 、砂 、石 、水 四组分 向 多组分 的方向发展。化学外加剂 (主要是超塑化剂)已稳定 地成为混凝土的第五组分 ；而矿物掺合 料(主要是高活性火 山灰材料 )由于对混凝土 的力学性能 、工作性能和耐久性能 有重要的提升作用 ，正成为高强 、高性能混凝土必要 的第六 组分 。硅灰(主要成分 为无定形 的 si02)作 为 目前活性最好 的矿物掺合料 ，在高强 、高性能混凝土 的配制 中可 以起 到显 著的增强作用 。但由于硅灰数量稀少 ，价格高昂(2(DO元／t 左右)，难以在实际工程 中应用 ，因而风选粉煤 灰、磨 细矿渣 脱颖而出，成为我 国 目前混凝 土行业配制高强 、高性 能混凝 土最常用的矿物掺合料。此外 ，磨 细天然沸石粉和活化高岭 土也相继被开发 ，以期望能替代硅灰 。

然而，就反应活性 和增 强作用 而言，当前 大规模 开发应 用的矿物掺合料与硅灰相 比仍有较大差距 。究竟能否找到 和硅灰活性相当而又数量巨大的掺合料?答案是肯定的，它 就是未被充分认识 ，有着巨大潜在价值 的农业 副产品——低 温稻 壳 灰 。

稻壳灰潜在数量庞大 ，按 1 t稻壳可烧制 0．2 t RHA计 算 ，我国 RHA的年数量为 800万 t左右。从物料平衡的角度 来看，在控制条件下焚烧稻壳 (控制条件是为 了保证稻壳灰 有高的火山灰活性和燃烧过程不产生污染 )，将得到 的稻壳 灰用于水泥混凝土行业最为合适。 4.3低温稻壳灰用作混凝土高级掺合料的研究

4.3.1 化学与矿物组成

L—RHA的化学分析结果见表 2。可见 L—RHA的化学 组成与对比样硅灰(青海省青 山机械厂产凝聚硅灰 )接近 ，其 中 SiO2都 占 90％左右。L—RHA中 sio2纯度不是太高 ，但用于混凝土材料 已经足够。L—RHA的射线衍射图与硅灰衍 射图也几乎完全一致 ，均无明显 的晶态 si02衍射峰 。这表 明 低温稻壳灰中的 sio2焚烧后保持无定形状态不变。

4.3．2 显微结构

N2吸附法测定 L—RHA的比表面积为 77．42 m2／g，对比 硅灰的 比表面积 为 23．30 m2／g。在 SEM下对它们 的颗粒度 进行了估计 ：L—RHA颗粒约 4 ban，而硅灰 为小 得多 的实心 圆球 ，直径约 0．1 ban。由此可 以推断 ，RHA是一种多孔性物 质，其颗粒内部并不致密。

在 SEM下 ，L—RHA中很容易找到 由纵横交错 的薄板 薄 片构成的、呈疏松蜂窝状 的孔洞 (图 2)。这些孔洞 的尺度在 10肿 左右 ，大 量存在 ，以往曾经 作过报道 _20]。对 图 2中 RHA夹层里板片断面进行细致 的高倍率(10 000～30 000×) SEM观察 ，发现 RHA内部的薄板、薄片均 由许多细微 的米粒 状颗粒粘聚而成 ，颗粒 之间存在大量孔隙 (图 3)。TEM更清 晰的观察(图 4)表明 ，这些粒子 的大小在 50 nnl左右，是构成 RHA的基本粒子。由于它的颗粒 大小 在纳米材料的尺度范 畴 (1～ 100 nrn)本 文 称 之 为 纳 米 sio2凝 胶 粒 子 。 稻 壳 灰 中这 种 纳 米尺 度 的 S 是首 次 被 发现 和 报道 。这 种胶粒子粒度如此之小 (约 50 nn1)，以致其表面原子数 占总原 子数的 比例较高 。这对 RHA的化学活性非常有利 。

4.3.3 火山灰活性

将 L—RHA和粉尘状硅灰(SF一1)、超细矿 渣粉 (Bs)、磨 细沸石粉 (F)、超 细粉 煤灰 (PFA)、I级 粉 煤灰 (PFA )等分别与 Ca(伽 )2按重量 比 3：1混合 ，制成水化样 ， 在不 同龄期进行 XRD分析 ，测定 Ca(伽 )2 d=4．9A的衍射 峰强度 ，以了解它们的火山灰活性 。水化样 Ca(OH)2衍射峰 强度随龄期下降得越快 ，说 明对 Ca(伽 )2的吸收能力越强 ， 火山灰活性越高。从 图 5可见 ，在吸收 Ca(OH)2的能力上 ， 低温稻壳灰与粉尘状凝聚硅灰 明显归于一类(低温稻壳灰甚 至还强于硅灰 )，远优于其它火 山灰材料。 4．4 对高强混凝土增强效果

在 0．30和 0．44的固定水灰 比下 ，研究 了低温稻壳灰 和 造粒硅灰(美国进 口)以不 同的替代量取代水泥时对混凝土 强度的影响。从表 3看出：在 固定水灰 比时 ，L—RHA对高强和超高强混凝土有强烈的增强作用 ，掺量在 10％～2o％时 ，可提高混凝 土抗压强度 10 MPa以上。这种增强效果超过了造粒硅灰。

5 稻壳及稻壳灰在环保领域的应用

5.1 稻壳在环保中的应用 5.1.1制作一次性环保餐具

稻壳制环保 餐具是2O世纪末起于我国，2O世纪9O 年代开始研制并有样品问世。广东汕头高新 区绿恒实业有限公司在 1997年建成了第一 条生产线，规模较小，以中试生产为主，产品 主要销往、日本和韩国。 该系列产品的生产工艺及成套设备于 1998年通过广东省科技成果鉴定。1998～ 2001年连续四年被列入国家星火计划重点项 目。

5.1.2稻壳本身作为吸附剂

使用 85％稻 壳和15％的化学吸附剂，如CuO、CuCI：和过 渡元素化合物能制成内燃机废气过滤材料， 这种材料能减少废气中污染物的排放量。 5．1．3 稻壳改性后作吸附剂

季铵化稻壳 可以吸附除去溶液中的砷离子。而且在 酸性条件下，稻壳可以按照 Freundlich等温 线的规律吸收铅离子和汞离子。还可以将稻壳粉和 10％ 一30％沸石与(或)海泡石混合制成小球，再煅烧

以得到直径1 10 mm的多孔渗水微粒。将此微粒填充 在固定的过滤床中，去除鱼塘水中有毒气体 (如NH )或悬浮微生物，其吸附能力比活性 炭要高。 5.2稻壳灰在环保中的应用

5.2.1作废水处理剂

在 300℃下加热所 得到的稻壳灰有特殊的硅醇基团和氧化态的 碳基团，可吸收金和硫脲的复合物_6 J。 用含有多孔结构，空间体积达到75％ 一 80％的无定形硅的稻壳灰来固定废弃的和有毒的液体(如钻探泥浆、化学物质)以及放射 性的物质。从而达到净化污水的效果。 5.2.2作去污剂

将稻壳灰、三聚磷酸钠、 硼砂、烷基芳基磺酸盐按适当比例混合，研磨 即成为去污粉。英国把稻壳灰加到磨碎的玉 米穗轴中，制成清洁粉，用于清除机器部件的油污，效果极好 。 5.2.3 用稻壳活性炭净化污水

稻壳活性炭经硫酸处理后再用 CO 活 化可去除溶液中 88％的铬和大于 99％的 铬。而用碱液处理稻壳则可以除去木质 素，再炭化即可用来净化水，特别是降低 BOD、COD值和除去悬浮固体物的方法。其 炭化产物还可以作为一种凝结剂辅助物，在 污水净化中应用。 6 制备冶金级硅

SiO2+C→Si+CO 实际反应：SiO2+3C→SiC+2CO；SiO2+2SiC→3Si+CO;SiO2+Si→2SiO

7制备催化剂载体及吸附材料 8 制备太阳能级硅

七 燃料电池的发展及应用

燃料电池(Fuel Cell，FC)是一种新兴的化学电源，其具有能量转换效率高、燃料使用和场址选择灵活、洁净、噪声低等优点。美、日、加、欧洲及澳洲在燃料电池的研究和应用领域处于世界前沿，我国早在50年代起就开始了燃料电池的理论研究，70年代达到高潮，后来曾一度中断。90年代起，受到国际能源紧张和环境恶化两大趋势的影响，燃料电池的开发与研究又再次成为热门。我国不久前推出的电力改革方案中提出：将大力支持和鼓励清洁能源发电技术的应用并制订一系列优惠——相信燃料电池发电技术将获得空前的发展，在我国应用前景广阔。

1 燃料电池的工作原埋

FC自 工作原理是水的合成反应，即燃料和氧化剂通过电极实现向电、水和热量的转化。FC单电池的基本原件有：燃料电极(阴极)，氧化剂电极(阳极)和电解质。当燃料电池工作时，向阴极通燃料，燃料(以氢气为主)在阴极上放出电子，电子经外部电路传到阳极；向阳极通氧化剂，氧化剂在阳极与从外部电路流进的电子发生还原反应。通过两极之间电解质的离子导体，完成电池内部的电荷传递。这样，内外电路构成闭合回路，生成电流，实现化学能向电能的直接转化。燃料电池阴、阳极及电池总反应方程式如下：

2-2-

阳极：H2+CO3 =H2O+C02+2e； 阴极：：1／2O2+CO2+2e=CO3；总反应式：1／2 02+H2=H2O

FC单电池的输出电压约为0．5～1．3V左右，但在实际应用中，FC并不是以单电池的形式存在，而是组成电池堆(stack)。在电池堆中联接各单电池的元件称为联接器(inter-connector)或两极分离(bipolarseparator)，其作用是将一个单电池的阳极和与之相邻的另一个单电池的阴极联接起来。按照实际需要，电池堆可为串联、并联和串并联混合。

2 燃料电池的分类

目前，FC主要分为如下几大类：碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固

体电解质燃料电池(SOFC)及固体高分子燃料电池(PEFC)。其中，眦称为第一代FC，MCFC称为第二代FC，SOFC为第三代FC。各种FC的组成详见表1。

3 燃料电池的应用

燃料电池发电装置目前向2个方向的应用发展：一是固定式、中大容量发电装置；二是中小型、可移动发电装置。MCFC和SOFC适合中大容量发电装置，且能与燃气轮机发电装置或汽轮机发电装置组成高效发电装置；固体高分子型燃料电池(PEFC)适合中小型、可移动发电装置。目前PEFC发展最快，将发展成为电动汽车核心发电装置，彻底改变目前电动汽车充电时间长，续程短的问题。 3．1 中大容量电厂应用

表2为FC发电与传统火力发电对环境的影响、效率和适用规模的比较：

3．1．1 MCFC

MCFC正常工作温度在650\"C左右，电解质成熔融态，电荷移动很快，在阴阳电极处电化学反应快，因此可以不使用昂贵的贵金属作催化剂。其对燃料适应广，可以不经燃料气重整，可直接使用天然气或煤气作为燃料，因此降低了成本。并且因为工作温度高，能与汽轮发电机组组成联合循环，进一步提高发电效率。

3.1.1.1MCFC单电池

MCFC单电池结构如图1所示，由阳极(Ni多孔体)、阴极(NiO多孑L体)和两电极板之间的电解质板(一般是浸注Li和K的混合碳酸盐的Li，多孔性陶瓷板)组成。典型的电解质组成是62％Li2CD3+38％K2C03(摩尔分数)。电解质中的离子导体是碳酸根。催化剂以雷尼镍和氧化镍为主。单体电池工作时输出电压为0．6-0．8v，电流密度约150-220mA／cm2。

3．1．1．2 MCFC电堆

将多个单电池串联或并联构成电堆。相邻单电池间用金属隔板隔开，隔板起串联上、下单电池和气体流路的作用。结构如图2所示。电堆中发生的主要的传输过程：(1)物质移动燃气和氧化剂气体分别输入燃料电池电堆的阳极歧管和阴极歧管，从阳极和阴极人口歧管，气体沿电堆方向传输。在单体的阳极气道和阴极气道内，气 体沿单体方向流动，伴随进出电极的扩散作用。最后气体沿着电堆方向通过阳极和阴极出口歧管离开燃料电池。(2)热传递燃气和氧化剂气体在沿电堆方向通过阳极和阴极人口、出口歧管时被加热。

3．1．1．3 MCFC发电系统

只有燃料电池本体还不能工作，还需要一系列的辅助系统：燃料预处理、电能转换系统(含电性能控制系统及安全装置)、热量管理与回收系统等。靠这些辅助系统，燃料电池本体才能得到所需的燃料和氧化剂，并不断排出

燃料电池反应中生成的水和热，安全持续地供电。MCFC发电系统如图3所示。

MCFCS能使用多种燃料，如氢气、天然气、煤气、煤以及液态燃料如原油、柴油、重油等，不同的燃料在进入MCFC之前须经过不同的处理过程。

图2 MCFC电池组结构示意图

目前全球运行的MCFC发电厂多数采用天然气(及煤气)作为燃料，美、日等发达国家正大力研究和开发用煤气化作MCFCS的燃料，以取代传统的燃煤火力发电厂

(1) MCFCS运行设备构成

图4给出了以天然气为燃料的MCFCS发电系统运行设备构成简图。其主要构成部分为MCFC

电堆、预热器、循环风机、控制阀、冷却器等。有两大循环体系：阳极气体循环和阴极气体循环[5]。 (2)阳极气体循环

阳极气体循环回路将阳极排气送回McFC电堆阳极人口预热器，以维持阳极人口气体成分的稳定，提高阳极气体利用率。阳极排气首先在冷却装置(水冷)内降温至200*(2(受限于循环风机的温度要求)，经过阳极循环风机返回到阳极气体预热器的人口。同时设置风机旁路以控制循环流量。最后由预热器(Preheater)将其加热至阳极进气所需温度(通常为620*(2)送人燃料电池。 (3)阴极气体循环

阴极气体循环回路将阴极出口的部分排气送回阴极气体预热器，以控制电堆温度。回路结构与阳极气体循环类似。

(4)煤气化MCF-c燃气轮机一汽轮机联合发电MCFC发电系统能与燃气轮机、汽轮机构成联合发电运行。由于燃料电池不能转换燃料中全部的能量，故单独运行时效率相对较低。采用燃料电池、燃气轮机和汽轮机联合发电运行，可提高燃料利用率及电厂综合效率(能达到60～80％)，降低电能成本[3,4,6]。

联合运行发电厂由以下几部分组成：

a 燃料加工系统：给煤装置、煤气发生器、燃气净化器、温度控制装置； b 燃料电池发电系统；

C 燃气轮机发电系统：燃烧器、燃气轮机、发电机组； d 汽轮机发电系统：余热锅炉、汽轮机和发电机组。

在发电系统中，燃料电池发电属前置循环，燃气轮机和汽轮机发电属后置循环。图5给出了煤气化MCFc燃气轮机一汽轮机联合发电厂原理简图

联合运行发电厂生产过程如下：

(1)先将煤、蒸汽和氧化物送至煤气发生器和生产燃料气体，经净化送到电池阴极，作为氧化剂的空气经压缩后

送到电池阳极。输入电池的燃料和空气，在一定温度下进行电化学反应，使燃料的化学能直接转变成电能，实现能量的第1步转换。

(2)电池中未完全反应的燃料(高温排气)与部分精制燃气混合进入燃烧器，经充分氧化燃烧产生的高温、高压燃气流送到燃气轮机，推动燃气轮机发电，实现第2步能量转换。

(3)燃气轮机做功后排出的高温气体再进入热回收锅炉、省煤器、过热器产生蒸汽推动汽轮机组发电，实现第3步能量转换。这是一种三重复合的发电系统，实验测定其发电效率超过75％。

3．1．1．4 全球发展状况

一般认为最可能大量应用的MCFC系统的容量为100～10000KW，1MW 以下的发电多采用天然气重整发电，1MW 以上的发电将主要采用燃料电池、燃气轮机和汽轮机联合循环发电。日本对100MW级以上的电站最感兴趣。在美国和欧洲，主要的商业市场在250～30~KW 容量之间。其中，商业自发电和辅助发电应用的容量是250～3~0kw，工业自发电和辅助发电的容量为1～10MW，大的工业和分布发电的容量大于10MW。理论上，250kw将是MCFCS发电最低容量，但在商业化早期，较经济的最小容量为500kw。 (1)美国其从事MCFC研究的有国际燃料电池公司(IFC)、煤气技术研究所(IGT)和能量研究公司(ERC)。IFC目前已对250kW MCFC进行了11，800h的运行，共发电1，906MWh，发电效率为45％，公司近期目标[8】是将300kW、1．5MW 和3MW MCFC商业化。由IGT创立的熔融碳酸盐动力公司已具备年产3MW MCFC能力，正在进行电极面积为1．06m2的250kw电厂试验。ERC已具备年产2-5MW 外公用管道型MCFC能力，并正在进行3个电极面积为0．65m2(由244个单电池组成)的123kw MCFC 运行试验。美国能源部(D()E)的近期目标 8是支持燃料电池能源公司(Fuel Cell Energy)开发MCFC发电系统的商业化示范项目，使其到2003年，具备生产功率范围在200l【W～2MW，效率在50％～60％，成本在$1，000～ $1，500／kW ，至少年产500MW MC 发电装置的生产能力，希望到2010年FCE可以在世界市场上占有1～2GW／~IZ的份额。Edward Gillis预测MCFC进入市场的头5年，在美国MCFC的装机容量将达到750MW，其中：100～500kW 的占400MW，5o0l【W～1000kw的占50MW，1～10MW的占300MW。在随后的5～10年，预期成本将降到$300／kw，100～1000kw的市场将增大6倍，1～ 10MW 的市场将增大3倍。MC-POWER预计全美MCFC发电市场在2002年500～1000kw的将达到739MW，到2008年发电装机容量将达2801Mw。ERC估计北美的分散式MCFC发电市场将从2001年的2700MW／~IZ增长到2008年的6700MW／~lZ。

(2)欧洲德国MTU宣布在解决MCFC性能衰减和电解质迁移方面已取得突破性进展，该公司开发的至今世界上较大的280kw MCFC单组电池正在运行。在荷兰由ENC组织并负责实施的为期5年发展计划，拟建立2个250kw外重整MCFC，分别以天然气和净化煤气为燃料。ERC估计欧洲将从2001年的2700MW／~Iz增长到2008年的4300MW／~。 (3)日本 1994年分别由日立和石川岛播磨重工业完成了2个100kW、电极面积为lm2加压外重整MCFC，另有三菱电机与美国ERC合作研制的内重整30kW MCFC已运行10000h。日本在1999年4月，1套1000kW MCFC发电站示范装置开始投入运行，其核心为2套250kW MCFC电池堆，在1999年11月达到设计发电功率1000kW，发电效率为46．1 96。因为日本与美国和欧洲的市场结构截然不同，在其国内，小于1MW 容量的发电装置的应用场所很少，像旅馆市场已几乎完全被天然气驱动的热机发电充满，在近期内取代是 不可能的。CRIEPI预测日本和亚洲的MCFC市场 前景是分散式电站(200～10000kW)和中心发电厂 (10MW)。IHI预测日本的MCFC前景市场是每年 20MW，其中100～500kW 的电站10个，1～ 10MW 的电站2个。

(4)中国 中科院大连物化所从1993年开始进行MCFC研究；北京科技大学方百增等进行了Nb改型的Ni电极耐腐蚀性能研究。中科院长春应化所、上海冶金所、沈阳金属所在进行用晶问化合物做MCFC阳极、梯度材料做阴极和310、316不锈钢改质与表面改性方面的研究。ERC估计中国在2001年到2008年这一时期的增长将是美国的两倍，到2008年将达到1万Mw／年。

3．1．1．5 MCFC商业化殛待解决的问题

能源的价格是当前MCFC商业化的主要障碍，当前能源的价格太低，使得开发更高效的能源吸引力不大。当能源的价格涨到$0．08／kW·h时将使MCFC非常有吸引力。部分国家对环境污染控制的重视不够或不力也是一个

重要因素。MCFC的成本、寿命是主要的技术性障碍。基本成本将是MCFC早期市场化的主要障碍，一般认为系统配置成本应小于$1000／kW，安装成本应小于$1500／kW，运行和维护成本应小于$0．02／kW·h。商用的MCFC电堆的寿命一般应大于40000h，其中8000h应是以80％的负载连续运行，整个电站的可用寿命应达到25年。研究表明[8]阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是影响MCFC寿命的主要因素。今后一段时期MCFC的研究将主要集中于：(1)研究阴极氧还原过程的动力学参数，弄清氧还原反应的机理；(2)研制新的电极材料，解决 MCFC的阴极溶解极化问题；(3)提高阳极的电催化活性，改善润湿性，增强其抗蠕变能力；(4)研究融盐在高温下的腐蚀特性，改进密封技术，解决电解质的蒸发以及由于壳体、隔板和其他组分的腐蚀而造成电解质损失；(5)研究解决湿密封引起的旁路电流及电解质迁移、杂质对电池性能寿命的影响。 3．1．2 SOFC及其应用

SOFC除了具有燃料电池的一般优点外，还有以下特点l9J 9：对燃料的适应性强，能在多种燃料包括碳基燃料的情况下运行；无需使用贵金属催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题等。这些特点使总的燃料发电效率在单循环时就有潜力超过60％，而对联合体系来说其发电效率可高达90％。SOFC被认为是最有效率和万能的发电系统，特别是作为分散的电站。事实上S0FC可用于发电、热电联供、交通、空间宇航和其它许多领域，被称为21世纪的绿色能源，正引起各国科学家的广泛兴趣。 3．1．2．1 S0lFC单电池

钇稳定二氧化锆(YSz)是S0FC最常用的电解质；阳极材料常用的是Ni—YSZ金属陶瓷；阴极材料为钙钛矿型氧化物h(Sr)~ C12,13J。 3．1．2．2 S0lFC电堆

目前为止达到实际应用的SOF℃电堆主要有无密封管式(Seal—less Tubular Desi~)，无密封管式S0FC具有气体密封要求不严，热应力引起的问题少，且电池易于连接，高温热交换器易于集成等优点，缺点是电解质和阳极的制作成本高，有效使用面积小，管状的阳极、阴极、电解质膜工艺都比较困难。平板式电池优点是电性能好，功率密度高，制造工艺简单，成本低且适合于规模化生产，缺点是密封困难，大面积的薄陶瓷制作困难。 另外还有两种SOFC 电堆是链段式(segrnen ed—Cel1．in-S es Desi~ ) 和单片式(Monoli~ic Desi~)目前仍处于研制中。

3．1．2．3 SOFC发电装置

SOFC与燃气透平机组联合发电装置，其中S0FC反应生成的高温高压燃气驱动燃气透平机，燃气透平机排气驱动透平机发电。

3．2 用于移动电源及分散性电站的PEFC

3．2．1 PEFC单电池

PEFC单体电池由膜电极装置(Membrane&Electrode Assembly， )，双极板和密封垫片组成，呈三明治结构。膜电极很薄(厚度一般小于lmm)，是在质子交换膜的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层(多采用碳纤维纸或碳纤维布)所组成，形成燃料电池的阳极和阴极。 3．2．2 PEF℃发电系统

PER 系统由电堆及实现物流(燃料、氧化剂)的处理、供应、分配、电控、水热管理等体系构成。电堆运行时，H2和02从高压贮气瓶中经减压，分别通过调压阀、流量计、加湿器(加湿、升温)后，进入电堆，发生化学反应，产生电流。反应产物水由阴极过量的氧气流带出电堆。未反应的(过量的)H2和02流出电堆后，经气水分离器除水，再经过循环泵重新进人电池堆循环使用，也可以直接排空。水、热管理是PER 的重要环节之一。PEFC的运行温度一般在60-~ 。电堆运行时，需要保持一定的湿度，反应生成的产物水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结，对电堆的稳定运行影响很大。这就产生了PEFC的水管理问题。通常情况下，电堆需要使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)。同时又必须及时将生成的水移走，以防电极“淹死”。由于PEFC在60～90℃下工作，反应气体进入电池堆前需要加热。这一过程通常与气体的加湿过程同时进行。 3．2．4 PEFC需要解决的技术问题

(1)高效、新型电催化剂的研究。目前，PEFC主要采用铂作为电催化剂，它对于两个电极反应都具有催化活性，

且寿命长。但是，由于铂的价格昂贵，资源匮乏，使PEFC的成本居高不下，了其大规模应用。因此对于阴极催化剂研究重点是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂；并且改进电极结构，提高催化剂利用率也非常重要。对于阳极催化剂除了具有阴极催化剂的性能以外，还应具有抗CO中毒的能力。(2)新型质子交换膜的研究。质子交换膜作为PEFC的关键部件之一，它不仅起到分隔燃料和氧化剂的作用，而且还是传导质子和电极活性物质的基底，燃料电池的性能在很大程度上取决于质子交换膜的性能。PEFC最早使用的质子交换膜是聚苯乙烯磺酸膜，但是由于它在电池操作条件下发生降解，使电池性能下降，了PEFC的发展。20世纪60年代末采用美国杜邦公司开发的全氟磺酸质子交换膜(Nation膜)，其表现出优良的稳定性和高的质子传导率，使PEFC有了飞跃的发展，但其仍存在性能的不足，并且成本较高。为了进一步提高PEFC的性能，必须研发高性能的离子交换膜，提高膜的离子交换容量、降低膜厚度以减小膜电阻、降低膜的制作成本等。(3)新型双极板与流场的研制与开发。双极板是影响电池功率密度和制造成本的另一个重要因素。在PEFC的运行过程中，需要用双极板来传递反应气体，并排除反应生成物，在PEFC电池组内，还要求极板材料是电的良导体(完成收集电流的作用)和热的良导体(利于排热)，并且，由于燃料电池的工作环境中存在着酸或碱以及氧化和还原介质，所以要求双极板材料具有抗腐蚀能力。目前PEF℃广泛采用的双极板材料为无孔石墨板和金属板和复合型双极板，但由于石墨板制造和流场机械加工的工艺都很复杂，使得采用无孔石墨板制造的双极板价格昂贵。采用金属作双极板，不仅易于批量生产，而且双极板的厚度可大大降低(如可薄0．1-0．3mm)，能大幅度提高电池组的比能量与比功率，因此金属双极板已成为各国发展的重点，其关键技术之一是对金属表面的改性以防腐。

八 综合生态系统管理

1 综合生态系统管理的概念

目前对综合生态系统管理(Integrated Ecosystem Management，简称IEM)还没有统一的概念，也没有固定的实践模式，一切尚在探索、发展之中。例如，美国林务局、土地管理局的定义是，生态系统管理是“对整个生态系统进行管理的战略或方案，其中包括所有相关联的生命体，这与仅仅管理单个物种的战略或方案完全不同。”(FEMATl993)美国内政部的定义是：“生态管理是一个将整个环境考虑在内的过程。它要求娴熟地运用生态学、社会学和管理学的原理来管理生态系统，使之能够提供、恢复或保持生态系统的完整性及长期的理想状态。利用、产品、价值和服务⋯⋯，生态系统管理认为人类及他们的社会和经济需求是生态系统密不可分的一部分。”(USDOBLMl993)美国环保局的定义是：“在支持可持续的经济和社会发展的同时，恢复和保持生态系统的健康、可持续性以及生物多样性。”(Lackey，1995)美国专业团体之一的森林学会认为：“生态系统管理关注生态系统的状态，目的在于保持土地生产力、基因保护、生物多样性、景观格局及生态过程的组合。”(SAF Task Force 1992)至于学者的定义则更多，有的人认为，“生态系统管理涉及到生态系统内部的结构和功能，再加输入与输出所进行的，以达到社会的理想状态。”有人认为，“作为一种自然资源管理方法，生态系统管理致力于保持和恢复生态系统的可持续性，使之以一种与生态系统可持续能力相协调的方式使当代和后代人连续不断地受益。”(Unger 1994)有人认为综合生态系统管理是指“对生态系统的管理”，也有人认为是指“基于生态系统的管理”。有人认为综合生态系统管理或生态系统管理是一种比较新的资源管理理念和方法，但也有人认为它是一个既古老又有新意的概念。如Kristiina Vogt博士认为：生态系统管理是一种很古老的职业，从人类对其周围环境开始施加影响以来，就一直在从事生态系统管理，他们蓄意按照自己的愿望去干扰和改变动植物群落的结构，使之服务于他们的利益。有时他们做的对，有时做的欠妥。所以，生态系统管理的原则牢固地扎根于人类的文明和世世代代的人民中。因此，从这个角度上讲，几乎从人类历史一开始，人类就一直是生态系统的管理者。有些学者认为，生态系统管理的概念是不能实现的、虚幻的乌托邦；而另一些学者却认为生态系统管理是一种具有实效的科学方法。例如，美国一位环保顾问艾伦(Allan K．Fitzsimmons)在《保护幻想：联邦对生态系统的保护》一书中探讨了生态系统管理的科学、哲学和法律问题，认为生态系统的概念本身是虚无的，难以界定和过分灵活的，在实际过程中无法把握其大小，因而不能将联邦环境建立在不牢固的科学基础上，不能将生态系统的利益放在人类利益的前面。不少学者不同意艾伦的观点，美国马里兰大学教授马克(Mark Sagoff)在《生态系统幻想：一篇反映科学技术问题的文章》一书中对艾伦的观点进行了分析、评价和反驳。《生态系统一一平衡与管理的科学》一书，对生态系统、生态系统管理、生态系统管理方法以及生态系统管理框架

等术语、概念及其具体内容作了专门分析。

“生态系统管理”这个术语由“生态系统”、“管理”和“综合”这三个很难下定义的词组成。“生态系统”是一个老词，按照1935年英国生态学家坦斯利(A．G．Tansley)的理解，“我们所谓的生态系统，包括整个生物群落及其所在的环境物理化学因素(气候土壤因素等)。它们是一个自然系统的整体。”③生态系统首先是指生物与其环境的相互作用。当加上“管理”和“综合”这两个词时，它就包括社会和经济等方面。三个词合而为一，则涉及经济、社会、自然(包括环境、资源、生物)之间非常复杂的相互作用和关系。目前对“综合生态系统管理”或“生态系统管理”这一术语本身的含义还有一些争论，其涵义因人而异，在不同场合人们分别使用综合生态系统管理、综合生态系统管理方法(IEM Approach，有人译为综合生态管理方式、综合生态管理途 径)、综合生态系统管理理念，有时简称综合生态管理、生态系统管理、生态系统方法。有的学者认为综合生 态系统管理难以定义，可以确定它不是什么，而难以确定它是什么；大多数学者不希望以繁多的、措词各异的 定义来掩盖生态系统管理的特征和核心，那就是生态系统管理的跨学科性和综合性。

2 综态系统管理的主要内容

对综合生态系统管理的定义不同，其包括内容也会有所不同。至于各国有关、法律文件及管理实践中的综合生态系统管理的具体内容，更是因不同国家和地区而异。本文所谓的综合生态系统管理的内容，主要指综合生态系统管理的各种原则、准则和指南。

目前对综合生态系统管理的内容规定得最全面的国际法律文件，是2000年《生物多样性公约》缔约方大会第五次会议通过的第v／6号决定《生态系统方式》。②该决定专门讨论了“生态系统办法”，提出了有关生态系统办法的5项导则和12项原则即COP一5原则。2004年召开的《生物多样性公约》缔约方第七次会议正式通过了《生态系统方式决定))(UNEP／CBD／COP／7／21，VII／1l生态系统方式)。

综合生态系统管理(第V／6号)的5项实施性导则是：(1)综合生态管理是有关土地、水和生物资源综合管理的策略，目的是采用一种公平的方法促进它们的保护和可持续利用。因此，运用综合生态管理的方法有利于达到《生物多样性公约》中三个目标的平衡：保护生物多样性、持久使用生物多样性的组成部分以及公平合理地分享由利用遗传资源①而产生的惠益。(2)综合生态管理是建立在合理的科技方法利用的基础上的，特别是关于生物圈各层次的研究。生物圈包括有机体以及它们环境间的基本结构、程序、功能、相互作用。它承认人类及它的文化多样性是构成许多生态系统的重要组成部分。(3)对结构、程序、功能和相互作用的关注是符合生态系统的定义的。《生物多样性公约》的第二条对“生态系统”的定义是：“生态系统是指植物、动物和微生物群落和它们的无生命环境交互作用形成的、作为一个功能单位的动态复合体(a dynamic corn—plex)。”与公约有关居留地的定义相比较，这个定义并未明确规定任何具体的空间单位和尺度。因此，生态系统的定义并不需要同生物群系和生态区保持协调，但是它能特指任何尺度的任何功能单位。实际上，分析和决策的尺度把握应该基于具体的实际问题。例如，它可能是一片土壤上的粮食、一个池塘、一片森林、一个生物群系甚至整个生物圈。(4)综合生态管理要求采用合适的管理方法来处理生态系统的复杂和动态性问题，并要解决对生态系统功能认识上的不足这个问题。生态系统进程经常是非直线的，这些进程的结果通常有滞后性的特点。结果是不连续的，会导致意外和不确定。管理必须能处理这样的不确定因素，而且必须包括在实践中摸索和研究反馈的内容。即使在因果关系还没有完全被科学确定的情况下，有时候还是需要采取一些摸索性的方法。(5)综合生态管理并不排斥其他的管理和保持方法，例如生物圈保护、保护区、单一种类保护项目，以及在现行国家和立法框架下的其他方法。相反，它可以综合所有这些方法来处理复杂的问题。没有一个单一的方法来实施综合生态管理，因为它依赖于地方、省级的、国家的、地区的以及全球的情况和环境。实际上，综合生态管理可以以多种形式充当一个框架，来解决公约在实际操作中的目标。

综合生态系统管理(第v／6号)的12项原则是：(1)确定土地、水及其他生命资源管理目标是一种社会 选择；(2)应将管理下放到最低的适当层级；(3)生态系统管理者应考虑其活动对邻接的和其他的生态系统的 (实际的和潜在的)影响；(4)考虑到管理带来的潜在收益，通常需要从经济学的角度来理解和管理生态系 统；(5)为了保持生态系统服务，保护生态系统结构和功能应成为生态系统方法的一个优先管理目标；(6)生 态系统的管理必须以其自然功能为界限；(7)应在适当的时空范围实行生态系统方式；(8)认识到生态系统进

程的特点是时限的变化性和效应的滞后性，应从长远制定生态系统管理的目标；(9)管理必须认识到变化的 必然性；(i0)生态系统方式应寻求生物多样性保护与利用间的适当平衡与统一；(11)生态系统方式应该考虑 各种形式的有关信息，包括科学知识、土著民和当地人的知识、创新的和习惯；(12)生态系统方式应该要求所 有相关的社会部门和科学部门参与。

另外，一些国际组织和专家学者也提出了一些有关综合生态系统管理的原则。例如，世界自然资源保护联盟(IUCN)②的生态系统管理委员会(CEM)③提出的生态系统管理的lO项原则是：管理目标是社会的抉择；生态系统管理必须考虑人的因素；生态系统必须在自然的分界内管理；管理必须认识到变化是必然的；生态系统管理必须在适当的尺度内进行，保护必须利用各级保护区；生态系统管理需要从全球考虑，从局部人手；生态系统管理必须寻求维持或加强视听系统的结构与功能；决策者应当以源于科学的适当工具为指导；生态系统管理者必须谨慎行事；多学科交叉的途径是必要的。

支撑生态系统方式的理论基础是关于生态、经济和社会复合大生态系统的现代生态学理论，深刻认识和理解生态系统和生物多样性是理解和掌握生态系统综合管理的关键。《生物多样性公约》的第二条对“生态系统”的定义是：“生态系统是指植物、动物和微生物群落和它们的无生命环境交互作用形成的、作为一个功能单位的动态复合体。”①也有人认为，生态系统是指一定地理空间范围内的生态功能单元，它由相互联系的生命有机体(植物、动物及其它生物)与其物理环境(气候、土壤、水、地形)相互作用所形成的复合群体(acomplex community)所组成。⑦“生物多样性”是指各种生命形式的资源以及所有来源的生物和它们组成的系统的多样性和变异性。根据《生物多样性公约》第二条的规定，“‘生物多样性’是指所有来源的形形色色生物体，这些来源除其他外包括陆地、海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体；这包括物种内部、物种之间和生态系统的多样性。”一般认为，生物多样性包括基因多样性、物种多样性和生态系统多样性。综合生态系统管理主要基于对生态系统和生物多样性的认识，包括生态系统的自然特征、功能、价值。 综合生态系统管理是基于生态系统的管理，因而应该特别注意生态系统的如下特点： (1)生态系统和生物多样性对人类具有特别重要的意义和作用。生物多样性是人类赖以生存的各种生命资源的汇集和未来农林业、医药业发展的基础，为人类提供食物、能源、材料等基本需求。丰富多彩的生物与它们的物理环境共同构成了人类所赖以生存的生物支撑系统，为全人类带来了难以估价的利益。人类文化的多样性很大程度上起源于生物及其环境的多样性。人类是生态系统的有机组成部分，在人类活动愈来愈强烈的大背景下，应该认识到人类对生态系统的影响可能是最显著的，以及人类福利依赖于健康的、生产力高的、可持续的生态系统。

(2)生态系统具有等级组织结构。每一个规划区都包含在一个更大的生态系统中，同时它又含有更小的生态系统。所以在生态系统管理中应该充分考虑不同水平生态系统间的相互关系，充分考虑上、下级生态系统可能代表着生活在该区居民的不同利益目标，充分考虑超越行政的、地理的边界线的情况，以及上述问题对规划、决策过程产生的影响，从而正确预测措施或活动所产生的效应。

(3)生态系统是复杂的。生态系统中的生命组分和非生命组分是相互联系、相互依赖的。这就要求在规划时要充分考虑正负效益对生态系统间相互作用关系的影响。 (4)生态系统是动态的。生态系统的结构和功能随时问发生变化，必须考虑对生态系统结构和功能产生的长期和短期影响。

(5)生态系统执行着重要的生命支持功能，所以在生态系统管理中应充分考虑人类活动是如何影响生态系统中维持所有生命支持功能的生物过程、化学过程和物理过程的等问题。 (6)关于生态系统的认识是不完全的。这一点对指导实践很重要，它要求实施生态系统方式的基础应该是最新的、可靠的知识或科学技术，它要求对生态系统的认识要不断地扩展，要求采用灵活的管理形式以便经过实践得到再发展，要求搞好信息调查、收集、整理、交流和传播工作，实现资源和专业知识共享。

3、综合生态系统管理的特点

综合生态系统管理方法的主要特征如下：

1．综合性。该方法注重综合运用现代自然技术科学和人文社会科学的基本理论和科学方法，综合考虑

生态、社会、经济、法律和多方面因素，从生态系统整体上考虑其功能和生产力，系统地分析生态系统内

部和外部因素及其相互关系，综合采用行政的、市场的、社会的调整机制，寻求经济效益、社会效益和环境效 益相统一的最佳综合效益，促进经济、社会和环境的全面、协调和可持续发展。它不是仅对单项环境介质、单 个资源要素的单项管理，也不仅仅局限于单一的土地类型、保护区域、政治或行政单位，而是多种介质、多种 目标的全过程管理，它是一种跨部门、跨区域、多元主体参与的系统管理，它涵盖所有的利益相关者，将经济、 社会和环境因素有效整合到管理目标中。

2．可持续性。它着眼于生态系统中自然资源的可持续利用，照顾到生态系统的长期的可持续发展和良

性循环，避免“竭泽而渔、毁林而猎”的短期行为，注意综合地权衡各种生态系统的功能、优势资源、生产能力

以及生态系统中多种多样的产品和效益，强调为了当代和子孙后代的利益。

3．科学性。它尊重社会经济发展规律和自然生态客观规律，将管理建立在生态学、环境学、管理学等科 学理论和科学技术的基础上。它注意在生态系统功能和承载力的限度内对生态系统进行管理，管理措施力 求科学和谨慎。例如，在一些物种陷入受威胁状态时要通过保护来恢复，在种群增长过量时则采取适当调节 的措施以防止对整个生态系统带来不利的影响。

4．和谐性。它既关注人的利益，又关注生物和生态系统整体的内在价值；既重视人与人的关系，又重视

人与自然的关系。它以人为本，以自然为根，以人为主导，以自然为基础，它服务于人类，把人类需求放在适 当位置，承认并允许人类在不过分损坏自然的基本原则下，最大限度地发挥其生产能力。同时，一旦发现已 超过生态系统允许的限度，就应立即改变自己的计划，将人类的需求控制在合理的范围内。它强调并追求人 与自然的和谐共处，统筹实现城乡发展、区域发展、经济社会发展以及人与自然的和谐发展。

5．灵活性。它是适应性管理，是一种因时因地制宜、与时俱进的一种管理方式。它强调充分考虑不同地 区自然、经济、社会条件的特点，以及生态系统的区域差异性、复杂性、动态性和不确定性，要求管理计划应具

有一定的灵活性和适应性，以便管理策略能对出现的新情况进行相应调整，对发现的问题做出适当的修改与 纠正。

4、综合生态系统管理的作用和意义

综合生态系统管理既是一种新的理念、原则，又是一种新的管理策略、方式和方法。它不仅对整个环境资源管理、环境资源法制建设和环境资源法学的发展具有重要理论意义和实践意义，而且对指导、促进和加强我国的环境资源管理工作、环境资源法制建设，特别是指导和促进西部6个省(区)防治土地退化的规划管理工作和法制建设工作具有长远的理论指导意义和重要的现实作用。概括起来，它的意义和作用如下：

4.1它实施、履行《生物多样性公约》、协调各相关国际环境资源公约的一种科学方法，具有重要的国际意义。首先，它是综合管理土地、水和生物资源，公平促进其保护与可持续利用的战略，它为落实《生物多样性公约》的目标提供了综合框架。其次，生态系统方法是一种便于相关国际公约协调发展，便于相关领域方法融合的科学方法。生态系统方式是有助于解决《生物多样公约》所涉各种问题的工具。目前，综合生态系统管理的指南和原则已被《联合国生物多样性公约》缔约国大会通过的决定所认可，综合生态系统管所反映的具体规律，已经或正在被发展为具体的国际社会认可的行为原则和规则，为立法和决策采纳，并成为有关国际项目甚至评判立法或决策、法律体系是否反映IEM的法律标准。例如，2002年4月7日至9日在荷兰海牙召开的《生物多样性公约》第六次缔约方大会会议通过的《关于对生态系统、生境或物种构成威胁的外来物种的预防、引进和减轻其影响问题的指导原则》，其中第三条原则就是“生态系统方法”，并明确规定“为对付外来入侵物种而采取的措施应酌情以缔约方大会第V／6号决定中所阐明的生态系统方法为基础”。

对土地、水和生物资源管理实行生态系统方式，并非只有一条正确道路，可灵活运用基本原则解决不同社会 环境中的管理问题。生态系统方法有利于该方法与其他方法的结合与互补。现在已有一些部门和制定了与生态系统方式具有部分一致性、互补性甚至是相同性的准则(如《负责任渔业行为守则》、《可持续森林管 理办法》、适应性森林管理等)。

4.2它利于生态环境的保护、自然资源的可持续利用和有效地防治包括土地退化在内的环境资源问题。

生态环境问题的整体性、复杂性和科学不确定性，需要综合生态系统管理这样的新思想、新模式。生态系统方

法可以为人们应对资源的所有权问题、保护区管理问题、资源获取以及惠益共享等问题提供一个很好的框架，从而调动生态系统管理区域内所有利益关系人的积极性。它是对生态系统活动(包括管理、、法律等)进行规划、决定和评价的有效工具。它为规划、利用、管理自然资源和自然环境(如土、水、植被、野生动物等)提供了新的方法，特别是科学的规划方法，为更加有效地、可持续地利用生态系统的自然资源奠定了基础，使生态系统的自然资源开发、利用和保护工作秩序井然地进行，从而实现经济与环保的双赢。

4.3它促进和加强环境资源管理工作和环境资源法制建设。生态系统方法是运用多学科知识、多种调整机制的综合方法框架，在这一框架内，可制定适用于特定情况的更具体办法。实施生态系统方式，有几种方案可供选择：可以将生态系统方式的各项原则纳入国家生物多样性战略与行动计划和区域战略的设计与执行之中；也可以将其原则纳入工具、纳入规划进程的主流或纳入部门计划(如森林、渔业、农业计划)。为实施生态系统方式，各国和各级应将其各项原则纳入适当的、法律和预算渠道或找出已有的与之相一致或相同的准则，从而促进环境资源法制建设的健全和深入发展。通过完善法律、、机构和社会经济来支持可持续地利用生态系统的自然资源；新的法律程序应当建立在综合生态系统管理的基础上，在生态系统功能和服务与人类社会、经济和生产体统之间建立联结。

4．它是行政调整、市场调整和社会调整机制的综合反映。这里必须特别强调的是，生态系统方法是体现良治思想、适合于公民社会和生态社区建设的方法，它已被可持续发展问题世界首脑会议认可为加强可持续发展和减缓贫穷的一个重要手段。

5．它对中国特别是中国西部省(区)具有重要的现实意义和作用。本项目(PRC—GEF干旱土地退化防治)要求省(区)级法律体系中建立实施综合生态系统管理能力的领域；综合生态系统管理方法为省(区)级管理者提供有操作意义的信息和指南，有利于加强法律体系在防治土地退化方面的能力；将综合生态系统管理融入法律体系，有利于形成一个全面的省(区)级管理体系；在机构调整方面，有利于强调和促进机构职能的综合性和协调性；有利于将法律体系与环境法信息系统结合起来；有利于在实施法律过程中重视群众参与；通过采取综合生态系统管理的方法，有助于解决中国西部干旱地区土地退化以及与此相关的农村贫困问题。中国作为《联合国生物多样性公约》的缔约方已经认可综合生态系统管理的指南和原则，基于这一认识我们可以将其作为法律渊源，并进一步作为本项目(PRC—GEF)六省(区)实施IEM的基本法律要素。掌握和实施综合生态系统管理方法，是中国／全球环境基金干旱生态系统土地退化防治伙伴关系项目成效大小甚至成败的关键。生态系统方式是《生物多样性公约》(CBD)项目的行动原则，也是全球环境基金(GEF)批准生物多样性项目的一个审批标准。我国有关《生物多样性公约》项目，特别是本项目(GEF—OPl2)的准备过程、实施过程中应该充分重视这一方式，并应在项目全过程中贯彻。只有在理解和运用生态系统方法上下功夫、出经验，才能使中国／全球环境基金干旱生态系统土地退化防治伙伴关系项目多出高质量的成果，才能切实促进我国西部地区土地退化防治工作及其法制建设的可持续发展。