材料生命周期评价资源耗竭的分析（精）

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第1章　概　　论
　　材料生产是人类改造自然物质使其适用于社会发展的最基本的科技手段，是各发达国家优先发展的关键工业领域，与信息和能源一同被誉为现代文明的三大支柱。进入21世纪以来，随着世界各国对环境问题关注度的不断提升，材料工业“高能耗-高污染”传统发展模式的资源-环境代价逐渐引起了学者、政府和社会各界的重视，如何在材料工业落实国家提质增效政策，从而实现其可持续发展，已成为社会发展赋予材料工作者的历史使命。本章介绍了生态环境材料与生命周期评价的基本概念以及二者之间的科学关系，重点阐述生命周期评价中资源耗竭特征化问题的发展现状与学术进展。
　　1.1　材料行业发展现状与生态环境材料
　　1.1.1　我国材料行业发展现状
　　改革开放以来，我国材料工业进入高速发展时期，钢铁、水泥、铝等主要材料产品的年产量长期位居世界首位，对全国GDP的贡献超过20%，是宏观经济的重要组成部分，有力支撑了基础设施建设、城镇化、国防事业等重点领域的高质发展。表1-1列出了我国主要材料产品的各年份产量，由表可知，以1995年为对比基准，截至2016年，我国粗钢产量、十种有色金属产量和水泥产量的增长率已分别达到约710%、960%和400%。
　　表1-1　我国主要材料产品的各年份产量
　　在保障人类社会发展物质基础的同时，材料工业也是地球自然资源的主要消耗者，所引发的环境问题不容忽视。我国材料工业现阶段仍没有完全走出“高能耗-高污染”的传统粗犷发展模式。相关统计数据显示，“九五”以来，我国材料工业能耗常年呈现上升趋势，如图1-1所示，2016年四大材料行业(黑色金属冶炼及加工业、有色金属冶炼及加工业、化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业)的综合能耗为1995年综合能耗水平的3.5倍，在工业能耗和全国总能耗中所占比例分别由52.2%、38.3%上升至59.9%、39.9%。
　　图1-1　材料工业能耗的变化趋势
　　tce代表吨标准媒
　　随着全球范围内环境危害事件不断出现，保护环境以实现人类社会可持续发展已成为当今世界的时代主题。1992年于巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会、1997年于日本京都召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议、2009年于丹麦哥本哈根召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第十五次会议，均是以环境保护为主题的全球性会议，对世界各国制定可持续发展政策产生了深远影响。
　　在此全球背景下，作为导致环境恶化的重要责任者之一，材料工业亟待检讨其传统发展模式。寻求创新可持续发展道路，落实国家提质增效政策，已成为社会发展赋予材料学者的历史使命。
　　1.1.2　生态环境材料
　　在掠夺式发展时期，为人类社会提供物质基础是材料科学的首要任务，1979年美国材料科学与工程调查委员会将材料科学与工程定义为材料成分、结构、工艺和性能(四要素)之间有关知识的开发和应用的学科。如今，随着文明发展向可持续模式转变，人们对材料产品环境协调性(指资源消耗少、环境污染小和循环再生率高)的要求已超出了传统“四要素”定义的范畴。
　　粗犷式发展与可持续发展之间的矛盾孕育出了生态环境材料这一科学理念。生态环境材料，英文名为ecomaterials，由日本东京大学的山本良一教授最先提出，其定义“同时具有良好使用性能和环境协调性，或者能够改善自然环境状态的材料”，已获得国际学术界的普遍认可。
　　我国生态环境材料研究肇始于20世纪90年代末。“九五”期间，国家高技术研究发展计划(863计划)支持了首项国家层面的生态环境材料专项研究，由北京工业大学牵头，重庆大学、北京航空航天大学、清华大学等六所大学联合承担，研究了我国钢铁、水泥、铝、陶瓷等七类量大面广的典型材料；同期，生命周期评价的国家标准亦制定完成(GB/T 24040—1999，GB/T 24041—2000，GB/T 24042—2002，GB/T 24043—2002)，与ISO 14040—2006系列标准相对应。“十五”期间，北京工业大学及其合作单位再次承担863计划项目，探索开展了生态环境材料技术应用示范。“十一五”期间，国家三大科技计划(863计划、973计划、科技支撑计划)继续支持了生态环境材料研究，进一步拓展了生态环境材料理论在各大材料体系中的应用范围。
　　在一系列国家层面科研计划的支持下，北京工业大学及其合作单位系统开展了材料生命周期评价、材料循环再生、材料生产利废、材料流程减排等生态环境材料关键领域的研究工作，自主开发了本土化材料生命周期评价数据库(获批组建“工业大数据应用技术国家工程实验室”)，完善并丰富了生态环境材料的基础理论与科学内涵，初步实现了生态环境材料研究由“概念辨析”向“材料生态设计”乃至“材料生命周期工程”的跨越，明确了生态环境材料理念的实践方向。
　　我国生态环境材料二十余年的发展取得了众多标志性成果，包括多本著作与教材的出版、中国材料研究学会环境材料分会的成立、相关本科专业的开设等，显著提升了国内材料学界的环境意识，确立了生态环境材料研究方向的学术地位。
　　1.2　生命周期评价及其在材料环境协调性表征中的应用
　　1.2.1　生态环境材料与生命周期评价
　　生态环境材料研究包括两方面内容：一是建立材料环境性能的定量评价体系；二是开发满足环保需要的具体材料与技术。两方面研究内容相辅相成、缺一不可，脱离具体材料实施评价体系是空的，而不经科学客观评价使用“环境标签”则是盲目的。
　　两方面研究内容又以建立环境表现评价方法体系为基础。与重点关注使用性能的传统研发思路不同，生态环境材料理念将环境意识融入材料研发过程，力求实现使用性能与环境表现之间的平衡，确保材料产品既满足安全服役需求又具备环境改善潜力，因此生态环境材料研究首先要解决如何量化材料环境性能这一根本问题。
　　为了解决上述问题，生命周期评价方法被引入生态环境材料研究中，广泛应用于材料环境性能表征，是深入解析材料生产环境影响的有效手段。
　　1.2.2　生命周期思想的起源
　　生命周期评价方法至今已有近五十年的发展历史，最早可追溯到20世纪60年代末美国可口可乐公司委托美国中西部研究所(Midwest Research Institute)开展的针对不同包装材料综合环境影响的对比研究。在此之后，美国和欧洲各国的其他研究机构也相继开展了大量的相关研究工作。
　　表1-2列出了生命周期评价方法产生初期的代表性研究案例。“生命周期思想”(life cycle thinking)是贯穿于所有早期研究案例之中的核心科学观念。
　　表1-2　生命周期思想的起源
　　一般而言，任何人造物都是以自然环境中的资源为原料，经过若干道生产工序获得的，而最终又将以废弃物的形式被排放到自然环境之中。与产品生产相关的工业过程向上游可追溯至矿物开采阶段，向下游可延伸至废弃处置阶段。
　　所谓“生命周期”(life cycle)是指产品从自然环境中来，再回到自然环境中去的全过程，即“从摇篮到坟墓”(from cradle to grave)的全过程，具体包括原料开采、材料生产、产品制造、产品使用、废弃循环等阶段，如图1-2所示。当今应用广泛的碳足迹、水足迹等足迹评价方法均以生命周期思想为边界建模基础。
　　图1-2　产品生命周期示意图
　　1.2.3　生命周期评价的定义与技术框架
　　国际环境毒理与环境化学学会和国际标准化组织均发布过生命周期评价执行标准，目前国际上应用最为广泛的是国际标准化组织于2006年修订发布的标准，将生命周期评价定义为：对一个产品系统(既可以是物质生产系统，也可以是服务提供系统)的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。图1-3为ISO 14040—2006规定的生命周期评价技术框架，包括目标与范围确定、清单分析、环境影响评价与结果解释四部分。目前，该技术框架的基础部分(即目标与范围确定、清单分析)已较为完善，而环境影响评价与结果解释部分仍处于探索发展阶段。
　　图1-3　生命周期评价的技术框架
　　1.2.3.1　目标与范围确定
　　目标与范围确定是开展生命周期评价的首要步骤，旨在明确评价意图、系统边界、功能单位、数据要求及计算假设等基本条件，从而保证研究的规范性与一致性，是实施后续评价过程的出发点和立足点。
　　在此阶段，正确选取功能单位至关重要，这是因为功能单位是对产品系统输出功能的量度，为对比分析不同产品的环境性能提供了参考基准。
　　1.2.3.2　清单分析
　　生命周期清单(life cycle inventory， LCI)分析是生命周期评价中对所研究产品系统的生命周期输入输出项进行编目与量化的阶段，是实践生命周期评价方法的数据保障，其准确度直接影响最终评价结果的客观性与合理性。
　　目前最常用的生命周期清单分析方法是基于流程分析的清单计算模型(process-based model)。随着对计算模型准确度与覆盖面要求的不断提升，有学者提出了基于投入产出分析的清单计算模型(input output-based model)，用以解决复杂生产系统中物质流循环的定量描述问题。
　　1.2.3.3　环影响评价
　　生命周期影响评价是在编制完成生命周期清单的基础上，对不同资源消耗量和污染物排放量所可能产生的环境影响的评估。通过实施此步骤，可将生命周期清单转化为资源消耗、健康损害和生态毒性等潜在环境影响结果，从而获得所研究产品环境性能的综合信息。
　　生命周期影响评价的具体实施步骤包括评价模型/影响类型的选择、分类、特征化、归一化、分组和加权，如图1-4所示，其中前三项属于国际标准化组织所规定的强制性步骤(影响评价必备要素)，而后三项则属于非强制性步骤(影响评价可选要素)。
　　通过实施可选要素(归一化、分组、加权)虽然能够获得单一影响指标，提升生命周期评价结果的可比性，但其所引入的大量人为主观因素会显著降低评价结果的客观性，例如，在“加权”阶段，各环境影响类型的权重因子无法通过自然科学研究方法直接获得，须借助以专家主观赋值为基础的层次分析法(analytic hierarchy process， AHP)。
　　自20世纪90年代以来，生命周期影响评价方法持续更新发展，至今已形成CML[由荷兰莱顿大学环境科学研究中心(Centrum voor Milieuwetenschappen Leiden)建立的当量评价方法]、Eco-indicator(荷兰PRe公司开发的损害评价方法)、Ecoscarcity(瑞典生命周期环境影响评价方法)、EDIP(丹麦生命周期环境影响评价方法)、ReCiPe(融合了CML与Eco-indicator)等众多体系。按照所选取环境影响类型层次的不同，上述评价方法体系可被划分为关注全球变暖、酸化效应、富营养化、光化学烟雾等多种影响类型的中间点评价(mid-point)模型和针对资源耗竭、