Экологические характеристики конструкционных материалов

0

Получение минеральных и энергетических ресурсов, переработка сырья и производство конструкционных материалов являются первой стадией жизненного цикла. На этих этапах жизненного цикла любая техническая продукция впрямую взаимодействует с окружающей средой и оказывает мощное техногенное воздействие. Рациональный с позиций экологии выбор материалов для новых конструкций во многом будет характеризовать объемы и структуру негативных воздействий на первом этапе жизненного цикла.

От решений, принимаемых на этапах структурного и параметрического синтеза автомобиля, его узлов и агрегатов, зависит, какие материалы и в каком соотношении будут применены в конструкции. Конструкторы в настоящее время при выборе материалов ориентированы на их физические, эксплуатационные и технологические характеристики, которые определяют качество и технологичность проектируемого объекта, а также на стоимостные показатели, от которых зависит окончательная цена. Экологические требования не отменяют всех предыдущих требований к конструкционным материалам, а дополняют их с целью снижения негативного воздействия и сохранения природных ресурсов.

Конструкционные материалы влияют на функциональные показатели автомобилей — его прочность, износостойкость, внешний вид и др. При выборе материалов ставят, прежде всего, следующие вопросы:

• обладает ли материал желательными физическими свойствами (прочностью, электропроводностью, коэффициентом отражения и т. д. );

• обладает ли материал желательными химическими свойствами (растворимостью, кислотоустойчивостью и т. д. );

• разумны ли издержки на приобретение этого материала.

В результате длительной хозяйственной деятельности человека многие ресурсы пришли в истощение, и их добыча наносит существенный урон окружающей среде. Доступность ресурсов и период их истощения являются мощным сдерживающим экологическим фактором.


Таблица 1. Период истощения материалов

Материал

Период

Олово

27

Серебро

16

Висмут

30

Медь

35

Германий

35

Свинец

20

Цинк

19


Помимо периода истощения материалы характеризуются и другими экологическими показателями:

• насколько опасен материал для окружающей среды;

• высоко ли содержание овеществленной в материале энергии;

• имеет ли материал потенциальные ограничения предложения;

• подлежит ли материал рециклингу;

• являются ли материалы при добыче полезных ископаемых основными или побочными продуктами;

• географическое распространение минерального сырья для получения материалов;

• можно ли материал заменить (имеются ли альтернативные материалы) и др.

 

Рис. 1. Потребление энергии на 1 кг материала


Выбор конструкционных материалов в настоящее время часто ограничивается их токсичностью. Правительственные экологические агентства обычно определяют список токсичных материалов, которые вызывают озабоченность в связи с их применением. Такие списки служат хорошим ориентиром для проектировщиков (конструкторов). Так, Агентство по охране окружающей среды США опубликовало список из 17 веществ, сокращение применения которых составляет цель проекта «Промышленная токсичность». К этим веществам относятся: бензол; четыреххлористый углерод; хром и его соединения; дихлорметан; ртуть и ее соединения; метилизобутилкетон; тетрахлорэтилен; трихлорэтан; ксилолы; кадмий и его соединения; хлороформ; цианиды; свинец и его соединения; метилэтилкетон; никель и его соединения; толулол; трихлорэтилен.

Пренебрежение показателями по потенциальному ограничению материалов и тому, является ли он основным или побочным продуктом, при добыче полезных ископаемых может привести к серьезным просчетам. Например, фирма Sony десять лет вела исследования по разработке нового припоя с целью исключить из его состава свинец. Микрочипы, конденсаторы, резисторы и другие электронные детали прикрепляются к месту с помощью припоя — легкоплавкого сплава, содержащего по весу примерно 60 % олова и 40 % свинца. Фирма Sony анонсировала новый припой, состоящий из: 93, 4 % олова, 2 % серебра, 4 % висмута, 0, 5 % меди, и 0, 1 % германия. Припой имеет хорошие функциональные показатели и хорошо осуществляет спаивание, его используют в современных паяльных аппаратах.

Более тщательный экологический анализ анонсированного нового припоя на основе олова, серебра, висмута, меди и германия показал, что висмут является исключительно побочным продуктом добычи свинца, период истощения которого составляет 20 лет. Если бы новый сплав полностью заменил старый, использование олова увеличилось бы примерно от 21 до 33 %. Не возникло бы никаких значительных изменений в темпах использования меди, а использование серебра увеличилось бы на 11%. Однако использование висмута увеличилось бы на 89 %, а германия — на 103 %. Это вызвало бы существенное напряжение систем добычи и переработки. Более серьезную проблему представляет то, что период истощения всех этих материалов в настоящее время достаточно короток и стал бы еще короче при новых темпах потребления. При широком использовании нового припоя период истощения германия сократился бы с 35 до 17 лет, серебра — с 16 до 14 лет.

В последнее время делаются попытки сравнить экологические показатели различных материалов в жизненном цикле. Критерием экологически безопасного материала могут быть экологические показатели, характеризующие негативное воздействие на окружающую среду при производстве различных конструкционных материалов. Однако если брать абсолютные показатели негативных выбросов, характеризующие производство

различных материалов, то сделать выводы о преимуществе како-го-либо материала невозможно.

 

Рис. 2. Выбросы вредных веществ при производстве стали

 

Рис. 3. Выбросы вредных веществ при производстве меди


Большое внимание в мировой экономике уделяется вовлечению отработавших материалов в повторное использование.

В связи с вышеизложенным можно ввести понятие экоматериала — это материал, получение и использование которого приводит к минимальному воздействию на окружающую среду, минимальному истощению ресурсов и минимальным регулирующим ограничениям для использования.


Таблица 2. Экологические показатели при производстве различных конструкционных материалов

Материалы

Приведенная масса выбросов, кг/кг материала (Графкина М. В. )

Экоиндикатор, балл/кг материала (Козлов А. В. )

«Экоиндикатор-95», балл /кг материала (данные университета г. Delft)

Алюминий

2975, 84

0, 564

18, 1

Медь

22720, 6

3, 148

133

Пластмасса

1375, 12

0, 2983

5, 29

Свинец

4126, 88

0, 769

6, 94

Сталь

998, 367

0, 222

4, 88


Таблица 3. Коэффициент, характеризующий мировой объем рециклированных материалов

Материал

Коэффициент рециклирования материалов, %

Алюминий

28

Медь

38

Свинец                       

53

Никель

34

Сталь

64

Олово

13

Вольфрам

10

Цинк

28


Используя это понятие как ориентир, можно сформулировать шесть основных свойств экоматериалов:

• предложение материала неограниченно;

• материал требует низкого потребления энергии при добыче, переработке и производстве;

• материал оказывает незначительное воздействие на окружающую среду или не оказывает его вовсе;

• на материал нет существующих или ожидаемых правовых ограничений;

• материал можно использовать долго;

• материал можно обновлять или рециклировать.

Для специалистов по проектированию процесс экологического выбора материала может быть отражен в четырех основных целях:

• попытаться получить необходимые материалы из рецикли-рованных потоков, а не из первичных ресурсов;

• по возможности выбирать для новой конструкции распространенные, нетоксичные, не подлежащие регулированию материалы;

• проектировать с учетом минимального использования материалов в продукции, процессах и услугах;

• проектировать для долгого срока службы с учетом возможного восстановления и рециклирования.


Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля : учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. — М. :
ФОРУМ, 2009. — 320 с. — (Высшее образование).

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Рефераты / Экология

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.