论文部分内容阅读
随着人们对纳米材料研究的不断深入,纳米材料的应用领域已经延伸到各行各业。但是纳米材料制造阶段一直存在着高能耗、低利用率和污染等问题,这违背了自然资源日益匮乏和人类环保意识不断增强的现实,因而对纳米材料的可持续性研究的需求变得日渐迫切。本文以低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)工艺制备纳米Ti02薄膜为研究对象,从LPCVD工艺能耗物耗分析、生命周期环境影响、生产能耗及碳排放预测三个方面对其进行了环境可持续性研究。首先,根据流体基本理论,分析了LPCVD制备纳米Ti02薄膜过程中的气体的流动状态,并运用N-S方程建立了混合气体在三个温区的运动方程；根据薄膜生长基本理论,结合菲克扩散定律求得薄膜沉积进度函数表达式；根据质量守恒定律和能量守恒定律,分析薄膜制备过程中的质量和能量流向,求出前驱体利用率和能量利用率。结果显示,LPCVD工艺过程中前驱体利用率小于1%,能量利用率小于0.1‰。当工艺条件为(723K,500Pa)时,前驱体利用率最高；工艺条件为(623K,500Pa)时,能量利用率最高。其次,基于能耗物耗分析结果,运用LCA方法对纳米TiO2薄膜进行了生命周期环境影响研究。研究分为两个方面：其一,选取0.1mol纳米Ti02薄膜材料为功能单元,分析汇总了生命周期过程中资源、能源消耗与环境排放数据,经过特征化、标准化和加权处理后,得出全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、光化学烟雾(POCP)、生态毒性(ET)五项环境影响潜值,计算得出总环境影响负荷为0.024596人当量,其中对于全球变暖的影响最大；其二,对不同LPCVD工艺参数下制备的Ti02薄膜进行了生命周期环境影响对比,结果显示,通过改变低压化学沉积过程中的温度和压强,纳米Ti02薄膜生命周期环境表现的差异程度能够达到16.3%,当工艺条件为(673K,500Pa)时,环境影响负荷值最小最后,以能耗物耗分析和LCA研究为基础,用情景分析方法,设置了基准情景、理想情景和保守情景,研究了未来我国生产纳米Ti02涂层玻璃过程中LPCVD工艺的能耗和碳排放的走势。该过程的Ti02涂层玻璃产量预测充分参考了近年来平板玻璃的产量,碳排放预测过程中综合考虑了未来LPCVD工艺节能优化以及我国电力结构演变情况。结果显示,由于电力结构的不断优化,在产量提高和能耗提高的同时,碳排放都有持续走低的趋势。