环境新议题:待解谜团–环境中奈米微粒

从民生产品到高科技领域,奈米科技已经旋风式地掀起新一波的产业技术革命,但在繁荣远的背后,有没有可能带给环境无可预期的冲击?

看不见的微小粒子

空气中有很多颗粒状物质,在一定大小的范围内,容易吸入肺部造成健康上的危害,因此特别值得关心。粒径大于10微米的颗粒物质称为落尘,在短时间内会沉降,对人体健康的影响较小。粒径小于10微米的颗粒物质叫做悬浮微粒(particulate matter, PM),又称浮游尘,主要来源包括道路扬尘、车辆排放废气、露天燃烧、工厂排放、由空气污染转化成的二次污染物等,由于粒径小,较能深入人体肺部,对呼吸系统的危害也较大。

悬浮微粒又可再细分为平均粒径10微米的悬浮微粒(PM10),以及平均粒径2.5微米的悬浮微粒(PM2.5)。一般而言,粒径大于4.7微米的悬浮微粒,大多数会沉积在鼻咽部,不易进入气管。粒径在3.3~4.7微米的,易沉积在气管及主支气管中。粒径在2.1~3.3微米的,易沉积在支气管中。粒径在1.1~2.1微米的,易沉积在末梢支气管中。小于1.1微米的,则易沉积在肺泡组织中。

目前国际上的分类方式,把粒径在100奈米以下的称为奈米微粒,换算成以微米为单位,则奈米级的悬浮微粒可以用PM0.1表示(1微米=1,000奈米)。奈米微粒由于体积特别小,可能会穿透肺泡到血液中危害健康。过去因为量测技术的限制,对于这种肉眼看不见的细小粒子并未太予重视。近来由于奈米科技及奈米材料的迅速发展,才引起各界广泛的注意。

环境中奈米微粒所涉及的健康风险,问题相当複杂。因为除了粒径、粒子的形状,以及粒子内外组成外,人体及其他生物的暴露途径、可能的生物累积等,都会造成不同程度的影响。

都会区的悬浮微粒

如果比较市区与郊区的空气品质,可以发现在市区裡因为有较多的汽机车排放废气,会造成较多的奈米微粒。在郊区或山区,产生奈米微粒的来源较少,大部分是粒径较大的悬浮微粒。因此在不同的区域、不同交通特性、不同气象条件之下,会有不一样的粒径分布。

美国环保署一项很有趣的调查研究显示,人口及车辆密集的都会区,空气中悬浮微粒的粒径通常会呈现三个波峰的分布,主要的粒径大小是PM5、PM0.2及PM0.02。每一都会区的波峰落点(粒径)虽不尽相同,但整体趋势是一致的。目前常以PM10、PM2.5及PM0.1代表空气中不同粒径范围的浓度,并以这标准检视空气品质的好坏,这一点与前述实际空气中悬浮微粒分布状态颇有异曲同工之妙。由于国际上把小于100奈米的颗粒定义为奈米颗粒,所以PM0.1与PM0.02均属于奈米等级,而PM0.2与PM2.5则属于另一等级。

环境中奈米微粒

行政院环保署长期以来,就针对前述悬浮微粒PM10及PM2.5进行监测。在台湾地区设置的76个空气品质监测站中,PM10是每天测定及每天预报空气品质(pollutant standards index, PSI)的项目之一。PM2.5因为粒径比PM10小,必须仰赖专门监测的超级测站量测,目前全台有5站(新庄市、大寮乡、桥头乡、前镇区及潮州镇)可以量测,主要针对空气中PM2.5分布的特性进行连续监测,可增进对PM2.5特性的了解,进而订定空气品质标准及管制政策。

目前世界各国都尚未进行PM0.1(奈米微粒)的监测站连续监测工作,环保署近几年与清华大学及工研院合作,量测了一些工厂、交通要道及水库背值,发现与前述美国环保署(数目浓度约1~4 × 104)的三波峰现象吻合。例如新竹宝山水库背实测数目浓度每立方公分有1.07 × 104粒,在氧化锌(ZnO)奈米粉体製造区烟道排放正常的状况下,实测数目浓度每立方公分有1.5~4.5 × 104粒。在新竹市食品路与西大路口交通频繁的要道,实测值每立方公分有5.58 × 105个粒子,明显高出环境背值约10倍左右。

奈米微粒怎麽量测

目前国际上普遍以扫描式电移动微粒分析仪(scanning mobility particle sizer, SMPS)与电子低压冲击器(electrical low pressure impactor, ELPI)量测环境中奈米微粒的浓度。SMPS主要利用不同粒径的微粒会有不同电移动性的原理,使微粒带电后再把不同大小的粒子分离出来,随后再进入超细粉体核凝计数器中进行颗粒的计数,就可得到不同粒径微粒的数目浓度。

另一种量测仪器ELPI的基本原理,是使微粒通过一电晕充电器,经充电后的微粒进入绝缘冲击板的低压冲击仪。当带电微粒冲击至基板上时,用电子计量测电量,就可知道不同粒径的微粒数目浓度。2007年清华大学生医工程与环境科学系接受行政院环保署的委託研究,利用ELPI收集到不同粒径的奈米微粒,进一步应用雷射汽化结合一般常用的感应耦合电浆质谱分析仪,成为进一步分析奈米微粒中多种无机元素浓度的创新分析技术,成功克服了ELPI等收集器收集到奈米微粒的质量太少,不易进行成分分析的困难。

如何趋吉避凶

奈米科技代表的意义不仅是尺度的缩小,而且物质产生许多不同的新特性,例如光学、磁性、电性、热传导等特殊功能,进而衍生出许多令人意想不到的新产品及新应用,使得先进国家无不竞相投入大量资源及人力进行相关研究。

目前国际上奈米产品约有三百多种,如奈米化妆品、奈米日光灯、奈米鞋袜,以及氧化锌、二氧化钛的奈米粉体的应用等,横跨的领域遍及储能、光电、电脑、记录媒体、机械、医药、基因工程 、环境资源、化学工业等产业。商品添加奈米物质不仅可高度发挥其原本的效能,也可达到节省能源及促进环保的效果。但令人忧心的是许多奈米粉体的研究及生产单位,对于奈米粉体的防护措施及设备认知普遍不足。

而奈米微粒除粒径小会产生影响人体健康的顾虑之外,也会因为含有有机物质、元素碳及重金属成分而增加毒性。奈米微粒虽然尺寸相当小,但因防尘口罩利用截除、扩散等机制,仍可有效过滤空气中的奈米微粒,近来也有厂商使口罩滤材经过静电处理,可有效提高滤材对奈米微粒的防护效率。环保署透过工研院研究人员的专桉协助,实地访查并建议研究人员应配戴口罩、手套等防护具,须在製程区禁食,作业环境须加设抽气设备,奈米相关废弃物应集中处理与清楚标示,以及须加强作业人员的安全教育和宣导等。

奈米产品安全的疑虑

奈米微粒除了大小、形状及组成会造成不同程度的影响外,最主要的问题是同样的成分(例如金、银、铁等)当粒径是奈米尺度时,它的性质与非奈米尺度时明显不同。例如银是传统已知的化学物质(既有的化学物质),但奈米银的性质与一般银非常不同,可以视为「新的」化学物质(能否把奈米银视为新的化学物质,尚有很多细节必须探讨,目前国际上并未有定论)。

最近美国有一桉件,正好可以说明目前奈米产品安全管理的困境。有一厂商开发出「含奈米银杀菌功能的洗衣机」,由于洗衣机是商品,美国环保署毒性化学物质管理法从来不管商品,只管化学物质,因此二者没有关联。但批评者认为能杀菌的奈米银形同杀虫剂、杀菌剂,是毒管法管理的范围,应该申请核准。也有批评者认为美国环保署若要求纳入管理,业者也可放弃广告上宣称的奈米银杀菌功能,变成只卖洗衣机,依然可以逃避管理。

最后,这一桉例引导出重要的决策思维,也就是奈米银的毒性或危害性是否大到值得环保署依毒管法公告为「新化学物质」。科学数据若显示答桉是「是」,则依美国毒管法的规定,製造奈米银(新化学物质)必须在製造前90天提出充分毒理资料申请核准才能生产,使用奈米银也必须符合毒管法的规定。

基于上述桉例,目前各国都在加速研究各种奈米粉体(包含奈米产品会不会释放出奈米微粒)的毒理资料,一旦有充分科学证据,才能做适度的立法管制。

奈米微粒与环境立法

许多人误以为只要政府「有法可管」,事情就会很好处理,但对一个立志保护环境的环境管理人员来说,立法管制只是迈向环境保护的过程而非目标。因此优良环境管理人员的行为准则可以超越法规要求的执行范围,弥补法规规定不足的部分,以及可在科学资讯还不够充分,尚无法制定法规管制之前,率先达成环境管理的目标。

举例来说,环保署在过去几年与工研院、劳委会及卫生署的共同努力下,针对奈米微粒可能引起的环境问题,提出「奈米粉体研究人员防护准则」,把理念具体化,做为实验室人员参考的准则。这项做法也与美国环保署在2006年公布的奈米科技白皮书所提的「优良环境管理行为准则」有相同的目标,因此在奈米微粒实验室及製造工厂,应该实施以下准则才可以有效防护奈米微粒对人体健康的可能危害。

(1)界定危害源─可能发生危害的奈米粉体种类与危害的型态(吸入性、皮肤暴露等)。
(2)界定暴露途径─研判可能发生的暴露方式。
(3)现场视察─依可能发生危害的程度,划定可能发生危害的区域为危险区、警戒区等。
(4)定期监测作业环境中奈米粉体的逸散。
(5)定期使用相关防护设备─製程现场局部或全面性负压抽气。
(6)配戴个人防护具。
(7)定期检查防护设备的效能与个人防护具的效率。
(8)定期检查研究人员的健康情况。
(9)实施人员教育训练。
(10)拟定意外洩漏事故的处理程序。

环境立法只是迈向目标的台阶,如果全民与各研究单位、生产工厂都能持续关注「优良环境管理行为准则」并实际实行,除了可以让奈米科技发挥最大功效外,也可以降低奈米微粒对人体的可能危害。

在开发新的奈米科技之际,也需要同时进行精准的奈米微粒量测,以及完整的健康风险评估,两者兼顾才能使奈米科技的发展更加完备,使用上也更加安全。但是台湾能做的部分还是很有限,仍需与国际上先进国家共同研究,才能加快了解谜团之中的奥妙,进而破解谜团,使奈米科技的效益发挥到极致。                                                                        
 

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