環境新議題:待解謎團–環境中奈米微粒

從民生產品到高科技領域,奈米科技已經旋風式地掀起新一波的產業技術革命,但在繁榮遠的背后,有沒有可能帶給環境無可預期的沖擊?

看不見的微小粒子

空氣中有很多顆粒狀物質,在一定大小的范圍內,容易吸入肺部造成健康上的危害,因此特別值得關心。粒徑大于10微米的顆粒物質稱為落塵,在短時間內會沉降,對人體健康的影響較小。粒徑小于10微米的顆粒物質叫做懸浮微粒(particulate matter, PM),又稱浮游塵,主要來源包括道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、由空氣污染轉化成的二次污染物等,由于粒徑小,較能深入人體肺部,對呼吸系統的危害也較大。

懸浮微粒又可再細分為平均粒徑10微米的懸浮微粒(PM10),以及平均粒徑2.5微米的懸浮微粒(PM2.5)。一般而言,粒徑大于4.7微米的懸浮微粒,大多數會沉積在鼻咽部,不易進入氣管。粒徑在3.3~4.7微米的,易沉積在氣管及主支氣管中。粒徑在2.1~3.3微米的,易沉積在支氣管中。粒徑在1.1~2.1微米的,易沉積在末梢支氣管中。小于1.1微米的,則易沉積在肺泡組織中。

目前國際上的分類方式,把粒徑在100奈米以下的稱為奈米微粒,換算成以微米為單位,則奈米級的懸浮微粒可以用PM0.1表示(1微米=1,000奈米)。奈米微粒由于體積特別小,可能會穿透肺泡到血液中危害健康。過去因為量測技術的限制,對于這種肉眼看不見的細小粒子并未太予重視。近來由于奈米科技及奈米材料的迅速發展,才引起各界廣泛的注意。

環境中奈米微粒所涉及的健康風險,問題相當複雜。因為除了粒徑、粒子的形狀,以及粒子內外組成外,人體及其他生物的暴露途徑、可能的生物累積等,都會造成不同程度的影響。

都會區的懸浮微粒

如果比較市區與郊區的空氣品質,可以發現在市區裡因為有較多的汽機車排放廢氣,會造成較多的奈米微粒。在郊區或山區,產生奈米微粒的來源較少,大部分是粒徑較大的懸浮微粒。因此在不同的區域、不同交通特性、不同氣象條件之下,會有不一樣的粒徑分布。

美國環保署一項很有趣的調查研究顯示,人口及車輛密集的都會區,空氣中懸浮微粒的粒徑通常會呈現三個波峰的分布,主要的粒徑大小是PM5、PM0.2及PM0.02。每一都會區的波峰落點(粒徑)雖不盡相同,但整體趨勢是一致的。目前常以PM10、PM2.5及PM0.1代表空氣中不同粒徑范圍的濃度,并以這標準檢視空氣品質的好壞,這一點與前述實際空氣中懸浮微粒分布狀態頗有異曲同工之妙。由于國際上把小于100奈米的顆粒定義為奈米顆粒,所以PM0.1與PM0.02均屬于奈米等級,而PM0.2與PM2.5則屬于另一等級。

環境中奈米微粒

行政院環保署長期以來,就針對前述懸浮微粒PM10及PM2.5進行監測。在臺灣地區設置的76個空氣品質監測站中,PM10是每天測定及每天預報空氣品質(pollutant standards index, PSI)的項目之一。PM2.5因為粒徑比PM10小,必須仰賴專門監測的超級測站量測,目前全臺有5站(新莊市、大寮鄉、橋頭鄉、前鎮區及潮州鎮)可以量測,主要針對空氣中PM2.5分布的特性進行連續監測,可增進對PM2.5特性的了解,進而訂定空氣品質標準及管制政策。

目前世界各國都尚未進行PM0.1(奈米微粒)的監測站連續監測工作,環保署近幾年與清華大學及工研院合作,量測了一些工廠、交通要道及水庫背值,發現與前述美國環保署(數目濃度約1~4 × 104)的三波峰現象吻合。例如新竹寶山水庫背實測數目濃度每立方公分有1.07 × 104粒,在氧化鋅(ZnO)奈米粉體製造區煙道排放正常的狀況下,實測數目濃度每立方公分有1.5~4.5 × 104粒。在新竹市食品路與西大路口交通頻繁的要道,實測值每立方公分有5.58 × 105個粒子,明顯高出環境背值約10倍左右。

奈米微粒怎麼量測

目前國際上普遍以掃描式電移動微粒分析儀(scanning mobility particle sizer, SMPS)與電子低壓沖擊器(electrical low pressure impactor, ELPI)量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS主要利用不同粒徑的微粒會有不同電移動性的原理,使微粒帶電后再把不同大小的粒子分離出來,隨后再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒的計數,就可得到不同粒徑微粒的數目濃度。

另一種量測儀器ELPI的基本原理,是使微粒通過一電暈充電器,經充電后的微粒進入絕緣沖擊板的低壓沖擊儀。當帶電微粒沖擊至基板上時,用電子計量測電量,就可知道不同粒徑的微粒數目濃度。2007年清華大學生醫工程與環境科學系接受行政院環保署的委託研究,利用ELPI收集到不同粒徑的奈米微粒,進一步應用雷射汽化結合一般常用的感應耦合電漿質譜分析儀,成為進一步分析奈米微粒中多種無機元素濃度的創新分析技術,成功克服了ELPI等收集器收集到奈米微粒的質量太少,不易進行成分分析的困難。

如何趨吉避兇

奈米科技代表的意義不僅是尺度的縮小,而且物質產生許多不同的新特性,例如光學、磁性、電性、熱傳導等特殊功能,進而衍生出許多令人意想不到的新產品及新應用,使得先進國家無不競相投入大量資源及人力進行相關研究。

目前國際上奈米產品約有三百多種,如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪,以及氧化鋅、二氧化鈦的奈米粉體的應用等,橫跨的領域遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化學工業等產業。商品添加奈米物質不僅可高度發揮其原本的效能,也可達到節省能源及促進環保的效果。但令人憂心的是許多奈米粉體的研究及生產單位,對于奈米粉體的防護措施及設備認知普遍不足。

而奈米微粒除粒徑小會產生影響人體健康的顧慮之外,也會因為含有有機物質、元素碳及重金屬成分而增加毒性。奈米微粒雖然尺寸相當小,但因防塵口罩利用截除、擴散等機制,仍可有效過濾空氣中的奈米微粒,近來也有廠商使口罩濾材經過靜電處理,可有效提高濾材對奈米微粒的防護效率。環保署透過工研院研究人員的專桉協助,實地訪查并建議研究人員應配戴口罩、手套等防護具,須在製程區禁食,作業環境須加設抽氣設備,奈米相關廢棄物應集中處理與清楚標示,以及須加強作業人員的安全教育和宣導等。

奈米產品安全的疑慮

奈米微粒除了大小、形狀及組成會造成不同程度的影響外,最主要的問題是同樣的成分(例如金、銀、鐵等)當粒徑是奈米尺度時,它的性質與非奈米尺度時明顯不同。例如銀是傳統已知的化學物質(既有的化學物質),但奈米銀的性質與一般銀非常不同,可以視為「新的」化學物質(能否把奈米銀視為新的化學物質,尚有很多細節必須探討,目前國際上并未有定論)。

最近美國有一桉件,正好可以說明目前奈米產品安全管理的困境。有一廠商開發出「含奈米銀殺菌功能的洗衣機」,由于洗衣機是商品,美國環保署毒性化學物質管理法從來不管商品,只管化學物質,因此二者沒有關聯。但批評者認為能殺菌的奈米銀形同殺蟲劑、殺菌劑,是毒管法管理的范圍,應該申請核準。也有批評者認為美國環保署若要求納入管理,業者也可放棄廣告上宣稱的奈米銀殺菌功能,變成只賣洗衣機,依然可以逃避管理。

最后,這一桉例引導出重要的決策思維,也就是奈米銀的毒性或危害性是否大到值得環保署依毒管法公告為「新化學物質」。科學數據若顯示答桉是「是」,則依美國毒管法的規定,製造奈米銀(新化學物質)必須在製造前90天提出充分毒理資料申請核準才能生產,使用奈米銀也必須符合毒管法的規定。

基于上述桉例,目前各國都在加速研究各種奈米粉體(包含奈米產品會不會釋放出奈米微粒)的毒理資料,一旦有充分科學證據,才能做適度的立法管制。

奈米微粒與環境立法

許多人誤以為只要政府「有法可管」,事情就會很好處理,但對一個立志保護環境的環境管理人員來說,立法管制只是邁向環境保護的過程而非目標。因此優良環境管理人員的行為準則可以超越法規要求的執行范圍,彌補法規規定不足的部分,以及可在科學資訊還不夠充分,尚無法制定法規管制之前,率先達成環境管理的目標。

舉例來說,環保署在過去幾年與工研院、勞委會及衛生署的共同努力下,針對奈米微粒可能引起的環境問題,提出「奈米粉體研究人員防護準則」,把理念具體化,做為實驗室人員參考的準則。這項做法也與美國環保署在2006年公布的奈米科技白皮書所提的「優良環境管理行為準則」有相同的目標,因此在奈米微粒實驗室及製造工廠,應該實施以下準則才可以有效防護奈米微粒對人體健康的可能危害。

(1)界定危害源─可能發生危害的奈米粉體種類與危害的型態(吸入性、皮膚暴露等)。
(2)界定暴露途徑─研判可能發生的暴露方式。
(3)現場視察─依可能發生危害的程度,劃定可能發生危害的區域為危險區、警戒區等。
(4)定期監測作業環境中奈米粉體的逸散。
(5)定期使用相關防護設備─製程現場局部或全面性負壓抽氣。
(6)配戴個人防護具。
(7)定期檢查防護設備的效能與個人防護具的效率。
(8)定期檢查研究人員的健康情況。
(9)實施人員教育訓練。
(10)擬定意外洩漏事故的處理程序。

環境立法只是邁向目標的臺階,如果全民與各研究單位、生產工廠都能持續關注「優良環境管理行為準則」并實際實行,除了可以讓奈米科技發揮最大功效外,也可以降低奈米微粒對人體的可能危害。

在開發新的奈米科技之際,也需要同時進行精準的奈米微粒量測,以及完整的健康風險評估,兩者兼顧才能使奈米科技的發展更加完備,使用上也更加安全。但是臺灣能做的部分還是很有限,仍需與國際上先進國家共同研究,才能加快了解謎團之中的奧妙,進而破解謎團,使奈米科技的效益發揮到極致。?????????????????????????????????????????????????????????????????????? ?
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