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瘋癲的帽匠怎麼了:從汞談化學生命週期

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託,泛科學企劃執行

撰文/陳亭瑋│自由寫手

「你可以告訴我該往哪走嗎?」愛麗絲問道。
「那要看妳想去哪裡,這個方向……」柴郡貓舉起右邊的貓掌,「住著瘋帽匠;而那個方向……」牠舉起另一邊的貓掌,「住著三月兔。不管遇到誰都一樣,他們兩個都瘋了。」
──愛麗絲夢遊仙境[1]

十九世紀時國的製帽匠長時間暴露於水銀蒸氣中,被認為總是瘋瘋癲癲的。圖/cea + @flickr, CC BY 2.0

十九世紀的英國帽匠為什麼瘋瘋癲癲的?

十九世紀時,一種職業病時常出現於英國的製帽匠身上,症狀包括流口水、掉頭髮、肌肉抽搐、走路搖晃,說話思考困難、甚至產生幻覺、異常興奮或情緒不穩等,英文諺語的「跟帽匠一樣瘋」(mad as a hatter)很可能便是因此而來。現在則認為當時的這類職業病,應該就是水銀中毒。在十八、十九世紀,水銀常常用於處理帽子的毛皮原料;帽匠們會長時間暴露於水銀蒸氣中,在還不明白水銀毒性的年代裡,他們被認為總是瘋瘋癲癲的,可這些其實都是經水銀引發的中樞神經中毒的症狀。

水銀 ── 也稱為汞 ── 是個相當特別的存在。汞是唯一在常溫下為液態的金屬元素,具有密度大、導電性佳等特性。圖 / wikipedia

在眾多的金屬元素中,水銀 ── 也稱為汞 ── 是個相當特別的存在。汞是唯一在常溫下為液態的金屬元素,具有密度大、導電性佳等特性。過去西方煉金術認為水銀為金屬的第一物質,煉丹師也以硃砂(琉化汞)作為煉丹的重要原料;現今的水銀則多應用於水銀電池、電源開關、繼電器、螢光燈管、溫度計、血壓計等。然而,雖然被普遍使用在許多日用品中,水銀對於人體與環境都有一定的毒性,那麼,人們究竟如何管理這類的有毒物質呢?

如何了解產品對環境的影響?「生命週期評估」

生命週期評估流程。圖/U.S. Environmental Protection Agency @www.epa.gov, CC0

現今人們對於有毒物質的了解更多,自然不會像十八、十九世紀的製帽工業,任由工人曝露在水銀蒸氣中。但現代產品的製造流程也相對更為複雜,如幾乎人手一支的「手機」便結合了許多電路製程,每種過程中都可能產生毒性物質,因此根據不同的化學物質種類,我們需要有詳細的評估與管理方法。 針對會廣泛使用於製造過程或民生用品的毒性化學物質,通常會進行「生命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA)」,從原料取得、生產、使用到最後處置(回收或廢棄),評估出整個產品生命週期裡可能造成的環境影響。

「生命週期評估」的概念早在 1969 年便被提起,直到 2002 年才由聯合國環境規劃總署(United Nations Environment Programme, UNEP),與環境毒理化學協會(Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC)共同合作推行,將其實際應用至產業生產及政府決策之中。例如水銀對生物體具有相當強的毒性,且能長時間停留在環境中、進行生態累積(由於生物累積放大效應,因此許多大型魚類如鯊魚、旗魚等較高階的消費者,體內的水銀濃度會較高),所以使用水銀的產品,應該要進行「生命週期評估」管理。 生命週期評估可以初步區分為幾個階段,包括原物料開採與加工、半成品及產品製造、消費使用以及廢棄物處理與回收;目標是對於有毒物質「從搖籃到墳墓」完整監管,沒有遺漏。

「從搖籃到墳墓」看水銀如何進入臺灣環境

我們以「汞」在臺灣如何進入環境中為例,來看看生命週期評估會關注到的項目。在原物料開採階段,臺灣本島並無汞礦的開採,絕大多數含汞相關的原料都是進口,其中以「原油」(因為總量最大)占了含汞量的最大宗,其次則為煤礦、天然氣、水銀及液化石油氣。然而,除了總量,不同原料的「應用方式」也會大幅影響汞對環境的後續影響,我們暫且分為空氣污染源與水污染源來分析。

在原料階段,汞的空氣污染源主要和燃煤有關,如主要用來發電的燃煤發電鍋爐,與燃煤汽電共生鍋爐.;水的污染源則主要來自金屬基本加工。

到了半成品及產品製造階段,汞的空氣污染源主要有工業中處理水泥原料的水泥旋窯、生產鋼的電弧爐以及煉鋼用的燒結爐;水污染則來自於電鍍業、印刷電路板製造業、晶圓製造及半導體製造業。而在最後的廢棄物處理與回收階段,水污染源主要集中於工業區的汙水系統;空氣的汞污染則主要來自垃圾焚化爐以及火葬場;另外還有因一般垃圾焚化的飛灰跟底渣造成的土壤污染。

說到這,大家應該可以看得出來,「生命週期評估」需要追蹤毒化物從開採、原料進出口、產品製造到廢棄、回收各階段的分布狀況,才能夠針對每個階段進行管理。舉例來說,如果希望降低汞在空氣中的排放量,第一步當然是去改善最大宗的空氣污染源,也就是水泥窯以及燃煤發電的汞排放狀況啦。

這樣的「生命週期評估」概念主要會應用在判斷產品對環境的影響,希望在每個階段減少資源消耗、改善產品性能,而毒化物自然是其中非常重要的一環。今日人們如果要開一家製帽工廠,在評估初期就可以判斷水銀的毒性太高,而採取其他更安全的製程取代它,工廠帽匠也不會再瘋瘋癲癲的了!

無法承受更多的汞 ── 用「水俣公約」對汞污染說不

全球汞釋放量,時間軸為公元前 2000 年至西元 2000 年,可以看到環境中的汞含量自西元 1850 年左右驟增。圖片來源:https://doi.org/10.1021/acs.est.7b00451

前面講了這麼多臺灣環境中的汞污染源,主要都與工業有關,根據統計,目前人為造成的汞空氣污染排放約為 1200 至 2000 噸;但其實自然的力量也不容小覷。自然界裡本來就存在汞,地殼中的濃度約有 0.08ppm,而每年的火山噴發與森林火災等天然因素,排放至大氣的汞就可達每年 2000 噸。

由於汞能夠在大氣中長途傳播,會長久存在在各生態系中形成生物累積作用,甚至可能影響北極地區,世界上已有許多國家開始努力,希望盡可能減少汞的污染。

2013年聯合國水俣公約開放簽署宣傳。圖/UNEP @UNEP, Cridet UNEP

2013 年 1 月,147 個國家終於在四年的協商後達成共識,同意控制汞污染的「水俣公約」[2],將於 2020 年禁止含汞產物的進出口、疫苗跟補牙材料應更換為無汞材質、降低小型淘金產業對汞的使用,並使用最佳控制技術降低工業污染源(燃煤電廠、工業鍋爐、鋼鐵業)的汞排放。水俣公約將於 2017 年 8 月 16 日正式生效,從此開始,讓汞逐步從我們的生活中消失吧!

備註:

  • [1] 亦有人考據認為愛麗絲夢遊仙境中的瘋帽匠有實際的指涉人物,不見得只代表水銀中毒,但可以確定作者相當熟悉英文諺語的「跟帽匠一樣瘋」(mad as a hatter)的實際狀況。
    [2] 「水俣(讀音:ㄩˇ / yǔ)」為日本熊本縣地名,於 1956 年發生大規模汞中毒公害疾病「水俣病」,因此防止汞害的公約以此命名。

參考資料:

  1. 毒性化學物質環境流布調查成果手冊, 行政院環保署毒物及化學物質局
  2. 台灣地區含汞元件之流布與管理, 行政院環境保護署土壤及地下水污染整治網
  3. 汞水俣公約資訊網站, 行政院環境保護署
  4. Mercury Levels in Commercial Fish and Shellfish (1990-2012)
  5. David G. Streets, et al, Total Mercury Released to the Environment by Human Activities,Environ. Sci. Technol., 2017, 51 (11), 5969–5977
  6. Gleason, J. D., Blum, J. D., Moore, T. C., Polyak, L., Jakobsson, M., Meyers, P. A., & Biswas, A. (2017). Sources and cycling of mercury in the paleo Arctic Ocean from Hg stable isotope variations in Eocene and Quaternary sediments. Geochimica et Cosmochimica Acta, 197, 245-262.
  7. Huang, J., Liu, C. K., Huang, C. S., & Fang, G. C. (2012). Atmospheric mercury pollution at an urban site in central Taiwan: Mercury emission sources at ground level. Chemosphere, 87(5), 579-585.
  8. Y. C. CHEN, M. H. CHEN.(2006) Temporal distribution and potential sources of atmospheric mercury measured at a high-elevation background station in Taiwan. Journal of Food and Drug Analysis, 14(4), 373-378
  9. Sheu, G. R., Lin, N. H., Wang, J. L., Lee, C. T., Yang, C. F. O., & Wang, S. H. (2010). Temporal distribution and potential sources of atmospheric mercury measured at a high-elevation background station in Taiwan. Atmospheric Environment, 44(20), 2393-2400.
  10. Wang, Q., Kim, D., Dionysiou, D. D., Sorial, G. A., & Timberlake, D. (2004). Sources and remediation for mercury contamination in aquatic systems—a literature review. Environmental pollution, 131(2), 323-336.
  11. Obrist, D., Agnan, Y., Jiskra, M., Olson, C. L., Colegrove, D. P., Hueber, J., … & Helmig, D. (2017). Tundra uptake of atmospheric elemental mercury drives Arctic mercury pollution. Nature, 547, 201-204.

關於作者

行政院環境保護署毒物及化學物質局

行政院環境保護署毒物及化學物質局,落實毒物及化學物質之源頭管理及勾稽查核,從源頭預防管控食安風險,追蹤有害化學物質,維護國民健康。 網站:https://www.tcsb.gov.tw/