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瘋癲的帽匠怎麼了:從汞談化學生命週期

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2017/08/16 ・3772字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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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?

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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。

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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。

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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!

 

我們也把文章重點整理成一份懶人包囉,一起來看看十九世紀帽匠的故事吧!

十八、十九世紀的帽匠們常有看起來「瘋瘋癲癲」的職業病,現代學者認為這是因為他們長期暴露在水銀蒸汽中,產生汞中毒的現象。
汞多從水污染與空氣污染進入環境,而且會長時間停留在環境中、進行生態累積。 幸好,現代人們已對毒物有更多認識,也發展出「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。
在知道汞的毒性與風險後,我們能怎麼做呢?除了有意識地挑選產品外,也可以進行含汞產品的回收喔!
在2013年由147個國家達成的「水俣公約」也即將限制汞產物進出口,以及其在產業上的應用,希望使汞一步步從人們的生活中消失。

 

 

備註:

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  • [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.
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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/

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最理想的元素週期表?其實元素週期表有很多種!——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/10 ・2017字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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前面幾章都在談元素週期表,但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版,而且為什麼現在的教科書、文章、網路,提供這麼多種元素週期表?有沒有「最理想的」元素週期表?追求最理想的元素週期表有意義嗎?如果有,我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展?

種類數量可觀的元素週期表

愛德華.馬蘇爾斯(Edward Mazurs)關於週期表歷史的經典著作中,收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來,大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右;之後,期間至少又有三百張週期表問世,如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表,這件事情需要好好解釋。當然,這些元素週期表中,許多並沒有新的資訊,有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表,留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體:有圓形的還有立體的?

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式:短元素週期表中長元素週期表長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息,但相同原子價(編按:原子的價數,金屬為正價、非金屬為負價)的元素,在這些表中有不同的分族。

此外,有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形橢圓的週期系統,比起長方形的元素週期表,更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上,在圓形或橢圓形的系統中,週期的結尾不會中斷,例如氖和鈉、氬和鉀。

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但是,不像時鐘上的週期,元素週期表的週期長度不同,因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲(Benfey)的元素週期表(圖 37),過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表,例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)所設計的(圖 38)。

圖 37/本菲(Benfey)的圓形元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表
圖 38/費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)的三維元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

但我認為,這些變體都只是改變週期系統的描繪形式,它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的,是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前,我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單,至少表面上是,因此吸引業餘的科學家大展身手,發展新的版本,也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然,過去有過幾次,化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東.范登.布魯克,他是經濟學家,也是首先想到原子序的人,他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾.雅內(Charles Janet),他在一九二九年發表「左階式元素週期表」(Left-step periodic table),後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注(圖 39)。

圖 39/夏爾.雅內(Charles Janet)的左階式元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

「理想」的追求

那麼,追求最理想的元素週期表真的有意義嗎?我認為,這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面,如果一個人相信,元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實,那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言,追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表,即便這樣的表還沒制訂出來。

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另一方面,工具論者或反實在論者看待元素週期表,可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此,就不必熱切尋找最理想的元素週期表,畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說,元素究竟如何呈現並不重要,因為他們相信我們處理的,不是元素之間的自然關係,而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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寫在起司工廠邀請函背面的曠世巨作:元素週期表出現的這一天——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/09 ・1127字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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雖然門得列夫一直思考著元素、原子量、分類,但是足足想了十年之久,才終於迎來「我發現了!」這個時刻,就是一八六九年二月十七日這一天,也許可以訂為「我發現了!」紀念日。這一天,他取消了以顧問身分視察起司工廠的行程,決定投入研究他日後最膾炙人口的代表作——元素週期表

真正的發現

首先,他在起司工廠邀請函的背後,把幾個元素的符號列成兩行:

接著,他列出一個稍微更大的陣列,包括十六個元素:

當天晚上,門得列夫就把整個元素週期表都畫了出來,包括六十三個已知元素。此外,這張表還留了幾個空格給當時未知的元素,甚至預測這些未知元素的原子量。

他將這張表複印兩百份,寄給整個歐洲的化學家。同年三月六日,門得列夫的同事在俄羅斯化學學會一場會議上宣布這項發現。一個月內,這個新成立的學會就在期刊上刊登了一篇文章,另一篇更長的則在德國發表。

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多數關於門得列夫的大眾讀物和紀錄片會說他在夢中想到他的元素週期表,或在玩紙牌接龍時把牌當成一個個元素。這兩個故事,尤其後者,現在已經被許多門得列夫的傳記作者視為是杜撰的,例如科學史家麥克.戈爾丁(Michael Gordin)。

原則的堅持

還是回來討論門得列夫的科學方法吧。他和對手洛塔爾.邁耶爾很大的不同是,他不相信所有物質的統一性,也不支持普洛特關於元素具有複合性質的假說。門得列夫也刻意與三元素組的想法保持距離。例如,他提出氟應該和氯、溴、碘放在一起,形成一個至少四個元素的族。

洛塔爾.邁耶爾專注於物理原則,主要關注元素的物理性質,而門得列夫則非常熟悉元素的化學性質。然而,說到分類元素最重要的標準時,門得列夫堅持以原子量排序,不容許有任何例外。當然,許多在門得列夫之前的人,例如尚古多、紐蘭茲、奧德林,以及洛塔爾.邁耶爾都承認原子量的重要性,儘管程度不一。但是門得列夫對原子量與元素的本質有更深層的哲學理解,得以一探尚未被人發現的元素,進入這個未知領域

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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狗用來標記地盤,老鼠用來求偶,但人類很可能沒有?神奇的化學分子費洛蒙——《完美歐姆蛋的化學》
日出出版
・2023/01/01 ・1841字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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可以傳染的「興奮感」:費洛蒙

費洛蒙是一種非常大的分子,會從動物體內散發出來並影響其他動物身體的行為。

這種物質當初是在 1959 年由德國生物化學家阿道夫.布特南特(Adolf Butenandt)發現, 這位科學家在二十年前就因為首次合成出性激素而獲得諾貝爾化學獎,說他是化學界的搖滾巨星都還不足以形容他的貢獻。

阿道夫.布特南特首次合成出性激素。圖/wikipedia

他的研究發現,費洛蒙的功能和激素一樣,但是只對附近的相同物種個體有效。

舉例來說,如果動物 A 在動物 B 附近釋放出性費洛蒙,動物 B 的身體會吸收這些分子,整體行為也會受到影響。這其實代表動物 A 具有像丘比特的能力,只不過用的不是箭,而是分子。

基於以上的原因,費洛蒙有時會被稱為「環境激素」(eco-hormone),因為這類分子的運作方式就像是體外的激素。

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和激素相同的是,費洛蒙有各式各樣的結構。有些分子非常小,有些則相當大,不過全都是揮發性分子,這表示分子在特定條件下會輕易蒸發。揮發性物種通常很好辨識,因為會帶有強烈的氣味(像是汽油或去光水)。

汽油帶有強烈的氣味。圖/pixabay

研究人員決定把這種分子命名為費洛蒙(pheromone),是因為字面上的意思是「轉移興奮感」,而這正是費洛蒙的功能。

動物間的費洛蒙功用

強大的費洛蒙分子可以傳送幾種不同主題的訊號給附近的同類,例如食物、安全狀況或者性。舉例來說,螞蟻會在巢穴和食物之間的路徑散發費洛蒙,來通知彼此食物來源在哪裡。

狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。就連雄鼠也會散發出性相關的費洛蒙來吸引雌鼠,同時也會導致附近的雄鼠變得更有攻擊性。

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狗在散步時對消防栓撒尿是為了標示自己的領域,這時釋放的就是領域費洛蒙。圖/pixabay

那麼人類呢?

人也會散發出任何一種類型的性費洛蒙嗎?

出乎意料的,人類不會散發任何一種形式的性費洛蒙。不過我們自以為有費洛蒙的原因在這裡:1986年,溫尼弗雷德.卡特勒(Winnifred Cutler)發表的研究宣稱,她成功分離出第一種人類性費洛蒙。

在這項研究計畫中,她蒐集、冷凍並解凍來自幾位不同對象的性費洛蒙。一年之後,她將這些分子塗在許多女性受試者的上唇,接著便宣稱她觀察到和大自然的動物類似的結果。

事實上,卡特勒的研究完全是一派胡言。她根本沒有分離出人類性費洛蒙;而只是把奇怪的氣味塗在隨機受試對象的上唇,其中包括——請做好心理準備——腋下的汗水。

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與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。

與其說是分離出純費洛蒙,不如說她蒐集的是人流汗時排出的電解質,而且還抹在別人的臉上。圖/pixabay

直到今天,卡特勒的噁心科學研究還流傳在網路上的各個角落,這表示如果有人在 Google 上搜尋「人類性費洛蒙」,就會和得到一堆錯誤資訊。有些研究人員堅信我們總有一天會發現性費洛蒙,不過在這本書出版的當下,科學界尚未找到任何人類性費洛蒙。

一直以來有不少相關研究在執行和重複進行,也盡可能針對各種變數進行調整,而所有的研究團隊都得出相同的結論:二十一世紀的人類大概沒有性費洛蒙。

但人類有史以來就是這樣嗎?如果大多數的其他哺乳類都有性費洛蒙,包括兔子和山羊,為什麼我們沒有?

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答案其實意外簡單:人類學會了溝通。

我們可以用語言(和蠟燭……還有性感內衣……)告訴伴侶我們有興趣滾床單,而雪貂則必須往理想交配對象的方向散發性分子。

——本文摘自《完美歐姆蛋的化學》,2022 年 12 月,日出出版出版,未經同意請勿轉載。

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瘋癲的帽匠怎麼了:從汞談化學生命週期
行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2017/08/16 ・3772字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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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。

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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。

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「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。

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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。

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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!

 

我們也把文章重點整理成一份懶人包囉,一起來看看十九世紀帽匠的故事吧!

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十八、十九世紀的帽匠們常有看起來「瘋瘋癲癲」的職業病,現代學者認為這是因為他們長期暴露在水銀蒸汽中,產生汞中毒的現象。

汞多從水污染與空氣污染進入環境,而且會長時間停留在環境中、進行生態累積。 幸好,現代人們已對毒物有更多認識,也發展出「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。

在知道汞的毒性與風險後,我們能怎麼做呢?除了有意識地挑選產品外,也可以進行含汞產品的回收喔!

在2013年由147個國家達成的「水俣公約」也即將限制汞產物進出口,以及其在產業上的應用,希望使汞一步步從人們的生活中消失。

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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.
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行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
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