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好毒的意外:化學工業的歷史共業「戴奧辛」

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2017/09/04 ・3290字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 577 ・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

我們都對有著「世紀之毒」名號的戴奧辛並不陌生,但到底它是何時開始出現的?來源又是哪裡?為何如此惡名昭彰?又是如何這麼容易地偷偷進入並累積在食物鏈裡?對人體又會有什麼影響呢?其實戴奧辛的出現與人類活動息息相關,要探索這些問題的解答,先讓我們一起回到回到一次大戰後化學工業剛興起的那個時候吧!

世紀之毒是怎麼出現的? 圖/qimono @Pixabay, CC0

好毒的意外:一開始,只是想來點消毒水

戴奧辛是如何大量出現的呢?簡單來說,完全是技術不夠好導致的(喂)

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一開始被「大量」生產出來的戴奧辛,其實是製造氯酚類藥劑時的副產品。副產品指的是工業生產目標物質之外的其他物質。消毒藥劑「氯苯酚(chlorophenol)」,是第一種會大量產出戴奧辛的化學製程,其他較出名的化學物質還包括除草劑「2,4-D(2-4-dichlorophenoxyacetic acid)」與「2, 4, 5-T(2,4,5- trichlorophenoxyaectic acid)[1]」、三氯酚、五氯酚[2]等。很不幸的,在使用了好一陣子的含氯酚清潔劑、農藥、殺蟲劑、除草劑之後,人們才逐漸發覺到日常生活中很常見「便宜又好用」的氯酚好像有點問題 ── 這些藥劑裡或多或少會有戴奧辛殘留;更不幸的是,這裡的「好一陣子」,是超過二十年的時間,才讓人類停止大量生產這類的藥劑。

最初幾起人類受戴奧辛毒害的案例都和工業意外有關,如工人意外曝露在大量的除草劑或殺蟲劑中。1949 年,美國西維吉尼亞州發生了第一起「孟山都除草劑工廠意外」,而更受注目的還有 1976 年義大利的「塞維索事件(Seveso disaster)」,因為化學工廠內的管制系統故障導致反應槽內的化學物質大量外洩,其中包括 6 公噸的三氯酚以及估計 1~3 公斤的 2,3,7,8-四氯雙苯環戴奧辛(TCDD) 散布至民眾居住地區範圍,是目前已知最高濃度的 TCDD 大規模污染。賽維索事件也是戴奧辛令人聞之色變的開始。

越南胡志明市阮教授與遭受橙劑影響的身障兒童。圖/Alexis Duclos @Wikimedia, CC by 3.0

近代由焚化爐而生的戴奧辛

1977 年,才有人提出戴奧辛會出現於工業燃燒的飛灰中,三年後(1980)的研究也證實戴奧辛會在焚化一般垃圾時生成。研究指出,大氣中的戴奧辛濃度從 1935 年逐步增加,這個起始點跟化學工業的興起符合。簡單來說,含氯製品如塑膠等,在二次大戰後開始大量出現於人們的生活中,而這些產品進入焚化爐若未妥善處理,便會生成戴奧辛,散佈入大氣中。(Hites, 2011)
在停止氯苯酚製程之後,「世紀之毒」不再是化學工業大量製造的副產物,但人為的戴奧辛來源並未全數消失。近年來戴奧辛的主要來源是垃圾焚化,戴奧辛成為幾乎所有人的共同「歷史共業」。因此如果真要追究戴奧辛的罪魁禍首,慣於使用化學工業製品的每一個人都應該要背負一份責任,盡可能減量使用塑膠,並且做好回收。

為什麼戴奧辛被稱為「世紀之毒」?

一般新聞裡說的「戴奧辛」是一整群多達 210 種化合物的總稱,包括 75 種多氯聯苯戴奧辛(PCDDs)與 135 種多氯二聯苯呋喃(PCDFs)[3]。這兩類化學物質的主要結構相似,具象化一點,我們可以將這群化學物想像成一隻(沒有眼睛的)螃蟹,兩個苯環與連結的部分是身體,兩邊的苯環各有四隻腳共八個位子可以連結氯。

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隨著氯的數量跟位置不同,分子的毒性會略有差異;其中 2,3,7,8-四氯雙苯環戴奧辛(TCDD,請見下圖2)在動物實驗中已有最低半數致死劑量(LD50)[4],甚至毒過沙林毒氣,因此也被稱之為「世紀之毒」,是目前已知人類所能製造出來最毒的東西。

圖1: 上方氯聯苯戴奧辛(PCDDs)的結構,下方多氯二聯苯呋喃(PCDFs)的結構

上方氯聯苯戴奧辛(PCDDs)與下方多氯二聯苯呋喃(PCDFs),這兩類化學物質就是我們一般俗稱的「戴奧辛」這群化合物。標有數字的位置都可以接上氯,視氯位在不同的位置與數量會影響該分子的毒性。

圖2: 2,3,7,8-四氯雙苯環戴奧辛(2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin)

2,3,7,8-四氯雙苯環戴奧辛(2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin)是目前已知人類所能製造出來最毒的東西。

不怕它太毒,卻怕它百年永留存

雖然有「世紀之毒」這樣惡名昭彰的稱號,可實際上「人類戴奧辛急性中毒致死」的案例非常少見,即使是 2004 年震驚全球的戴奧辛下毒事件 ── 烏克蘭總統候選人尤申科體內驗出大量的 TCDD 戴奧辛,也未導致死亡(他後來選上了,而且當完了任期)。戴奧辛被列於「黑名單」,主要是因為它不管在哪裡都難以代謝的特性。

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戴奧辛主要由含氯物質高溫生成的,具抗熱穩定性、抗酸鹼、抗氧化性等因素,讓戴奧辛十分穩定,在自然環境中非常難以被分解,會進入食物鏈。而人體代謝戴奧辛的速度也很慢,預期「半衰期」約為 7 至 11 年,也就是即使之後都未再攝入戴奧辛,也要花 7 至 11 年才能使體內戴奧辛的濃度降低到中毒時的一半。

戴奧辛中毒最明顯的症狀是會造成氯痤瘡,其他還有肌肉或關節疼痛、分泌系統及免疫系統傷害。另外,戴奧辛也被認為是一種環境賀爾蒙,可能造成畸形的下一代;而戴奧辛也被國際癌症研究機構 IARC 分在第一類致癌物(也就是實驗證據最充分的種類),認為此物質與軟體組織惡性瘤、惡性淋巴瘤的發生有關。

那食物裡的戴奧辛是又怎麼來的?

那麼回到一開始的問題,戴奧辛是如何進入雞蛋中的?你得先知道一件事,日常生活中,人們接觸到的戴奧辛有超過 90% 都來自食物。如前面所述,戴奧辛在環境中留存的時間很長,會隨著空氣傳播、再沉降進入土壤,或土壤也可能過去受到的工業污染而含有戴奧辛。人們在土地上栽種食物,如果雞隻、牛隻吃到含有戴奧辛的土壤種出的飼料,就會吸收、累積在其脂肪中,隨後出現在牛奶或雞蛋裡 。

戴奧辛在環境中留存的時間很長,會隨著空氣傳播、再沉降進入土壤。
圖/Keith Weller, The United States Department of Agriculture (USDA) @Wikimedia, CC0

由於人類有過大規模使用氯酚類藥劑的歷史,幾乎所有人體內都或多或少含有戴奧辛。不過好消息是,目前已經有研究顯示,大氣裡的戴奧辛濃度從 1970 年代起開始逐步下降,目前約為最高濃度的三分之二(Hites, 2011)。當然,或許仍有「土壤」中的戴奧辛污染未被發現,因此若希望盡量避免攝取超量戴奧辛,就得多加注意食物來源,選擇有可靠來源標示的產品,並且均衡飲食、不要偏食於某種特定的食物。

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那面對環境裡因為空氣污染、汽機車排放和焚化爐排而產生的戴奧辛又該怎麼辦呢?預防勝於治療,最好的治本方式當然就是「不要製造戴奧辛」。你除了可以關心空氣污染防制和興建焚化爐時的相關配套措施之外,積極地做好垃圾分類和資源回收,也能有效地避免戴奧辛排放於空氣之中。

註解:

[1] 1962 年到 1970 年越戰期間,美國軍方大量使用落葉劑「橙劑」破壞越南的農田與叢林。惡名昭彰的橙劑主要就是由前述的除草劑 2,4-D 與 2,4,5-T 混合而成,兩種物質平均含有 2-3ppm 的戴奧辛。但越戰期間並未有人起疑,直到戴奧辛的毒性在稍後研究逐漸顯示,同時遭到橘劑噴灑的地區出現畸形兒的比例大量增加,才開始受到討論。

[2] 1965 年至 1982 年,台南的中石化安順廠生產大量的五氯酚外銷,關廠時存放了 5000 公噸的五氯酚在廠內,在風吹日曬之下污染了當地的土地與地下水。當地所受的污染是混合性的,除了五氯酚與戴奧辛,還包括汞污染;為臺灣最大宗的土地污染事件之一。

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[3] 某些類戴奧辛多氯聯苯(PCBs)具有相近的毒性,也有人將之歸類為類戴奧辛。

[4] LD50:半數致死量

參考資料

  1. 約翰‧亭布瑞著 莊勝雄譯 《毒物魅影:瞭解日常生活中的有毒物質》商周出版 2006-05-19 ISBN 986-124-659-2
  2. Ronald A. Hites, Dioxins: An Overview and History, Environ. Sci. Technol., 2011, 45 (1), pp 16–20
  3. DIOXIN: DIOXIN TIMELINE
  4. WHO Dioxins and their effects on human health
  5. 陳怡儒、楊和慶、到手香、紀宗廷、林欣瑜、柯昭儀、雲琇卿、吳怡亭、盂美雲、林煜庭、鄭諺彌、陳亭瑋、陳昭明、葉宗桓、林宏儒、蘇怡帆. 《圖解日用品安全全書》. 臺灣: 易博士出版社(城邦文化). 2011-05-17 [2011]. ISBN 978-986-120-761-2
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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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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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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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認識「低溫熱裂解技術」——為何它是戴奧辛污染的救星?
科技大觀園_96
・2021/12/27 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘

環保署在 2011 年《中華民國重大環境事件彙編》發表《戴奧辛污染事件─揮之不去的世紀之毒》口述歷史,用新詩「燒阿!燒阿!」破題,形容戴奧辛如鬼魅般糾纏著台灣的環境生態,更時時刻刻威脅國人健康。

回顧國內戴奧辛污染事件,最早可追溯到 1979 年的台中與彰化米糠油事件,和 1982 年 12 月臺南市灣裡地區廢五金業者露天燃燒廢電纜產生煙塵,被檢測含有高濃度戴奧辛。但 30 年韶光荏苒,當時負責調查防治戴奧辛污染的環保署毒物管理處前處長陳永仁,在 2011 年口述歷史中感慨的說「我認為目前還沒有妥善處理」,突顯對抗戴奧辛污染依舊長路漫漫。 

也因為缺乏妥善處理,繼灣裡之後,1999 年接連爆發台北木柵焚化爐檢出戴奧辛超標與震驚國際的中石化台南安順廠戴奧辛污染案,2005 年在彰化縣線西鄉發現戴奧辛鴨蛋,2006 年林口傳出山羊遭到戴奧辛污染,2009 年高雄大寮爆發戴奧辛鴨事件,2017 年戴奧辛毒雞蛋流竄桃竹苗地區和新北市…,戴奧辛污染就像潛伏各地的不定時炸彈蠢蠢欲動!

臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)
臺灣戴奧辛事件表。(圖/沈佩泠製圖)

 「低溫熱裂解技術」成為戴奧辛污染救星 

9 年前同時接受口述歷史訪談的中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬則在 2014 年帶領研究團隊成功開發「低溫熱裂解技術」,有效裂解戴奧辛、多氯聯苯與五氯酚等含氯污染物,並可讓汞從土壤中脫離,終於使因利用水銀電解法電解海水以製造氫氧化鈉和氯氣而造成汞污染、又因製造五氯酚鈉導致廠區土壤受到戴奧辛及五酚氯污染而荒廢多年的中石化台南安順廠整治露出曙光,也被喻為戴奧辛與重金屬污染整治技術最完整的解決方案。 

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「戴奧辛有兩個主要生成途徑。」張木彬指出,第一個是化學製程,例如中石化安順廠在製造五氯酚鈉過程,產生戴奧辛「躲在」五氯酚裡面;第二是高溫燃燒,煉鋼、煉銅、焚化爐甚至燒木屑,也會產生戴奧辛,「都不是我們刻意製造,也無法完全避免,含氯的東西經過高溫催化,就會產生戴奧辛。」  

中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)
中央大學環境工程研究所特聘教授張木彬帶領研究團隊研發觸媒配方,開發更省能、更低。(圖/李宗祐 攝)

 既然要從「產生」完全杜絕很難,除了在製程盡量降低戴奧辛生成,如何發展有效技術讓它在生成之後,不要從煙囪、飛灰或廢水中排放出來,是防杜戴奧辛污染重要關鍵。張木彬表示,攝氏 250 到 400 度是戴奧辛生成速率最旺盛的「溫度窗」,當化學製程或高溫燃燒產生的廢氣通過煙道的時候,含氯、碳、氧、氫的化合物,經過銅跟鐵催化就會合成戴奧辛。超過 400 度以後,生成速率變慢;更高溫就會被破壞;低於 250 度,活化不夠,生成速率也會變慢。 

「萃冷技術」也因「溫度窗」原理應運而生,讓廢氣通過煙道過程在 1 秒之內從 400 度以上降到 250 度以下,把戴奧辛合成機率極小化,但還是無法達到「零產出」。以焚化爐而言,目前還是普遍採用成本相對便宜的活性碳噴霧法,利用活性碳吸附以氣體分子存在的戴奧辛,再用袋式集塵器把它抓下來,國內現有 24 座焚化爐就有 23 座利用活性碳防止戴奧辛排放至廠外。 

文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。
文山焚化爐廠齡超過24年,為提升焚化廠空汙防制效能,台中市政府汰舊換新文山焚化爐。

然而張木彬認為,活性碳噴霧法雖可有效降低從煙囪排放,卻治標不治本,只把戴奧辛從氣體轉移成固體,抓進集塵器飛灰裡面,問題並沒有完全解決。國內焚化爐每年燃燒處理超過 600 萬噸垃圾,產生 20 萬噸飛灰,都用螯合劑加水泥固化以後,拿到掩埋場處理。年年國泰民安、風調雨順就沒事;但萬一發生強烈地震或類似莫拉克颱風等天災,掩埋場可能被沖垮,裡面的東西就會跑出來,潛在的污染風險很大。 

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「最好的方法是發展破壞技術,把戴奧辛分子破壞、分解掉,而不只是把氣體變成固體!這也是我們實驗室一直努力的目標。」張木彬強調,「低溫熱裂解技術」是針對存在土壤或底泥裡面的戴奧辛,抓出來破壞掉並去除毒性,「我們利用氮氣把氧的含量控制到非常低,讓戴奧辛在幾乎無氧的狀態下裂解。」但最重要的核心技術是如何在相對低溫的條件下把戴奧辛完全摧毀。 

在完全燃燒的情形下,要完全破壞摧毀戴奧辛,溫度必須超過 900 度,但溫度越高,消耗能量越大,成本越高,不符經濟效益。「我們發展的技術是在比較低的溫度之下,不超過 350 度,就可以把土壤裡面的戴奧辛破壞掉。」張木彬透露,真正的「溫度窗」很重要,要完全摧毀戴奧辛,除了把它從固體變成氣體,再抓出來裂解處理乾淨;抓準各種氣體分子停留時間,避免讓其再度合成戴奧辛,以及如何給予適當觸媒,必須準確掌握不同的操作參數,才可以真正解決問題。 

政府應重視本土技術落實,解除污染風險 

可惜的是,張木彬研究團隊開發的「低溫熱裂解技術」,雖然被認為是目前已公開發表的研究成果中,最有可能解決戴奧辛與重金屬造成環境多重污染的完整解決方案,但中石化基於成本考量,並未採用他的技術。「就我個人看法,中石化的技術有點東拼西湊,處理流程太長,設備太老舊,事倍功半,沒有達到真正預期的效果。」不過研究團隊並未因此放棄,仍持續鑽研精進「低溫熱裂解技術」。 

「以前的低溫熱裂解沒有加觸媒,近 2、3 年開始研發觸媒配方,希望把溫度從 350 度降到 200 度,甚至於更低到 150 度,讓裂解程序更環保、更省能,成本更低。」張木彬直言,這個當然挑戰很大,但目前已有初步結果,已經降到 200 度,研究團隊正在校驗相關實驗數據,在確認重複性和穩定性以後,才會正式對外公開發表。

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 研究團隊語重心長呼籲政府應重視本土化技術研發並落實推廣。台灣工業製程早期產生的集塵灰和焚化廠飛灰,戴奧辛濃度很高,都是隨意棄置,很多土壤可能都受到污染,政府應該確實追蹤調查過去幾年陸續發生的戴奧辛污染事件是否與此有關。怎麼把過去遺留下來的東西與現在還在持續產生的東西,有效防止污染擴散並徹底解決潛在污染風險,要有破釜沈舟的決心! 

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。
枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。

枋寮區域性垃圾衛生掩埋場除掩埋焚化爐產生飛灰,也逐漸轉為多元化廢棄物處理。張木彬舉例,全台焚化爐每年產生 20 萬噸飛灰,過去長期都是掩埋處理,現在每年新產生的也是直接掩埋,都沒有把飛灰裡面的戴奧辛抓出摧毀處理,讓飛灰從有害物質變成無害。政府若再不善用先進技術,等到各地掩埋場最後貯滿爆掉,就會像核廢料要留給下一代處理,「我們這一代要找出好的處理方法,有效解決問題。」 

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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沒看過打不壞的木製球棒?最新「加工法」讓木材硬度堪比金屬!
Rock Sun
・2021/11/19 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果今天你想要好好的切食物,該用什麼樣的刀呢?

大家馬上想到的,應該不外乎就是金屬或是陶瓷吧?自古以來要製作工具,這兩個材料一定是首選,直到當代貪圖方便而使用的塑膠刀叉之外,好像想找不太到其他更好的替代方案了。

但是最近,有一群研究人員打破了大眾的想法和材料科學的界線——用木頭製作的刀來取代金屬。

10 月 20 號,這一群來自馬里蘭大學的材料科學家們在期刊《Matter》上發表了一種全新的加工方法,可以把跟木材大幅強化,製作成餐刀等工具。這把刀的硬度不只跟一般的牛排刀不相上下,可以輕鬆地切開 8 分熟的牛排,還可以多次使用、洗滌、有效的回收再利用,整個產品製造過程的能源消耗也比金屬或陶瓷低非常的多,有望在未來取代這類餐具。

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經過最新加工方法製成的木材,所製作出的餐刀可比不鏽鋼材質的更加鋒利。圖/Pixabay

比金屬和陶瓷更環保的選擇:木材

當你環顧生活周遭需要以「堅硬」為訴求的材料,你會發現它們大部分都是人造或經過加工的,因為想製作堅硬的物品,最怕的就是整個物理結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,只要有以上任何一種,工具的耐久度就無法維持多久,然而天然材料通常都有這種缺陷,例如木頭內部會有中空導管,石頭內則會有導致它容易剝落或裂開的天然紋理。

所以物質多半都都需要經過高溫冶煉才能夠成為堅硬的材料,例如光是製造陶瓷,就需要將陶土加熱到幾千度的高溫,而在這個講求環保的時代,有時候又要考慮產品的碳足跡……不用說,從地球土壤中開採鐵礦和陶土所耗費的能源,絕對與使用天然材質相對多很多。

所以這群研究人員把腦筋動到了陪伴原始人類到現在、樸實無華的木頭身上,他們覺得人類還沒發揮木頭 100% 的能力。

一般的木材在結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,無法加工成非常堅硬的工具。圖/Pixabay

請給我木材!人類尚未 100% 發揮它

好幾千年來,人類就不斷地想在木頭身上動手腳,但是在工具和建築上,木頭的加工通常只限於蒸氣曲木和壓縮法,用這種方法處理的木頭都會有個問題,在一段時間過後,木頭本身會有些許的回彈(定型)。

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要知道為什麼就得先了解木頭!

木頭最主要的成分是纖維素,雖然平常可能無感,但纖維素其實有相當高的強度與密度比,表面上看起來是一個輕量又堅固的超理想材質,只看數字的話,甚至凌駕於大部分的高密度建築材料如水泥、金屬等等。但是我們目前加工木頭的方式,都無法把木材的材料潛力發揮到極致,部分是因為纖維素其實只佔了木材的 50%,除此之外還包含半纖維素、木質素等物質,這些聚合物主要是作為介質,而非提供強度,但如果將這些東西去除掉,整個木頭結構會變得容易崩壞。

所以研究團隊找到了方法,移除木頭內比較脆弱的物質,但是仍保留纖維素的結構,這個技術可以把原本木材的硬度整整強化 23 倍,並打造出比不銹鋼刀還鋒利 3 倍的餐刀。

蒸氣曲木加工法,將木材放在充滿蒸氣的箱子內彎曲,能加工出優美的弧線。圖/WIKIPEDIA

兩步驟加工:讓「普通木材」變「超硬木材」

第一步是將木頭浸泡在添加了特定化學物質的水中,並加熱到攝氏 100 度,以去除部分木質素。失去木質素的木材會變得較為柔軟、具有彈性甚至還會黏稠;以往的木材加工通常不會將這個方法用在木材上,除了如上述提到的結構問題外,還會有使用溶劑的毒性問題,但研究人員研發出了毒性較低、還能重複使用的溶劑。

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第二步是對木頭進行高溫加壓,去除水分並讓其材質更為緻密,確保不會有結構上的缺陷,連樹木中原本被導管佔用的空間都能夠去除。

藉由這兩個步驟,他們有辦法去除木頭原本的結構問題,而經過這樣處理後的木頭還可以裁切成想要的形狀,然後再塗抹礦物油延長壽命、也隔絕水分讓纖維素不要再吸水,以免洗滌餐具降低刀子的鋒利程度。

將木材加工為「超硬木材」的實驗步驟。圖/參考資料 1

木材應用百百種!「五金材料」的新未來?

同樣的手法可以用來製作其他工具,例如和金屬釘子一樣堅硬的木頭釘子,一樣可以釘穿 3 塊木板,但是好處是木頭釘子不會有生鏽的問題,除了釘子之外,還有很多東西可以用這種木頭材質製作,例如更耐用的木頭地板。

儘管目前這個技術的使用還只是存在於實驗室環境中,但是不可否認的是,我們還沒有發揮木頭百分之百的實力,只要這個技術成熟,加上樹木可以種植並回收的特性,在未來每個人都可以分配到的超級強化木材資源或許可以凌駕於金屬,或只是打造出打不壞的木製球棒、堅不可摧的小木屋、輕量化的木頭汽車和飛機、或者是一把堪比鋼刀的超強木刀。

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阿銀,你的木刀原來是這麼來的啊 ?

參考資料

2021,《Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic

Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者