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化學也能是「綠色」的?跟我們的生活有甚麼關係?

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

  • 文/文詠萱

沒有理由讓這些不環保的用具(保麗龍餐具)繼續污染我們的街道、垃圾掩埋場以及河流

──紐約市長白思豪聲明,在法院宣布支持保麗龍禁令後[1]

1839年,德國藥劑師賽門 (Eduard Simon) 發明了發泡聚苯乙烯(Expandable Polystyrene,EPS),也就是大家所熟知的保麗龍。而 180 年後的今天,這種輕盈、不易腐壞、便宜而且能夠隔熱的材料,依然存在於我們的生活中,出現在免洗碗盤、生鮮容器、防撞包材等用途中。

保麗龍杯是很常見的免洗餐具種類之一。 圖/Steven Depolo@flickr

保麗龍做為最常見的包裝、儲藏材料,應用的數量非常龐大。因保麗龍的可塑性高、輕便、利於運輸且具有保溫作用,一直是全世界愛用的運輸防撞材料,這項材料讓人類生活更便利。

然而保麗龍在環境中不易分解,若不慎處理,流入海中將會成為難以處理的海洋廢棄物,我們要如何在化學材料帶來的便利與環境保護做到完美平衡?

人們貪一時之快,保麗龍卻會在地球上存留很久。圖/David Gilford@flickr

或者更好的問題是,像保麗龍這樣不易回收、難以分解的化學材料,為什麼會拋棄式使用呢?化學材料的使用,要依照怎樣的準則才能對環境更加友善?

應用化學技術帶來永續發展的前景:綠色化學

無論是輕巧便捷的塑膠、保麗龍材料或是幫助蔬果生產的農藥肥料,都源自於化學工業在第二次世界大戰後蓬勃發展,人們掌握了化學知識、並用以改善生活;化學工業的開端,似乎替人類的未來帶來了光明的前景。

1962年,瑞秋‧卡森(Rachel Carson)出版《寂靜的春天》直指遭濫用的殺蟲劑如DDT等對生態環境的影響。由這個時期開始,許多工業帶來的污染問題也引起了人們對於化學物質使用的警覺。1990 年,美國頒布了「污染預防法」(Pollution Prevention Act),文件中正式使用了「綠色化學(green chemistry)」一詞,鼓勵各州由化學製程的生產源頭減量廢棄物的產生,並確立了低污染製程的研發。

而在後續的發展中,「綠色化學」的概念持續發展。在化學品的製程中應該要遵循哪些原則,才能夠避免對環境生態以及對人類的傷害?也就是要怎麼做才是真正符合綠色化學的宗旨呢?

將化學與永續發展的精神結合,其實就是綠色化學的宗旨。圖/Robert Couse-Baker@flickr

1998 年,阿納斯塔斯 (Anastas, P. T.) 和華納 (Warner, J. C) 在合著的《綠色化學:理論與實踐》(Green Chemistry: Theory and Practice) 中提出12項原則(PRODUCTELVIY)[3],這些原則普遍受到各界接受與引用:

  1.  P:Prevent wastes (防廢):預先防止廢棄物產生,勝過於製造後處理廢棄物
  2.  R:Renewable materials (再生):物料的來源需要從可再生的方向來努力,將廢棄的化學產品回收,轉換成有用的資源,如無機金屬的部分,可另外回收再利用。
  3.  O:Omit derivatization steps (簡潔):製程中應選無毒或低毒物料,使用對人體健康、環境毒性最小或沒有的物質
  4.  D:Degradable chemical products (可解):選擇相同功能,但毒性最小的產品,產物在使用後,應可降解,而不會在環境累積
  5.  U:Use safe synthetic methods (保安):盡量不使用助劑(如溶劑、分離劑等),如需使用則選擇較無害的物質
  6.  C:Catalytic reagents (催化):降低製程的能耗,盡量選擇可於常溫常壓進行的節能程序
  7.  T:Temperature, Pressure ambient (節能):在技術可行和經濟合理的前提下,儘量採用可再生資源代替消耗性資源
  8.  E:E-factor, maximize feed in product (物盡):使用最少的原料製造出最高比例的產物,讓原料沒有浪費,化學合成應注重原子經濟效率(atom economy)
  9.  L:Low toxicity of chemical products (低毒):應盡量使用對人類和環境毒性最低的起始原料,這項原則另可擴大解釋為選用低危險性製程
  10.  V:Very few auxiliary substances (降輔):使用輔助性的材料需考量對於環境的影響,製程選擇使用後可分解無害的化學品和產品
  11.  I:In-Process Monitoring (監測):在製程中即時監控有可能產生的有害物質,並儘量避免產生這些有害物質
  12.  Y:Yes, it’s safe (思危):使用與生產可降低意外事故(如洩漏、爆炸、火災等)的化學品

綠色化學的核心即在於盡可能降低每個階段產生的有害物質,並節省資源使用,包括:生產原料時消耗最少的資源與能源、製程中盡可能避免產生有害物質,而最終得以將化學與永續發展的精神結合。

有了綠色化學12項原則,實際該怎麼做?

且讓我們回到開頭的故事:保麗龍經久不腐的特性使得它完全不適合作為用過即丟的拋棄式產品。2019年 1月1日,經過數年的訴訟,美國紐約市將正式禁用保麗龍餐具,引起了許多矚目。但是僅僅禁用並沒有真正解決人們需求,我們應當如何找出真正優良的替代品呢?

參考綠色化學的第 4 條原則:選擇相同功能,但毒性最小的產品─現行最明顯的替代方案即是以紙杯、聚丙烯等較易回收或分解的材料代替保麗龍,降低其廢棄物的數量。但是,考慮到現行大量使用的拋棄式產品仍然會造成許多問題,採取第10條原則:設計可分解對環境無害的化學品與產品,或許才是對於保麗龍難題的真正解方。

科學家正努力找出保麗龍的替代方案:臺灣工研院曾研發改良澱粉使其具有發泡特性,如能成功市場化,即可取代保麗龍的包裝功能;而澱粉屬天然材料,使用後即可掩埋自然分解。美國馬里蘭大學材料與工程學系2018年研究新發表的「Nanowood」[6]則試圖取代保麗龍作為建材隔熱的角色。

「Nanowood」中除去了木材中的木質素 (lignin) 與半纖維素 (Hemicellulose),內部餘下的骨架纖維素纖維 (cellulose fiber)構造即可達到極佳隔熱效果,再加上能製成的形狀、厚度多元等特性,未來若能量產製作,有望能取代保麗龍,成為絕佳的隔熱材料。另外,在寄送商品時,會在箱子內塞些填充物防止撞擊,而這些填充物也研發出可降解的材料,讓具長鏈分子的材料因紫外光、加熱等自然環境因素,轉化為能回歸自然界中的元素,如二氧化碳、水等。

美國馬里蘭大學材料與工程學系2018年研究新發表的「Nanowood」則試圖取代保麗龍作為建材隔熱的角色。圖/原始論文

全球一同投入創意與研究達成「綠色化學」

除了保麗龍,化學工業的產品遍及我們的生活,尚待處理的「歷史共業」還有很多,而這些化學物質的取代、製程的改良都需要許多人共同努力。美國環保署在1996年就設立了「美國總統綠色化學挑戰獎」,針對「使用替代合成途徑」、「使用替代反應條件」以及「設計較安全的化學品」頒發獎項,希望能鼓勵相關的業者、研究人員投入與創意進行研發。

有許多國家也立法具體限制化學產業製程中產生的副產品種類與濃度,如近年來逐步增加管制範圍的「斯德哥爾摩公約」即逐步評估並嚴加管制化學產業製程中出現的持久性有機污染物。而針對溫室效應與廢氣排放,美國、日本、歐盟等國家亦立法推行含有酒精的汽油,期望可降低廢氣排放,並減少對石油的需求。

圖/pixabay

目前臺灣產業界可看到許多執行綠色化學精神的案例,需耗用大量水資源的鋼鐵業中,中鋼由建廠初期每噸鋼耗水10噸,降為近年的4.8噸,提升了用水回收再利用率[10];永光化學公司研發出加氫還原技術,取代染料製造業原有鐵粉還原法,以解決產生大量含鐵污泥廢棄物的問題。[8]

人類科技、化學知識可說是一種雙面刃,帶給我們便利、舒適生活的化學工業,也是會造成失控環境污染的公害來源。而掌握這個雙面刃唯一的方法,就是遵循綠色化學的宗旨,逐步改進目前的原料、製程、能源,懷抱著永續經營的理念,真正讓化學帶來未來的美好生活。

參考資料

  1. Jorgensen, J., Goldberg, N., & Hussain, K. 6/13/2018 Styrofoam ban to start in 2019, Mayor de Blasio says Daily News
  2. 行政院環境保護署,綠色校園動起來 跨部推動作夥來,2017年。
  3. 蔡蘊明,綠色化學(Green Chemistry) ― 拯救地球的未來,綠色online高瞻自然科學教學資源平台。
  4. 周德璋,開創新局的永續化學:綠色化學:以友善環境為出發點的化學 (上) ,臺灣化學教育,2017年。
  5. 周德璋,開創新局的永續化學:綠色化學:以友善環境為出發點的化學 (下) ,臺灣化學教育,2017年。
  6. 李吉祥等人,綠色化學技術於工研院研發現況,工業技術研究院
  7. 蘇宇傑,臺灣發泡聚苯乙烯 (EPS) 回收策略之研究,2015年。
  8. 陳永祥等人,化學中的清流–對環境友善的綠色化學,科技大觀園,2005年。
  9. Li, T., Song, J., Zhao, X., Yang, Z., Pastel, G., Xu, S., … & Jiang, F. (2018). Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose.Science advances4(3), eaar3724.
  10. 中鋼公司 社會企業責任報告書

延伸閱讀

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

 

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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/

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