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化學物質安全標準何在?

科學人_96
・2013/01/07 ・754字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

credit: CC by kk+ @flickr
科學界要求美國環保署加速有害化學物質的風險評估。

撰文╱穆易爾(Melinda Wenner Moyer)

美國工業界使用的化學物質將近有八萬種,這些化學物質出現在美國的空氣、消費品與飲用水裡,然而美國環保署(EPA)卻只測試過其中數百種的安全性。EPA在2011年承諾會加速並簡化評估過程,但一些科學家認為,EPA必須採取更多的行動,包括更新評估方法與技術,以及採用其他機構的資料。

美國賓州大學法令監管計畫的執行長芬克爾(Adam Finkel)認為,EPA的化學風險評估速度之所以慢,原因之一是EPA內部的科學家「往往只試圖改善評估方式,而不去思考劑量多少才算是危險。」但是,「為延遲而付出代價的總是社會大眾。」喬治華盛頓大學的葛瑞(George Gray)曾任職於EPA,最近針對這個議題在《自然》共同發表了一篇評論。葛瑞認為EPA可以採用其他機構的資料來加速其評估。

與其他機構組織的科學家合作,可能也有助於加快評估的速度。在2011年,美國內分泌學會(Endocrine Society)等八個專業科學社群,要求EPA把他們的科學家納入監管小組,以協助改善EPA評估的精確性。這些科學社群指出,在種種問題之外,EPA仍持續使用過時的科學理論來研究類激素化學物質,例如雙酚A(bisphenol A)在低劑量時對人體有何影響。

葛瑞和共同發表評論的科學家表示,讓EPA接受不確定性終究是很合理的。EPA應該思考如何提供一組數值範圍,而不是設計單一的門檻數值來區分劑量安全與不安全。葛瑞表示:「我們應該就手邊所有的資料,盡可能詳細清楚地描述風險,讓那些必須做出決策的人能夠充份了解這些風險,畢竟這些決策可能會影響國民的健康。」(黃鈺敏 譯)

研究文獻:Nature 489,27–28 (06 September 2012) doi:10.1038/489027a

SA原文:The EPA Must Get Up To Speed, Say Experts

刊載於《科學人》2013年第131期01月號

文章難易度
科學人_96
39 篇文章 ・ 3 位粉絲
《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。

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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

你以為的大氣,不是真實的大氣!

大氣邊界層是人類的生活範圍,也是大部分空氣污染物存在的地方。然而,傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況,因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異,導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,他是建立空品專題中心的主要推手,研究團隊從大氣結構出發,試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報,這項計畫集結了來自民生公共物聯網國家高速網路與計算中心環境保護署等跨部門的資源,以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

根據國際貨幣基金組織(IMF) 2021 年的報告,臺灣位列全球第 22 大經濟體,這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國,一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

在美國國家航空暨太空總署(NASA)公布的地球夜景照中,我們彷彿可以看見,高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立,在又長又窄的西半邊,從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海,東部靠山,這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區,不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口,凝聚出商業與工業的巨大產能,更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員,請他從空氣品質與都市氣象學的角度,細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

臺灣雖然小,但空汙問題好複雜!

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里,以大氣尺度來看非常的小,然而,我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處,接受來自各方的空氣污染物,各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭,整個中西部更是在窄長的地域中,面臨來自山、海的多重影響。

以下圖的臺中都會區為例,臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散,再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應,讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜,無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述,使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

臺灣在東北風的影響下,不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說,到處觀察「煙囪」是他的職業病。

大陸環境的大氣結構相對簡單,自歐洲工業革命開始,傳統大氣科學的理論都告訴人們:越高、風越大,只要把煙囪建得高高的,就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「到了大陸國家,你會發現他們煙囪排出來的煙,經常是非常穩定的水平煙流,可以飄得很遠,這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題!」,然而反觀臺灣的煙囪,卻很少出現這樣的水平煙流。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料,如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高,有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知,當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中,西部沿海風速最快的大氣區域(藍底),大約落在 200~400 公尺高之間,此區的風速大約為 5~6 公尺/秒左右,以東北風為主,是空氣污染物的「最佳擴散區」。

若是再往上,到了 450~800 公尺左右,風速驟然下降(橘底),僅有 0.5~3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣,在兩個不同方向的風的對切之下,形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此,若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時,反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區;換個做法,如果煙囪低一點,才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉:低煙囪設計要相當謹慎,也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙(水蒸氣凝結),一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近,因此實務上還會特別做加熱設計,讓煙流先往上浮,再擴散,等於加高了煙囪的高度,這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題,污染排放點離民眾越近,當工廠發生緊急異常排放時,異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣?那就做出臺灣自己的資料吧!

這麼經典的高煙囪理論,為什麼不能用在臺灣?

周崇光表示,大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲,使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下,因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構,而中研院空品專題中心的目標之一,就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到:「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多,所以我們必須要更精確知道,臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子,才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況,那麼小一點的、近一點的國家呢?韓國、日本的有沒有參考的價值?

周崇光笑著說,「你知道嗎?臺中盆地也才 10 幾公里,但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上!」就算是韓國、日本,它們的地理空間也比臺灣大多了,而且地形也沒有這麼複雜。

臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域,究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果?某種程度來說,這也許是個細思極恐的問題呀。

因此,為了國內空污氣象學的發展,搞懂臺灣的大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍,也是大部分的空氣污染物存在的地方,又被稱為行星邊界層(Planetary boundary layer)。在氣象學中,大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣,高度從地表一直到數百至數千公尺不等,是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而,傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形,因此,大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制,未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說,「坦白講,目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件,但我們仍然不斷的在努力,透過很多很多的調查、研究、模擬參數,漸漸地發展出半經驗、半理論的結構,最終的目標是歸納成一個系統性的成果,作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型,到回頭檢視國家的空污防制策略,大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的,藉由大氣科學研究的力量,才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足,「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟,有著極為厚實的研究經驗和基礎,然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作,中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標, 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心,成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外,如此一來,研究預算的匡列、人力的評估,都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究,在中心的管理之下,空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網,可以發現,目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高,由於空品狀況站數僅有 85 站,只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報,尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 及 O3 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」,是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一,此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支,集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式,並描繪空氣污染物的 3D 空間分布,預期能夠對臺灣地區 PM2.5 及 O3 生成與傳輸過程進行更精確的模擬,進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」,由環保署統合高達 10,000 個感測器,就像是神經系統中的神經元,負責感知大氣環境中的變化,並透過民生公共物聯網提供的神經網路,將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦,而超級電腦就像是大腦一樣,提供強大的運算力,使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況,計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一,不同層級的靈敏度也有所落差,但隨著近年技術的進步和突破,微型感測器對 PM2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度,目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器,環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器,透過高密度的監測數據進行資料分析,有效掌握全臺各地的空品狀態。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

此外,此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求,協助推動臺灣感測器的產業,與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商,國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成,未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統,也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時,我們可以一填答就馬上得知正確答案時,就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題,不斷修正,找出最正確的解方。

同理,拜微型感測器遍布全臺之賜,大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果,有朝一日,國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源,將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠,因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

如何讓空氣品質變好,又不影響現有的生活?

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心,其中一個核心精神,就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質,也是科學進步的動力,不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦,往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣,如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用?經過科學研究的探索後,如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟?

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展,空品專題中心希望可以藉由科學的力量,更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外,像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說:「一路研究下去,我們開始疑惑,當初為什麼我們都傻傻的,把這麼多的大型污染源擺在海邊,讓海風把污染物往內陸帶?為什麼臺灣的國土利用那麼集中?」這一些命題,都是一環扣一環。

最後周崇光強調,「空氣品質絕對是應用導向的研究,因此,我們除了做科學,也要讓這些研究結果有願景、有視野,讓臺灣變得更好。」

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研之有物│中央研究院_96
285 篇文章 ・ 2908 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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化學物質安全標準何在?
科學人_96
・2013/01/07 ・754字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

credit: CC by kk+ @flickr

科學界要求美國環保署加速有害化學物質的風險評估。

撰文╱穆易爾(Melinda Wenner Moyer)

美國工業界使用的化學物質將近有八萬種,這些化學物質出現在美國的空氣、消費品與飲用水裡,然而美國環保署(EPA)卻只測試過其中數百種的安全性。EPA在2011年承諾會加速並簡化評估過程,但一些科學家認為,EPA必須採取更多的行動,包括更新評估方法與技術,以及採用其他機構的資料。

美國賓州大學法令監管計畫的執行長芬克爾(Adam Finkel)認為,EPA的化學風險評估速度之所以慢,原因之一是EPA內部的科學家「往往只試圖改善評估方式,而不去思考劑量多少才算是危險。」但是,「為延遲而付出代價的總是社會大眾。」喬治華盛頓大學的葛瑞(George Gray)曾任職於EPA,最近針對這個議題在《自然》共同發表了一篇評論。葛瑞認為EPA可以採用其他機構的資料來加速其評估。

與其他機構組織的科學家合作,可能也有助於加快評估的速度。在2011年,美國內分泌學會(Endocrine Society)等八個專業科學社群,要求EPA把他們的科學家納入監管小組,以協助改善EPA評估的精確性。這些科學社群指出,在種種問題之外,EPA仍持續使用過時的科學理論來研究類激素化學物質,例如雙酚A(bisphenol A)在低劑量時對人體有何影響。

葛瑞和共同發表評論的科學家表示,讓EPA接受不確定性終究是很合理的。EPA應該思考如何提供一組數值範圍,而不是設計單一的門檻數值來區分劑量安全與不安全。葛瑞表示:「我們應該就手邊所有的資料,盡可能詳細清楚地描述風險,讓那些必須做出決策的人能夠充份了解這些風險,畢竟這些決策可能會影響國民的健康。」(黃鈺敏 譯)

研究文獻:Nature 489,27–28 (06 September 2012) doi:10.1038/489027a

SA原文:The EPA Must Get Up To Speed, Say Experts

刊載於《科學人》2013年第131期01月號

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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。 

「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。 

「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。

 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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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1118 位粉絲
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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進擊的巨大污染!解析海漂垃圾的全球分布──專訪鄭明修
研之有物│中央研究院_96
・2021/05/31 ・4268字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文│歐宇甜
  • 美術設計│林洵安

海洋廢棄物逐漸漂向熱帶和極區

近年海廢問題相當受關注,中央研究院生物多樣性研究中心研究員鄭明修組成團隊,利用大數據運算分析 25 年來全球七大洋區的海漂垃圾,發現風阻效應和海流都會影響垃圾分布,從亞熱帶漸漸轉移到熱帶和極區,其中以太平洋區的海洋垃圾積累最嚴重,並且有 50% 垃圾仍持續在海上漂流,論文於 2020 年 10 月 6 日刊登於《環境研究期刊》(Environmental Research Letters)。

海漂垃圾從哪來?

從小與大海為伍的鄭明修,對海洋變髒深感痛心,「過去我們潛水搭船出去,海面都很乾淨,大家只會注意有沒有鯨豚或海鳥出沒,現在不一樣,一眼望去,海面幾乎都是垃圾!」尤其在一些地帶垃圾量更多,像太平洋垃圾帶位於太平洋上,面積已接近 50 倍台灣,而且還在繼續擴大中,這些垃圾半浮在海水中,從飛機上根本看不到。

鄭明修數十年來看盡世界各地海洋變遷,痛心指出海洋垃圾為當前最嚴重的環境問題。圖片為漂浮在海面上的塑膠垃圾,水下拍攝。圖/iStock

海洋垃圾種類很多,有 20% 會漂浮、80% 會沉沒,如漁網。估計每年全球有 480 萬~1270 萬噸漂浮垃圾流入大海,其中有 50% 可能被風浪打上岸,其他則繼續漂浮,經過日曬、風浪拍打,不斷風化、分解、碎成塑膠微粒,甚至變奈米級大小,再被細小的浮游動物吃下去後,接著被小魚、小蝦和大魚吃掉,透過食物鏈傳遞、累積在生物內臟和肌肉組織,最後可能就被人類吃下。

許多科學家在研究塑膠垃圾與微粒對海洋生物的影響,著名例子是夏威夷群島的「中途島」,當地信天翁誤以為塑膠是食物而吞食、親鳥用塑膠餵幼鳥,科學家解剖死亡信天翁發現肚子裡都塞滿垃圾。其他如鯨、海獅和海豹等生物,屍體肚子裡也有許多垃圾。

綠蠵龜以為塑膠袋是水母就一口吞下,但沒有味覺、無法分辨,沒辦法吐出,都累積在肚子裡。國立臺灣海洋大學的程一駿教授長期研究綠蠵龜,更發現死亡綠蠵龜肚子裡有各式各樣的垃圾。
圖/iStock

此外,塑膠含塑化劑,溶入大海會對生物造成危害,同時也是環境荷爾蒙,會讓雄性貝類陰莖縮小、動物出現雌性化等。「但因為塑化劑不是急性毒、塑膠微粒不會馬上致死,導致許多人對於海洋垃圾無感,都不知道害怕 。」鄭明修說。

從東沙島建立分析模型

海漂垃圾研究由中研院鄭明修研究員、辛宜佳副研究員,以及台大漁業科學研究所副教授柯佳吟組成研究團隊,從東沙島開始建立分析模型。為何會以東沙島作為調查地點呢?鄭明修說:「我去過東沙島 50 多次吧,20 幾年前還很乾淨,現在海漂垃圾多得嚇人!我很好奇這些垃圾都從哪來?」

鄭明修發現東沙島海漂垃圾多得嚇人,圖片為東沙島岸上的海漂垃圾。圖/鄭明修

再者,東沙島雖然有駐軍,但禁止亂丟垃圾。鄭明修團隊認為,東沙島的垃圾都是從外地漂來,是建立追蹤海洋垃圾模型的好地點。他們在東沙島南、北各一處沙灘,每個月由海洋國家公園管理處同仁、上島研究團隊與海巡署士兵協助調查海漂垃圾,分析裡面的組成物,鑑定後發現大多來自中國或東南亞國家。

為了瞭解海漂垃圾從哪裡來,海洋國家公園管理處同仁、上島研究團隊與海巡署士兵協助調查海漂垃圾,分析裡面的組成物,鑑定後發現多半來自中國或東南亞國家。圖/鄭明修

團隊再透過網路從各國政府或相關單位收集資料,如從美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)收集 25 年全球洋流、風向數據,從氣象局收集海水溫度,從漁業署收集漁船作業地點,進行大數據分析。

在東沙島,冬天有東北季風、夏天有西南氣流,冬天從中國來的垃圾多,夏天從越南來的垃圾多。團隊把收集到的海流、風向等數據都丟入電腦、建立模型,進行東沙島海漂垃圾的反向追蹤,與當地實際調查到的垃圾來源比對,發現與上述資料吻合,表示這套理論模型成立。

全球海漂垃圾大分析

東沙島的模型成功後,團隊發現海漂垃圾從四面八方來,因此開起想要瞭解全球海漂垃圾的動機,並隨即再利用數據模擬來分析全球海漂垃圾的走向。團隊將一個經緯度分成 3 格,模擬在全球各地每區海域格子丟入 10 個垃圾,觀察從 1993 年到 2017 年,它們究竟會被海流和風帶往哪裡。辛宜佳副研究員說明,風阻效應是將海洋垃圾推送到岸上和沿岸的重要因素,本次也是全球首度加入風阻效應來分析海洋垃圾走向。

海漂垃圾的風阻係數(Cw)為 0~0.1,風阻係數高的垃圾有機會被風吹到岸上,風阻係數低的可能就漂浮在海面。Cw 越高,表示受到風的阻力越大,如大體積保麗龍,受風面大很容易跑到岸上;塑膠拖鞋 Cw 為 0,不會沉沒且風也吹不動,除非有大浪才會被捲到岸上。圖/研之有物

在下圖可以看到,大洋區域被丟棄的海洋垃圾,低風阻係數的垃圾比重比水大,主要累積在北緯 30° 和南緯 25°~50°;中、高風阻係數的海漂物如保麗龍、寶特瓶比重比海水小,容易隨風漂移,累積在北緯 10° 與南緯 > 60° 的區域。另外,沿岸垃圾較不易受風影響,不論風阻如何,皆集中累積在北緯 10° 與南緯 5°~15° 間的熱帶區域。

研究團隊不只找出海漂垃圾熱點,也用三種顏色標示出海漂垃圾熱點與海洋生態系服務熱點重疊的不同情況(註1),其中海洋生態系服務熱點包括:葉綠素 a 濃度(評估海洋初級生產力)、每年總漁獲努力量(評估漁業)、海洋生物多樣性。

上圖為低風阻垃圾與高風阻垃圾的全球分布熱點圖。藍色記為 1,代表海漂垃圾熱點與 1 種海洋生態系服務熱點位於同一區;綠色記為 2,代表海漂垃圾與 2 種生態服務熱點區域重疊;以此類推,紅色記為 3,代表與 3 種生態服務熱點全部重合。圖/研之有物(資料來源│鄭明修)

依據模型模擬結果,海洋垃圾分布已從亞熱帶轉移到熱帶和高緯度地區,並且將從太平洋東岸轉移到太平洋西岸,臺灣與亞洲區域可能面臨巨大的海洋垃圾危害。另外,像塑膠垃圾因為比重比海水小,可被運送得非常遙遠,容易被帶往極地,南、北冰洋可能是另一個海洋垃圾堆積熱點。

如此龐大的海漂垃圾大遷移,已經嚴重影響全球海洋的生物多樣性,也侵入漁業作業區域,如果只增不減,整體海洋生態系和人類的經濟活動,都會受到嚴重衝擊!

回收或淨灘只是治標?

知道問題了,如何解決?比如塑膠回收,可以根絕問題嗎?「雖然塑膠可以回收、再製造,但目前只有生活水準高、高度工業國家能做到高度回收,像北歐有專門的回收機,只要把寶特瓶投進機器,就能得到獎勵金。台灣的獎勵金越來越少,民眾意願不高。」

此外,台灣各縣市政府常舉辦淨灘或認養海灘活動,目的是讓大眾親眼看見海岸到處是垃圾,從自己開始改變。不過,鄭明修表示,一般民眾多去交通方便的海灘、海水浴場,至於部分很難到達的地方,政府仍要花很多錢清理,像澎湖南方四島是派特遣部隊,人吊在空中下去峭壁撿垃圾,有時一趟只能抱一大塊保麗龍上來,漁民則有組成環保艦隊,派漁船專門去海上清垃圾,但畢竟只能小規模處理,並需要龐大費用。

淨灘或認養海灘活動,目的是讓大眾親眼看見海岸到處是垃圾,從自己開始改變。圖/鄭明修

近年大量廢棄的漁具、保麗龍(牡蠣養殖浮具)、浮標和漁網更是一個大問題。以前漁網價格高,破了漁民會縫補繼續使用,現在變很便宜,破了就被扔掉,漁具也是壞了就扔。估計全球海底有 10 萬張以上廢棄漁網,常纏繞在珊瑚礁盤上、纏住許多海洋生物,破壞生態。現在台灣政府推動漁具實名制,請漁民將廢棄漁網、漁具回收並給予獎勵。

全球海底有 10 萬張以上廢棄漁網,常纏繞在珊瑚礁盤上、纏住許多海洋生物,破壞生態。
圖/鄭明修

呼籲政府從根源處理問題

鄭明修語重心長說道,「我認為,海上的垃圾不要去處理,因為永遠都處理不完,應該從源頭根絕。」塑膠發明不過幾十年,已經被大量濫用,明明是很難分解的東西,卻往往用不到 10 分鐘就被丟棄。「全球塑化經濟要改變,各國政府必須訂定相關政策,如讓塑化產品變貴、禁用或用其他東西取代等,從源頭開始管控。」

近年來,經濟發展較落後的非洲,做法卻最為大刀闊斧。「很多非洲國家的下水道都被塑膠袋堵住,造成淹水。他們認為既然無法處理塑膠垃圾,乾脆禁用。」目前有超過六成非洲國家都實施塑膠袋禁令,關閉塑膠工廠、全國不能進口塑膠袋等。

「另外,污水處理也很重要!每洗一次衣服,人造纖維衣物會流出大量的塑膠微粒,隨污水流入大海。」鄭明修補充:「雖然台北市污水處理率有 86%,但全台灣的污水處理率只有 37%,表示還有 63% 污水沒經過處理就直接排入大海,仍有很大的進步空間。」

海洋廢棄物無國界,「全世界大海是相通的,現在連最遠的南北極、深度最深的馬里亞納海溝,都出現塑膠微粒蹤跡 。唯有全球海洋環境好、台灣海洋才會真的好。」鄭明修期待更多人關注並持續做研究,提醒各國政府了解海廢問題的嚴重性。

一路以來,鄭明修秉持一股使命感,持續推動台灣海洋保育工作,催生東沙島環礁和澎湖南方四島國家公園,總不遺餘力的四處奔走、跟大眾講解或督促相關單位,「如果我知道卻沒講,就是我的錯了!我總是記得一句話:成功不必在我,才能快樂去做。」充滿熱忱、積極和樂觀的個性,讓鄭明修能持續在這條艱困道路上前進。

中央研究院生物多樣性研究中心研究員鄭明修,因為對海洋的熱愛成為國內海洋保育先鋒,認為海洋廢棄物為當前最重大的環境議題。圖/鄭明修

註1:此處的「熱點」是把評估項目的全球海域網格數值進行排序,取前 25% 較高數值的網格。

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