汞管理

疯癫的帽匠怎么了:从汞谈化学生命周期

2017-09-06 11:04:10 泛科学 作者:陈亭玮

十九世纪英国的制帽匠长时间暴露于水银蒸气中,被认为总是疯疯癫癫的。

十九世纪的英国帽匠为什么疯疯癫癫的?

十九世纪时,一种职业病时常出现于英国的制帽匠身上,症状包括流口水、掉头发、肌肉抽搐、走路摇晃,说话思考困难、甚至产生幻觉、异常兴奋或情绪不稳等,英文谚语的“跟帽匠一样疯”(mad as a hatter)很可能便是因此而来。现在则认为当时的这类职业病,应该就是水银中毒。在十八、十九世纪,水银常常用于处理帽子的毛皮原料;帽匠们会长时间暴露于水银蒸气中,在还不明白水银毒性的年代里,他们被认为总是疯疯癫癫的,可这些其实都是经水银引发的中枢神经中毒的症状。

水银──也称为汞──是个相当特别的存在。汞是唯一在常温下为液态的金属元素,具有密度大、导电性佳等特性。

在众多的金属元素中,水银──也称为汞──是个相当特别的存在。汞是唯一在常温下为液态的金属元素,具有密度大、导电性佳等特性。过去西方炼金术认为水银为金属的第一物质,炼丹师也以硃砂(琉化汞)作为炼丹的重要原料;现今的水银则多应用于水银电池、电源开关、继电器、荧光灯管、温度计、血压计等。然而,虽然被普遍使用在许多日用品中,水银对于人体与环境都有一定的毒性,那么,人们究竟如何管理这类的有毒物质呢?

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如何了解产品对环境的影响?“生命周期评估”

生命周期评估流程。

现今人们对于有毒物质的了解更多,自然不会像十八、十九世纪的制帽工业,任由工人曝露在水银蒸气中。但现代产品的制造流程也相对更为复杂,如几乎人手一支的“手机”便结合了许多电路制程,每种过程中都可能产生毒性物质,因此根据不同的化学物质种类,我们需要有详细的评估与管理方法。 针对会广泛使用于制造过程或民生用品的毒性化学物质,通常会进行“生命周期评估(Life Cycle Assessment, LCA)”,从原料取得、生产、使用到最后处置(回收或废弃),评估出整个产品生命周期里可能造成的环境影响。

“生命周期评估”的概念早在 1969 年便被提起,直到 2002 年才由联合国环境规划总署(United Nations Environment Programme, UNEP),与环境毒理化学协会(Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC)共同合作推行,将其实际应用至产业生产及政府决策之中。例如水银对生物体具有相当强的毒性,且能长时间停留在环境中、进行生态累积(由于生物累积放大效应,因此许多大型鱼类如鲨鱼、旗鱼等较高阶的消费者,体内的水银浓度会较高),所以使用水银的产品,应该要进行“生命周期评估”管理。 生命周期评估可以初步区分为几个阶段,包括原物料开采与加工、半成品及产品製造、消费使用以及废弃物处理与回收;目标是对于有毒物质“从摇篮到坟墓”完整监管,没有遗漏。

“从摇篮到坟墓”看水银如何进入台湾环境

我们以“汞”在台湾如何进入环境中为例,来看看生命周期评估会关注到的项目。在原物料开采阶段,台湾本岛并无汞矿的开采,绝大多数含汞相关的原料都是进口,其中以“原油”(因为总量最大)占了含汞量的最大宗,其次则为煤矿、天然气、水银及液化石油气。然而,除了总量,不同原料的“应用方式”也会大幅影响汞对环境的后续影响,我们暂且分为空气污染源与水污染源来分析。

在原料阶段,汞的空气污染源主要和燃煤有关,如主要用来发电的燃煤发电锅炉,与燃煤汽电共生锅炉.;水的污染源则主要来自金属基本加工。

到了半成品及产品制造阶段,汞的空气污染源主要有工业中处理水泥原料的水泥旋窑、生产钢的电弧炉以及炼钢用的烧结炉;水污染则来自于电镀业、印刷电路板制造业、晶圆制造及半导体制造业。而在最后的废弃物处理与回收阶段,水污染源主要集中于工业区的污水系统;空气的汞污染则主要来自垃圾焚化炉以及火葬场;另外还有因一般垃圾焚化的飞灰跟底渣造成的土壤污染。

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说到这,大家应该可以看得出来,“生命周期评估”需要追踪毒化物从开采、原料进出口、产品制造到废弃、回收各阶段的分布状况,才能够针对每个阶段进行管理。举例来说,如果希望降低汞在空气中的排放量,第一步当然是去改善最大宗的空气污染源,也就是水泥窑以及燃煤发电的汞排放状况啦。

这样的“生命周期评估”概念主要会应用在判断产品对环境的影响,希望在每个阶段减少资源消耗、改善产品性能,而毒化物自然是其中非常重要的一环。今日人们如果要开一家制帽工厂,在评估初期就可以判断水银的毒性太高,而采取其他更安全的制程取代它,工厂帽匠也不会再疯疯癫癫的了!

无法承受更多的汞──用“水俣公约”对汞污染说不

全球汞释放量,时间轴为公元前 2000 年至西元 2000 年,可以看到环境中的汞含量自西元 1850 年左右骤增。

前面讲了这么多台湾环境中的汞污染源,主要都与工业有关,根据统计,目前人为造成的汞空气污染排放约为 1200 至 2000 吨;但其实自然的力量也不容小觑。自然界里本来就存在汞,地壳中的浓度约有 0.08ppm,而每年的火山喷发与森林火灾等天然因素,排放至大气的汞就可达每年 2000 吨。

由于汞能够在大气中长途传播,会长久存在在各生态系中形成生物累积作用,甚至可能影响北极地区,世界上已有许多国家开始努力,希望尽可能减少汞的污染。

2013年联合国水俣公约开放签署宣传。

2013年1月,147个国家终于在四年的协商后达成共识,同意控制汞污染的“水俣公约”[2],将于2020年禁止含汞产物的进出口、疫苗跟补牙材料应更换为无汞材质、降低小型淘金产业对汞的使用,并使用最佳控制技术降低工业污染源(燃煤电厂、工业锅炉、钢铁业)的汞排放。水俣公约于2017年8月16日正式生效,从此开始,让汞逐步从我们的生活中消失吧!

备注:

[1] 亦有人考据认为爱丽丝梦游仙境中的疯帽匠有实际的指涉人物,不见得只代表水银中毒,但可以确定作者相当熟悉英文谚语的“跟帽匠一样疯”(mad as a hatter)的实际状况。

[2] “水俣”为日本熊本县地名,于 1956 年发生大规模汞中毒公害疾病“水俣病”,因此防止汞害的公约以此命名。

参考资料:

毒性化学物质环境流布调查成果手册, 行政院环保署毒物及化学物质局

台湾地区含汞元件之流布与管理, 行政院环境保护署土壤及地下水污染整治网

汞水俣公约资讯网站, 行政院环境保护署

Mercury Levels in Commercial Fish and Shellfish (1990-2012)

David G. Streets, et al, Total Mercury Released to the Environment by Human Activities,Environ. Sci. Technol., 2017, 51 (11), 5969–5977

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.

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.

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

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.

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.

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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