預防污染於未然：從源頭設計可處理的綠色化學品

人工轉錄

Gabriel Sigmund 博士：

我的看法是，如果一開始就無法確保安全，我們就應該尋找可安全處理的替代品。如果找不到可安全處理的替代品，就應該從設計上加以處理。若連從設計上都無法處理，我們就應該再找一個能做到的替代方案。在我們最終不得不接受某種化學物質無法被處理之前，這個層級大概還有四個步驟。若真的走到那一步，我們就應該好好問自己：我們真的需要那種化學物質嗎？就是那一種特定的嗎？而我的看法是，多數情況下，答案很可能是否定的。

Chai Nussbaumer：

普遍認為，PFAS、農藥與其他持久性化學物質會累積在生態系統的不同部分，並對人類健康造成傷害。

Micah Schweizer：

但如果「可從設計上加以處理」這個概念，能幫助我們改變這一切呢？

Chai Nussbaumer：

在本集節目中，我們將探討這種新方法，以及它如何改變我們設計與處理持久性化學物質的方式。

Micah Schweizer：

我們也會探討目前分析與整治的現況，並看看歐盟近期為進一步規範這個議題做了哪些事。

Chai Nussbaumer：

我是 Chai Nussbaumer。

Micah Schweizer：

我是 Micah Schweizer。這裡是 METTLER TOLEDO 的《Balancing the Future》。

Chai Nussbaumer：

在這個節目中，我們探索科學與科技的世界，以及正在改變我們生活的解決方案。

Gabriel Sigmund 博士：

我叫 Gabriel Sigmund，是瓦赫納大學荷蘭分校環境技術系的副教授。我主要從事污染物處理與整治，像是水處理、土壤處理，以及去除和／或破壞各種類型的污染物。我最常研究的是污染物如何附著在物質上，我們稱之為吸附；而當污染物分解時，我們稱之為降解。理想情況下，我們也會關注它們分解成了什麼。這些之後就會成為轉化產物或代謝物。這些可以說是我感興趣的機制性問題，適用於各種不同情境，從非常自然為本的解決方案，如河岸過濾、用於飲用水生產的人工補注含水層，到高度工程化的技術系統，例如生物活性碳過濾器或奈米過濾膜。

Chai Nussbaumer：

你可以簡單說明 PFAS 是什麼，以及為什麼它們對社會構成如此重大的關注嗎？

Gabriel Sigmund 博士：

當然。PFAS 是一個總稱，涵蓋數千種不同的化學分子。PFAS 這個縮寫代表全氟烷基與多氟烷基物質。根據 2021 年建立的 OECD 定義，PFAS 分子大致上是指任何碳骨架上含有 CF2 基團或 CF3 基團的分子。傳統上最典型的 PFAS 具有好幾個這類完全氟化的碳；但其實這個世界還有非常多種類。這些分子相當獨特的一點是，氟與碳之間的鍵非常強。如果某個碳上有兩個甚至三個氟，就會極其、極其、極其難以去除。因此它們具有超高持久性，意思是我們幾乎不知道有任何自然機制，例如生物降解，能把它們分解掉。

它們自 1940 年代以來就已經被生產和使用。由於它們不容易分解，而且還有一些附加特性，基本上既不喜歡水，也不喜歡油，因此同時具有疏水性與疏油性，所以可用於各種高科技與非高科技應用。大家都知道不沾鍋，但實際上還有一整個龐大的應用世界。

Micah Schweizer：

比如消防泡沫，還有像雨衣這類消費產品。我是說，應用範圍非常廣泛。

Gabriel Sigmund 博士：

正是如此。基本上，雖然有些產業界人士很早就知道它們存在健康疑慮，但大致上只是近一、二十年，這些健康疑慮才真正進入大眾視野。而令人相當擔憂的是，就內分泌干擾，以及某些癌症的致病風險而言，它們在非常非常低的濃度下就可能造成危害。當我說低濃度時，我指的是每公升奈克級。舉例來說，如果我們看荷蘭，也就是我現在居住的國家，荷蘭一年使用和消耗大約十億立方公尺的飲用水。那是非常大量的水。如果我們把四到五公斤的 PFOA，也就是 PFAS 之一，放進這麼巨量的水中，我們就已經會超過目前安全飲用水的標準門檻。

而現在，化工產業與生產過程中使用這些化學物質的量級是每年千噸級，不是每年公斤級。當然，這些不一定是 PFOA，而是其他類型的 PFAS 分子，但這只是為了讓你感受一下，要污染像飲用水這樣珍貴的大量資源，其實只需要非常少的量。

Micah Schweizer：

這就引出你所提出的「可從設計上加以處理」這個概念。你可以解釋一下它是什麼意思嗎？

Gabriel Sigmund 博士：

當然。這裡有綠色化學與「安全且永續，從設計出發」的化學概念。這個概念的想法是，未來我們選擇、使用與設計的所有化學物質，都應該能到處附著、立即降解，而且沒有毒性。我這裡是有點簡化、也稍微誇張地說，但基本上意思就是它們是安全的。它們會附著、不會生物累積、不會長距離移動，也不會造成危害。對於許多、許多用途來說，這是一個很棒的概念與想法，我完全支持。然而，有一些用途無法符合這些特性。農藥本來就必須有毒，這也是我們製造農藥的原因。工業應用可能需要某些耐熱化學物質，或具有某些與「安全設計」原則本質上相衝突的特性。到目前為止，這些情況就如我們剛才所說，基本上就是：好吧，我們需要它們，所以也沒什麼別的辦法了。

而我提出的是，我們需要第二道防線。這第二道防線就是為化學物質設定設計準則，確保我們可以輕易將它們從水中去除，例如，確保我們能對它們進行處理。因此，「從設計上可處理」的意思是：對於那些因為某些原因，目前無法做到安全且永續設計的化學物質——因為它們本質上的必要特性與這項原則衝突——我們必須確保能夠輕易將它們從飲用水、廢水排放物與不同介質中去除。因為如果做不到，後果會是非常昂貴、非常棘手的大麻煩。這是我和幾位同事最近共同發展並發表的一個概念。但我認為，這是嘗試對這場辯論提出一個務實、以解決方案為導向的方法；當然，我非常支持在可行之處淘汰有害化學物質與持久性化學物質，但我們不可能在所有地方都做到。

Chai Nussbaumer：

那麼，如果一種化學物質無法被做成可從設計上加以處理，你會如何看待它的未來影響？在很多情況下，這是理想目標，但如果它根本做不到呢？

Gabriel Sigmund 博士：

是的。我的看法是，如果它不安全、無法從設計上變得安全，我們就應該尋找安全的替代品。如果找不到這樣的替代品，就應該讓它變得可從設計上加以處理。如果連這也做不到，我們就應該找一個可以做到的替代品。在我們最終不得不接受某種化學物質無法被處理之前，這個層級大概還有四個步驟。若真的走到那一步，我們就應該好好問自己：我們真的需要那種化學物質嗎？就是那一種特定的嗎？而我的看法是，多數情況下，答案很可能是否定的。

Micah Schweizer：

要讓一種化學物質具備可從設計上加以處理的特性，需要什麼條件？

Gabriel Sigmund 博士：

在「可從設計上加以處理」的概念中，我們還有另一個階層、另一個層級，因為不同類型的處理技術對環境的足跡不同。可以說，足跡最小的是生物處理。污水處理廠主要就是生物處理，因為那是處理廢水非常有效率的方法。所以如果我們能設計出能在污水處理廠中降解的化學物質，那就太好了。如果做不到，那下一步可以說是讓它們很容易被分離。當我說分離時，包括兩種不同類型的技術。其一是吸附技術，也就是所謂的「附著在東西上」，像活性碳、離子交換樹脂這類材料；其二是膜技術，例如奈米過濾。那基本上就是網孔非常小的過濾器。在這裡，分子大小是一個重要因素，分子的電荷也可能很重要，還有分子的疏水性。

這些是一些較一般性的因素，還有其他因素。如果我們能夠良好地分離它們，就能良好地將它們濃縮。若能把它們濃縮起來，就更容易將它們破壞，因為任何破壞過程都很耗能，也就是說，如果我們能好好分離它們，接下來需要破壞的體積就小得多。因此我會說，下一步理想上是分離與濃縮。之後，我們再進一步採用破壞性技術。當然，破壞性技術裡的「終極手段」就是焚化。只要溫度夠高，幾乎什麼都能燒掉。不過也有一些介於中間的方法，例如電化學氧化、先進氧化程序、臭氧處理之類的途徑。

Micah Schweizer：

要讓全球 PFAS 法規把「可從設計上加以處理」納入考量或承認，還需要什麼？

Gabriel Sigmund 博士：

我認為「可從設計上加以處理」的概念更廣泛。它不只是以 PFAS 為中心。我非常堅信，大多數含氟化學物質其實不必是含氟的。對大多數 PFAS 而言，可能都有替代品，而且我們知道它們存在。也許我們必須稍微改變做事方式。有時我們可能得接受一點性能上的下降，但我們並不需要那種超高級的滑雪蠟。我們不需要一件可以穿去潛水的外套。那也許沒那麼必要。當然，還是會有那些特定而且仍然存在的應用。對於那些應用，我會說，若確實遵循「可從設計上加以處理」的原則，我們可以確保那些排放熱點，例如製造工廠，更容易管控其排放。因為越容易移除，移除的成本就越低；而越便宜，越能激勵人們把事情做好。

Chai Nussbaumer：

嘿，Micah。

Micah Schweizer：

嘿，Chai。

Chai Nussbaumer：

那麼，Micah，談到 PFAS 與化學物質管制，歐盟一直走在前面。自 2007 年以來，其 REACH 規範就訂下廣泛原則，要求企業必須證明自己所使用任何化學物質的安全性。

Micah Schweizer：

REACH 是化學品的註冊、評估、授權與限制的縮寫。我們在第二季曾與 PFAS Project Lab 的 Alyssa Cordner 博士和 Kimberly Garrett 博士談過這個話題，那是 2025 年。自那之後有什麼變化嗎？

Chai Nussbaumer：

有。到了 2026 年，又有 14,000 種化學物質被納入高關注清單，因為它們被視為對環境與人類健康有重大風險。最大的變化則是公私部門諮詢的結束，這可能為全面禁止 PFAS 鋪路。這項措施很可能在 2027 年開始。製造商將只有 18 個月的時間停止生產 PFAs，而對於被認定為必要的那些，則會有更長的寬限期，介於 5 到 12 年之間，逐步全面淘汰。這是一項重大轉變。

Micah Schweizer：

確實如此。未來看看其他地區如何回應，會很有意思。現在，讓我們聚焦當下，看看現有 PFAS 有哪些分析與清除的方法。

Gabriel Sigmund 博士：

也許先從分析開始。PFAS 是一大類非常異質的化學物質，但通常在法規情境以及許多其他情境中，我們會看其中一個子集，也就是已被證明相當常見、相當重要，或因其他原因而被列入相關清單的那些。通常大約是 20 種，有時會到 40 到 60 種左右，但多數情況下更接近 20 種，有時甚至更少。這些我們通常會用 LCMS/MS，也就是液相層析質譜法來測量，這些所謂的方法就是標的分析法。也就是說，我們非常清楚自己在找哪一種分子，然後就測那個。現在，如我先前提過的，某個分子中可能含有 PFAS 子結構，而分子的其餘部分會斷裂脫落，留下來的那個子結構仍然是 PFAS。我們把這些稱為前驅分子。也有一些方法可以基本上測出某個目標化合物及其前驅物的總量。

有一種叫作 STOP assay 的方法，我們先把其他所有東西氧化掉，接著再用 LCMS 去測那 20 種，或你所設定的那些目標。就我來說，這些可說是以目標為導向的方法，也是我認為最廣泛使用的。現在，如果我們從分析問題轉到整治問題，就必須真正區分分離技術與破壞性技術。因為對分離技術而言，如果我們知道污染型態，就大致能測量自己做得好不好，也就是在把污染物濃縮、移除的過程中表現如何。至於破壞性技術，我們真的需要採用更全面的分析工具，確保我們不只是產生一種更小的 PFAS，而那種更小的 PFAS 反而更不容易附著、也更難去除；這種情況其實很常見，也就是我們沒有完全破壞 PFAS，只是破壞了其中一部分。

然後從技術角度來看，我們留下的是一個更棘手的挑戰，因為通常較小的分子比大的分子更難去除。就破壞性技術而言，有些我們可以相當有把握。那就是在極高溫下焚化。也就是說，溫度高於 1000、1200 度時，只要同時妥善處理煙道氣，我們可以相當有把握 PFAS 已被破壞。球磨法也可以表現得相當不錯。

Micah Schweizer：

但如果你是在分子層級辨識出某種物質，而且它已經在某個區域大範圍分散，那麼究竟是什麼在被焚化？到底燒掉的是什麼？聽起來你好像可以把 PFAS 分子單獨收集起來，我想是這樣。

Gabriel Sigmund 博士：

我也希望如此。是的。所以如果我們處理的是水，我們可以把用來過濾水的活性碳拿去焚燒。如果我們使用膜技術，你會有那些濃縮流。所以我們稱之為透過液與濃縮液，對吧？有些水會通過膜，有些水會被截留，而被截留的其實是相當大的體積，通常約占整體水量的 10%。那就是一股需要後續處理的濃縮流，而那有時確實會被焚化。所以那其實需要大量能量來破壞。你可以焚燒濃縮液，或者說焚燒整個過濾介質。

如果談的是土壤污染，你當然不可能燒掉大量土壤。那相當棘手。球磨法已被證明頗有潛力。它字面上就是它聽起來的樣子。也就是把一堆土壤丟進一個裝有球體的大型磨機裡去研磨，而這些磨機中有非常多能量，確實能破壞 PFAS。還有一些更精密、較低能耗的方法，但我會說，它們的運作方式，以及它們是否有效，很大程度取決於情境。

Micah Schweizer：

所以人們開始理解，為什麼一開始就讓某種物質更容易整治會更有動機。

Gabriel Sigmund 博士：

是的。是的，確實如此。我完全同意。我也認為，在討論 PFAS 的整治與處理時，理解這些技術的成本相當高，這點非常重要。也就是說，就算我們把所有 GDP、所有能找得到的資金都投入進去，仍然無法跟上每年排放與生產的數量。所以唯一真正的解方，就是停止生產它們。當然，我們還是會進行整治。那是我的核心工作。作為研究人員，我主要做的是處理。所以我們會有那些需要處理的熱點，也會有那些必須應對的排放流，我們也會處理。但這真的非常耗能，也非常昂貴。作為社會，我們能往前走的唯一方式，就是停止排放這類分子。

Chai Nussbaumer：

如果是在源頭進行整治，成本也一樣高嗎？

Gabriel Sigmund 博士：

不，當然不會。這是個很好的觀點。越往上游走越好。所以如果我們能在源頭區域消除排放，那就效率高得多、成本低得多，也更好。只是不幸的是，這並不總是可行。對於工業排放來說，這絕對是可行的，而我們也絕對應該推動這麼做，對吧？因為在那個規模、那個源頭上，把去除率從 99% 提升到 99.99%，其差距遠比我們在下游能做的任何事都大。如果我們能在上游多爭取那 1%，其價值非常高。

Chai Nussbaumer：

從人與環境的角度來看，如果更廣泛採用安全設計與可處理設計，對社會與環境會有什麼好處？

Gabriel Sigmund 博士：

很明顯，會直接影響人類健康與生態系健康。這些其實相當直觀。如果我們生產更少有毒的化學物質、使用更少有毒的化學物質、排放更少有毒的化學物質，那麼我們大家接觸到的有毒化學物質就會更少。這本身就是一個好處。除此之外，就算再悲觀一點，這也能大幅節省成本，因為這代表我們不必使用超昂貴的處理技術來處理所有飲用水或各類資源。我們也會減輕醫療體系的負擔。這件事其實可以非常務實地看待。如果我們少把毒物排放到環境中，之後需要擔心的毒物大概就會更少，我們也會有更少的毒物需要採取行動去處理。

Chai Nussbaumer：

您正在收聽 METTLER TOLEDO 的《Balancing the Future》。

Micah Schweizer：

如果你覺得這集有意思，不妨收聽我們在第二季與 Alyssa Cordner 博士和 Kimberly Garrett 博士的訪談。

Chai Nussbaumer：

連結已放在節目說明中，對話更深入談到 PFAS 對人類與社會健康的危害。

Micah Schweizer：

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Chai Nussbaumer：

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