奈米物質暴露及控制奈米物質暴露及控制

奈米物質暴露及控制奈米物質暴露及控制奈米物質暴露及控制

勞工安全衛生研究所(IOSH)已於 2011 年 1 月 26 日公佈的「奈米技術實驗室奈米物質暴露控制手冊」提供國內奈米產業擬訂奈米物質暴露及控制策略參考，並於本年度委託學者─成功大學環境醫學研究所蔡朋枝教授，從事奈米技術實驗室奈米物質暴露控制管理的輔導計畫，

主要工作項目為宣導該手冊、協助奈米產業廠商依該手冊在奈米工作場所執行相關措施、工作場所奈米微粒暴露量測及評估控制狀況，以掌握目前國內奈米產業工作場所的奈米微粒逸散程度、濃度及控制狀況。有關國內奈米技術實驗室奈米物體暴露控制手冊的執行表格可參閱勞工安全衛生研究所網站。

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四、、、、小結小結小結小結

目前國際間主要國家的奈米科技的政策與法規有些進展，如美國 EPA 建議針對 17 項產前通知的 PMN 奈米物質進行重大新使用規定 SNUR 的管制，其中 15 項化學物質受到 TSCA 同意令的管制，NIOSH 也發布「實驗室工程奈米材料的一般性安全實務」指引，包含在實驗室和一些小量試驗性操作奈米材料時的工程控制和安全實務建議。在歐盟方面，歐洲委員會聯合研究中心 JRC 針對奈米微粒的法規及風險評估發行總結報告，以及國際環境法中心針對現行 REACH 對奈米物質的管制議題作探討；世界衛生組織則發佈「保護工人免於奈米物質之風險」的報告，其它還有奈米塗層農產品貿易的國際標準等。我國有許多奈米物質由國外進口，添加奈米物質的產品外銷時若未遵守相關之規定，將造成貿易上的障礙，因此勢必要注意國際間的法規動態。我國化學物質源頭登錄法源依據，至目前為止仍在修法及立法程序

中。未來我國將逐步將奈米運作納入管理，並適當檢討相關法規對於奈米危害安全管理的必要性與可行作法。由經濟部工業局主導推動的「奈米標章驗證體系」已邀國內相關學者專家組成工作小組，起草制定產品規範草案，除一般測試外，也要求進行動物的皮膚刺激性試驗及口服急性毒性試驗，以確保產品對人體健康及環境安全無潛在的危害。為了加強作業場所的奈米物質管制工作，建議工業局也可將奈米技術的 EHS 問題列入工廠輔導計畫中，以協助 業者確保奈米產品的安全。

4.1.2 奈米物質在環境的應用奈米物質在環境的應用奈米物質在環境的應用奈米物質在環境的應用

由於奈米微粒具有高比表面積、高反應活性、形狀有關的光學、電子及催化等特性，做為氧化還原的活性媒介與觸媒深具潛力，而這些特性也吸引許多學者投入設計高效率的光學或化學催化物質，用於淨化受污染的水體和空氣(Zhao et al. 2011)。此外，不同型態的奈米物質如奈米微粒、奈米管、奈米絲及奈米纖維等，具備的功能如吸附、催化，它們與高分子的複合材料可用於氣體(如SO2、CO、NOx等)、化學污染物(砷(arsenic)、鐵、錳、硝酸鹽、重金屬等)、有機污染物(脂肪族(aliphatic)及碳氫化合物芳香族(aromatic hydrocarbons))及生物體(如病毒、細菌、寄生蟲(parasites)和抗生素(antibiotics))的偵測及移除(Khin et al. 2012)。

高分子奈米複合材料(Polymer Nanocomposites, PNCs)已應用於削減不同環境介質如地下水、工業廢水、氣體及土壤中的污染物，其主要機制為催化降解(catalytic degradation)與吸附 (adsorption)。此外，PNCs也已被大量研究於感測和檢測微量污染物，及減少污染物在環境中的排放(Zhao et al. 2011)。

常見的奈米微粒觸媒有奈米半導體物質如二氧化鈦(Mills and Hunte 1997；Fu et al. 2006；

Konstantinou and Albanis 2004)、氧化鋅(Daneshvar et al. 2004；Lin et al. 2005)、硫化鎘(Zhu et al.

2009；Sathish et al. 2006；Liu et al. 1998；Datta et al. 2008)及三氧化鎢(Lu et al. 2010；Kwon et al. 2000)；零價金屬如零價鐵(Xu et al. 2010；Tong et al. 2010；Xiong et al. 2007；Liu and Zhang 2010；Ponder et al. 2000)、零價銅(Lin et al. 2005；Wu et al. 2009)、零價鋅(Song et al. 2008；

Wang et al. 2008)，及雙金屬奈米微粒如Fe/Ni微粒(Dong et al. 2010；Guczi 2005；Wang et al.

2008；Zhang et al. 2008；Elliott and Zhang 2001)、Fe/Al微粒(Barnes et al. 2010；Schrick et al.

2002)、Zn/Pd微粒(Rivero-Huguet and Marshall 2009)。它們通常做為觸媒或氧化還原劑，以降解各種環境污染物，如多氯聯苯(Varanasi et al. 2007；Lee and Kang 2002)、偶氮染料(Zhu et al.

2009；Konstantinou and Albanis 2004；Daneshvar et al. 2004)、鹵化脂肪族(Xu et al. 2010；Tong

et al. 2010；Xiong et al. 2007；Dong et al. 2010；Kwon et al. 2000；Wang et al. 2008)、有機氯殺蟲劑(Wu et al. 2009；Song et al. 2008；Wang et al. 2008)、鹵化除草劑(Konstantinou et al. 2001) 及硝基芳香族(Tong et al. 2010；Datta et al. 2008)。

奈米物質在環境的應用上已有許多進展，Zhao et al. (2011)曾回顧高分子奈米複合材料 (Polymer Nanocomposites, PNCs)於環境的偵測及處理應用研究，Khin et al. (2012) 曾回顧各種奈米材料的環境整治及處理研究，Journal of Physical Chemistry C 也曾在2012年7月的第116 冊122期出了一個TiO2虛擬特刊，針對TiO2奈米結構的重要物化特性及其應用進展作了一個詳細的回顧，內容包括光催化、太陽能電池、奈米結構設計及表面研究等方面(Kamat 2012a)，

此特刊另有許多篇回顧論文，有些為基礎的材料科學研究成果。以上的文獻均為本文的重要參考依據。本節區分為奈米物質在水環境中的應用、奈米物質在空氣中的應用、國內奈米物質的環境應用研究現況及TiO2於能源與環境的應用研究現況等四部分，並於下面各小節一一作闡述。有關國內外奈米鐵在土壤及地下水的處理及整治的應用現況，可參見4.1.5節，不在此節中介紹。

一一一

一、、、、奈米物質在水環境的偵測及處理應用奈米物質在水環境的偵測及處理應用奈米物質在水環境的偵測及處理應用 奈米物質在水環境的偵測及處理應用

為了努力解決水污染的問題，奈米物質應用於廢水處理已有快速且顯著的進展，包括光觸媒氧化、吸附/分離處理及生物整治(Huang et al. 2006; Zelmanov and Semiat 2008; Long et al.

2011; Pang et al. 2011a, 2011b)。然而，這些應用受限於許多因子如處理效率、操作方法、能源需求及經濟效益。近來，從資源管理與環境復育的觀點來看，奈米物質因具有高效率、符合成本效益及其環境友善性，而被認為可替代現有處理方法(Friedrich et al. 1998; Dimitrov 2006; Dastjerdi and Montazer 2010)。Xu et al. (2012)回顧鐵氧化物奈米材料技術用於廢水處理的奈米吸附劑及光催化之應用，指出近來在廢水處理處理方面，磁性奈米物質(Iram et al.

2010)、奈米碳管(Stafiej and Pyrzynska 2007)、活性碳(Kobya et al. 2005)及零價鐵(Ponder et al.

2000)已受到重視並大量使用於小規模試驗及現地應用。表4.1.2.1為Xu et al. (2012)整理功能化的氧化鐵奈米物質及其吸附能力的結果，其中Pang et al. (2011b)將磁性多孔吸附劑嫁接於聚乙烯亞胺(polyethylenimine, PEI)上對重金屬作高的吸附效率。吸附的過程以霍氏轉換紅外光分析(Fourier transform infrared, FTIR)進行確認，並以批次實驗進行吸附效果的評估。實驗結果顯示Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺的吸附受到pH值影響，pH值提升有利於金屬離子的移除。吸附作用在十分鐘內會達到平衡，且可利用擬二階反應模式描述。研究指出該吸附劑對於吸附這些金屬的等溫吸附曲線符合Langmuir模式，Cu²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺的最大吸附容量分別為157.8、138.8和

105.2 mg/g，吸附效果Cu²⁺>Zn²⁺>Cd²⁺，展現了良好的酸鹼穩定性。此外，此吸附劑可用濃度為0.02 mol/L的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液再生，而不會有明顯吸附容量的損失。

然而，以氧化鐵為基礎用於吸附重金屬的技術在應用方面仍尚未成熟。因此Xu et al. (2012) 認為未來在奈米物質的知識擴充仍需更多的努力，且氧化鐵奈米物質的轉換從實驗室到現地的應用包含很多的複合物。

表表

表表 4.1.2.1 功能化氧化鐵磁性奈米物質應用於重金屬的吸附功能化氧化鐵磁性奈米物質應用於重金屬的吸附功能化氧化鐵磁性奈米物質應用於重金屬的吸附(Xu et al. 2012) 功能化氧化鐵磁性奈米物質應用於重金屬的吸附

Khin et al. (2012)回顧奈米材料於環境的整治應用，指出許多含有鐵的物質如硫酸鐵(iron sulfide)、鐵氧化物(iron bearing oxyhydroxide)及矽酸鋁硫化物(aluminosilicate mineral)已成功被用於還原及沉澱金屬離子(Powellet al. 1995)。在所有鐵化合物中，元素鐵(零價鐵)被發現可成功應用於地下水的整治(Savage and Diallo 2005)，由於奈米技術的進步，水的淨化已使用零價鐵取代塊材鐵的系統。近來，貴重金屬奈米微粒亦利用相同的還原性脫鹵作用機制降解氯碳化物(Nair et al. 2007; Pradeep and Anshup 2009; Lisha et al. 2009)。在Lisha et al. (2009)研究中，Hg²⁺被還原成零價態並在奈米金微粒表面合金化(Lisha et al. 2009; Sumesh et al. 2011)。另外，利用貴重金屬奈米微粒去除飲用水中的鹵化有機物(halogenated organics)和殺蟲劑 (Pradeep and Nair 2005; Pradeep and Nair 2006)也已有專利發表，奈米金微粒用以去除飲用水中的無機汞亦具有相當潛力(Pradeep and Anshup 2009)。

由於致病菌的潛在風險，因此以奈米技術監測及去除都市、實驗室及工廠廢水中的致病菌已成為具挑戰且關鍵的議題。奈米銀微粒對於許多生物具有強抗菌力(如病毒、細菌和真菌)，因而廣泛應用於水體的消毒(Bosetti et al. 2002; Chou et al. 2005; Gupta et al. 1998)。nAg⁺ 的抗菌能力機制如圖4.1.2.1所示。Ag⁺與蛋白質(protein)內的硫醇族(thiol groups)交互作用，導

致呼吸酵素 (respiratory enzyme) 的去活化並產生活性氧物種 (reactive oxygen species, ROS)(Matsumura et al. 2003)，Ag⁺能防止DNA複製且影響細胞膜的結構與滲透性(Feng et al.2000)。銀離子受紫外線照射也具有光活性特性，提升對細菌與病毒的殺菌效果(Kim et al.

2007; Rahn et al. 1973)。迄今，奈米銀微粒的抗菌特性有許多的推論：(1)奈米微粒附著於表面而改變細胞薄膜特性，奈米銀微粒(nAg)降解脂多醣(lipopolysaccharide, LPS)，累積在細胞薄膜內部並形成”小洞”增加了細胞薄膜的滲透性(Sondi and Salopek-Sondi et al. 2004)。(2) nAg微粒能穿透細菌細胞造成DNA的危害。(3)nAg微粒的溶解會釋放抗菌Ag⁺(Morones et al. 2005)。

粒徑小於10 nm的銀微粒對於大腸桿菌(E. coli)和綠膿桿菌(P. aeruginosa)等細菌更具有毒性 (Xu et al. 2004; Gogoi et al. 2006)。粒徑介於1至10奈米的銀奈米微粒會選擇性的與病毒的糖蛋白(glycoproteins)結合，而抑制了某些病毒與細胞的結合。此外，三角形的nAg奈米板(nAg nanoplates)比nAg棒(nAg rods)、nAg球(nAg spheres)，甚至Ag⁺更具毒性。添加nAg於高分子中，

如聚甲氧基苯 (polymethoxybenzyl) 和聚左乳酸共聚己內酯 (poly(L-lactic acid)-co-poly(ε-caprolactone))奈米纖維，對於大腸桿菌、黑麴菌(Aspergillus niger, A. niger)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus, S. aureus)及腸道沙門氏菌(Salmonella enterica)具有抗菌能力(Elechiguerra and Burt 2005; Pal et al. 2007; Nair et al. 2009; Jin et al. 2012)。

圖圖

圖圖4.1.2.1 Ag⁺奈米微粒不同的抗菌機制奈米微粒不同的抗菌機制奈米微粒不同的抗菌機制奈米微粒不同的抗菌機制(Matsumura et al. 2003)

表4.1.2.2 為本報告整理的奈米物質應用於水環境的監測及殺菌技術。Liga et al. (2011)利用添加銀的二氧化鈦奈米微粒(nAg/TiO2)殺死水溶液中噬菌體MS2 (Bacteriophage MS2)。Liga et al. (2011)利用光化學還原法(photochemical reduction method)將奈米銀添加至兩種商用TiO2

在文檔中 101年推廣環境奈米科技知識平台及知識整合計畫 (頁 88-105)

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