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奈米技術/環境影響

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奈米技術的潛在環境影響

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到目前為止，大多數關注點都集中在奈米粒子的潛在健康和環境風險上，只有少數研究對整個生命週期內的總體環境影響進行了研究，例如生態足跡 (EF) 或生命週期分析 (LCA)。奈米產品的生命週期可能既包括對人類健康和環境的風險，也包括與不同階段相關的環境影響。

在從原材料提取到最終處置的整個生命週期中，瞭解和評估奈米技術的環境影響和益處的主題僅在少數研究中得到解決。美國環保署 (EPA) 和 NCER 贊助了一些專案來研究生命週期評估方法。其中只有一個專案已釋出了關於汽車催化劑[1] 和汽車奈米複合材料[2] 的研究結果，而一個專案則由德國政府資助[3] 。

2007 年，《清潔生產雜誌》的一期特刊重點關注奈米技術的可持續發展，其中包括瑞士最近的一項 LCA 研究[4] 。

奈米材料的潛在環境影響可能比遊離奈米粒子對個人健康的潛在影響更為深遠。許多國際和國家組織建議從生命週期角度評估奈米材料[5] , [6],

這也是美國最近一系列關於“綠色奈米技術”研討會的結論之一（Schmidt，2007）[7] 。

美國環保署/伍德羅·威爾遜國際中心和歐盟委員會研究總司聯合舉辦的研討會重點關注奈米技術生命週期評估的主題（Klöpffer 等人，2007）[8] 。

以下是與奈米技術產品在其生命週期中的潛在環境影響相關的一些討論，以及對奈米技術產品生命週期評估 (LCA) 進一步工作的建議。

然而，當涉及到現有的微製造經驗（在很大程度上類似於奈米材料的自上而下的製造）時，出現了幾個應該解決的環境問題。有跡象表明，特別是製造和處置階段可能意味著相當大的環境影響。奈米材料在生命週期所有階段對人類和環境的毒理學風險已在上文討論過。因此，以下將進一步探討對環境的潛在負面影響：

  • 稀有資源的開發和損失增加；
  • 對材料和化學品的更高要求；
  • 生產線中能源需求增加；
  • 自上而下生產中廢物產量增加；
  • 反彈效應（水平技術）；
  • 一次性系統使用增加；
  • 拆卸和回收問題。

稀有資源的開發和損失

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稀有資源的開發和損失是一個令人擔憂的問題，因為經濟因素是將珍貴或稀有材料用於日常產品的首要障礙。當產品變得更小，包含稀有材料的元件達到奈米級時，經濟不再是最緊迫的問題，因為它不會顯著影響產品價格。因此，開發人員將更有可能使用具有他們正在尋找的精確特性的材料。例如，在尋找合適的儲氫介質時，Dillon 等人[9] 嘗試使用摻雜鈧的富勒烯來提高氫的可逆結合。其他例子包括在電子產品中使用鎵和其他稀有金屬。雖然由於預計奈米技術產品的廣泛使用，這些材料的使用量可能會增加，但回收將更加困難（稍後將詳細討論），導致稀有資源的不可回收性擴散。

材料的能量強度

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除了資源損失之外，還有一個問題是，大多數稀有材料的提取比更豐富的材料消耗更多的能量併產生更多的廢物。表 1 說明了各種材料的能量強度。[10]

材料 材料的能量強度（MJ/kg）
玻璃 15
鋼 59
銅 94
鐵氧體 59
鋁 214
塑膠 84
環氧樹脂 140
錫 230
鉛 54
鎳 340
銀 1570
金 84000

生命週期評估 (LCA)

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如上所述，關於奈米技術的 LCA 的研究並不多，很多資訊需要從微型機電系統 (MEMS) 和微製造的經驗中推斷而來。

在微觀世界中，LCA 主要應用於微機電系統 (MEMS) 領域。技術的快速發展和資料的有限可用性使得完整的 LCA 變得困難，而且很快就會過時。一個例子是個人電腦的製造，在 1980 年代後期，其能源需求約為 2150 千瓦時，而在 1990 年代後期，效率得到提高，只需要 535 千瓦時[11] 。

使用舊資料會導致錯誤的結果。從整體環境影響來看，這種效率的四倍增長被售出電腦數量的增加所抵消，從大約 2100 萬臺增長到超過 1.5 億臺[11] ，導致整體環境影響增加。這通常被稱為反彈效應。對於手機的開發，同樣的作者得出結論，生命週期影響在不同產品代之間存在顯著差異；因此，通用產品生命週期資料應包含主要引數的“技術發展因素”。

一個主要趨勢是，產品尺寸的縮小提高了生產環境的要求，以防止產品汙染。它涉及能耗高的供暖、通風和空調系統。例如，10,000 級潔淨室需要約 2280 千瓦時/平方米·年，而 100 級潔淨室需要 8440 千瓦時/平方米·年。化學品和氣體等供應材料也有同樣的需求增長。對更高純度的要求意味著化學純化需要更多技術投入，例如額外的能耗，並可能產生更多廢物。大多數純化技術能耗很高，例如所有蒸餾過程（通常用於溼法化學純化）在總計約佔美國化學工業能耗的 7%[12] 。半導體行業大量使用的化學品包括氫氟酸 (HF)、過氧化氫 (H2O2) 和氫氧化銨 (NH4OH)。這些材料用於最終清潔過程，需要 XLSI 級 (0.1 ppb)。硫酸也大量使用，但它不是一種關鍵化學品，主要只需要 SLSI 級純度[12] 。

其他型別產品的微製造也對材料的質量和純度提出了更高的要求，例如由於最終產品的尺寸更小，金屬的晶粒尺寸更小。此外，還會產生大量的廢物。例如，用於微注射成型部件的材料中高達 99% 可能成為廢物，因為大型澆口對於處理和組裝是必要的。然而，由於對材料強度的要求和降低，可能無法回收這種廢物[13] 。

微型化也會給電子產品回收帶來新的問題。回收幾乎不可能。如果它們被整合到其他產品中，它們需要與這些產品的回收相容（已建立的回收路徑）[11] 。

體積非常小，並被整合到許多不同型別的產品中，包括壽命有限的產品，這表明需要更多使用一次性系統。

奈米技術的生命週期評估

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如前所述，迄今為止，只有少數針對奈米技術產品的 LCA 研究。為期兩天的奈米技術產品 LCA 研討會得出結論，現行的 ISO LCA 標準 (14040) 適用於奈米技術產品，但也需要進行一些改進 [8] [14]

主要問題是：有時會刺激神經

  • 沒有通用的奈米材料 LCA，就像沒有通用的化學物質 LCA 一樣。
  • ISO LCA 框架 (ISO 14040:2006) 完全適用於奈米材料和奈米產品，即使關於基本流程和影響的資料可能不確定且稀缺。由於奈米產品的環境影響可能發生在任何生命週期階段，因此應在 LCA 研究中評估奈米產品生命週期的所有階段。
  • 雖然 ISO 14040 框架是合適的，但對於奈米材料和奈米產品，需要更詳細地解決一些操作問題。奈米材料和奈米產品 LCA 的主要問題是某些領域缺乏資料和理解。
  • 雖然 LCA 帶來了重大的好處和有用的資訊，但其應用和使用也有一定的侷限性，特別是在評估毒性影響和大型影響方面。
  • 在未來的研究中，需要付出主要努力來全面評估奈米產品和材料的潛在風險和環境影響（不僅僅是與 LCA 相關的那些）。需要有毒理學研究、命運和遷移研究以及尺度方法的方案和實用方法。
  • 需要歐洲和美國之間以及其他合作伙伴之間的國際合作來解決這些問題。
  • 需要進一步研究來收集缺失的相關資料，並開發使用者友好的生態設計篩選工具，特別是適合中小型企業使用的工具。

一些關於毒理學影響評估的擔憂與奈米粒子的風險評估密切相關，必須等待該領域的知識積累。然而，最引人注目的是需要知識和案例，這些案例需要應用 LCA 來提高對奈米技術系統的理解——潛在的環境影響是什麼？不同型別的奈米技術之間有什麼區別？為了防止環境影響，應該重點關注哪些方面？等等。

其他資源

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  • 奈米儀 奈米技術應用在上市前的社會評估。

本頁貢獻者

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此材料基於以下人員的筆記

  • Stig Irving Olsen，丹麥技術大學制造工程與管理系，424 號樓，NanoDTU 環境

以及

  • Steffen Foss Hansen, Rikke Friis Rasmussen, Sara Nørgaard Sørensen, Anders Baun。丹麥技術大學環境與資源研究所，113 號樓，NanoDTU 環境
  • Kristian Mølhave，微奈米技術系 - DTU - www.mic.dtu.dk

參考資料

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另請參閱有關編輯此書的說明Nanotechnology/About#How_to_contribute。

  1. ↑ Lloyd, S. M.; Lave, L. B.; Matthews, H. S. 使用奈米技術穩定汽車催化劑中鉑族金屬顆粒的生命週期效益。Environ. Sci. Technol. 2005, 39 (5), 1384-1392。
  2. ↑ Lloyd, S. M.; Lave, L. B. 在汽車中使用奈米複合材料的生命週期經濟和環境影響。Environ. Sci. Technol. 2003, 37 (15), 3458-3466。
  3. ↑ Steinfeldt, M.; Petschow, U.; Haum, R.; von Gleich, A. 奈米技術與可持續性。IÖW 討論檔案 65/04；IÖW：04。
  4. ↑ Helland A, Kastenholz H，奈米技術在可持續性方面的開發，J Clean Prod (2007)，doi:10.1016/j.jclepro.2007.04.006
  5. ↑ 皇家學會和皇家工程院奈米科學與奈米技術：機遇與不確定性；皇家學會：倫敦，2004 年 7 月
  6. ↑ 美國環保署 美國環保署奈米技術白皮書；EPA 100/B-07/001；科學政策委員會 美國環保署：華盛頓特區，2007 年 2 月。
  7. ↑ Schmidt, K.: 綠色奈米技術：比你想象的更容易。伍德羅·威爾遜國際學者中心。PEN 2007 年 4 月 8 日
  8. ↑ a b Klöpffer, W., Curran, MA., Frankl, P., Heijungs, R., Köhler, A., Olsen, SI.: 奈米技術與生命週期評估。奈米技術與環境的系統方法。2007 年 3 月。2006 年 10 月 2-3 日在美國華盛頓特區舉行的研討會成果的綜合。
  9. ↑ Dillon AC, Nelson BP, Zhao Y, Kim Y-H, Tracy CE 和 Zhang SB：轉向可再生能源資源的重要性，氫氣作為有希望的候選者，車載儲存是關鍵障礙。Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 第 895 卷，2006 年
  10. ↑ Kuehr, R.; Williams, E. 計算機與環境；克魯維出版社：多德雷赫特，波士頓，倫敦，2003 年。
  11. ↑ a b c Schischke, K.; Griese, H. 小就是綠色嗎？微電子和微系統技術趨勢的生命週期方面。http://www. lcacenter. org/InLCA2004/papers/Schischke_K_paper. pdf 2004 年
  12. ↑ a b Plepys, A. 電子產品對環境的影響。超越半導體晶圓廠的牆壁。IEEE：2004 年；第 159-165 頁。
  13. ↑ Sarasua, J. R.; Pouyet, J. 回收對 PEEK 短碳纖維複合材料的微觀結構和力學效能的影響。材料科學雜誌 1997, 32, 533-536。
  14. ↑ klöpffer3b 參考文獻出現了一些奇怪的事情
檢索自 "https://wikibook.tw/wiki/Nanotechnology/Environmental_Impact"
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