海洋微纖汙染及防治技術發展

 

刊登日期:2021/9/5
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鄭敬哲、陳亭秀、張昌榮/工研院材化所
 
根據調查顯示,海洋中的微細纖維是微塑膠汙染的主要來源之一;亦有研究顯示,數百萬計的微細纖維會隨著洗滌衣物時排放至河川及大海,其中包括天然纖維與合成纖維,而這些微細纖維汙染物將隨著食物鏈和水循環系統回到人類體內並持續積累於臟器造成危害。本文將介紹微纖的脫落機制、組成以及降低微纖汙染的方法,包含提升可分解聚合物紗線應用比例、發展海洋可分解纖維技術、洗滌設備之微纖濾心技術等。期許未來透過材料、濾心技術改良,甚至是消費習慣改變來取得環境與經濟利益的平衡。
 
【內文精選】
前 言
在過去的20年,全球合成纖維和天然纖維的產量增加了一倍以上。天然纖維和合成纖維主要用於服飾,其次是寢具、家具,汽車以及其他工業用途,例如建築,過濾和個人護理。然而,這些織物材料於使用過程中造成的磨損與脫落、洗滌廢水、不當廢棄織品以及漁繩網等碎片,導致這些纖維在自然環境中累積。近年來隨著海洋中微塑料汙染議題的關注程度增加,其中由紡織品所衍生的微細纖維(Microfiber)亦引起注意與討論。據資料統計,衣服每次洗滌將釋放多達數百萬根以上之纖維數量,隨著洗滌廢水被排放至河川與大海。在海洋環境中,微纖對浮游生物及魚類是一大威脅,因其體積小易被誤食並累積在腸道中,微纖將透過生物累積持續影響生態鏈,並導致消化器官受損、生長和生殖產量等問題,如圖二。
 
圖二、微纖進入海洋途徑以及其毒性
圖二、微纖進入海洋途徑以及其毒性
 
微纖的形成機制
研究發現纖維脫落取決於紡織品的特性,包括纖維種類、紗線尺寸、織物結構、織物重量、織物整理、洗滌設備、洗程設置以及洗滌劑的成分等,皆會影響從衣服或織物中釋放的纖維量,如洗衣機的作動模式和高溫乾燥過程都可能加速纖維脫落。此外,布料的種類也和微纖脫落有極大關係,如刷毛或鬆散結構的布料比起一般布料將脫落更多的微纖數量。
 
微纖中各類材質之可分解性
微纖的組成包含天然纖維與人造纖維,為進一步了解脫落的微纖於水生生物降解性與在環境持久性,研究團隊使用編織織物的紗線和低濃度的活性汙泥固體來模擬天然水生環境,按照ISO 14851標準方法研究水生介質中塑料材料的最終需氧生物降解性。材料經過243天的生物降解曲線如圖七所示,聚酯紗線很快進入停滯期(因其高疏水性和低迴潮率使微生物菌落難以附著),其他紗線材料則繼續消耗氧氣。實驗結束後的生物降解百分比依序為棉紗75.90 ± 12.35%,縲縈為62.21 ± 13.29%,50/50聚酯/棉紗為39.76 ± 3.52%,聚酯紗線僅為4.05 ± 0.75%。相較之下,天然纖維與纖維素纖維最容易分解,其中棉纖維在243天後已分解76%,並且持續分解。
 
降低微纖汙染的技術發展方向
綜觀上述之微纖脫落以及水生環境之降解情形,合成纖維雖然比起天然纖維和纖維素纖維不易脫落,但是當合成纖維之微纖排放至水生環境時,合成纖維將在環境中長久存在且持續累積。欲全面抑制微纖的產生以及汙染防治,勢必從上/中/下游進行各種方式以減少微纖的累積。包含提升可分解聚合物材質應用比例、發展海洋可分解纖維技術、洗滌設備之微纖濾心技術、提升天然纖維或是纖維素纖維織物比例、織物結構改良技術、回收再製技術,以及洗滌劑新配方技術等方式。
2. 開發微纖過濾洗滌設備
為提前將洗衣設備排放的微纖進行有效攔截,英國Xeros公司開發XFiltra微纖過濾器,由馬達、濾心筒及注塑模件組成,過濾器裝置於洗衣機末端排水管路,當廢水通過濾心筒時,由馬達帶動葉片以高速旋轉方式將微纖收集於網狀濾質上,並迫使過濾後的廢水從濾心外圍管道排出。開發團隊以聚酯絨布進行洗滌排放測試,結果顯示可截取約98.7%之微塑料纖維。Xeros宣稱XFiltra可適用於所有洗衣設備且不影響原本洗衣機操作,其機構如圖九。此外,美國海洋保育組織成員RachelMiller發明Cora Ball洗衣球,模仿珊瑚在流動的水中抓住微小漂浮物的特性,於球內設計許多「觸手」細枝來捕捉微纖,並且使用100%生物可分解材料製作。使用時將Cora Ball與衣物置入洗衣槽同時洗滌,研究顯示Cora Ball可捕獲26%之微纖數量 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖九、XFiltra微纖過濾器及內部結構
圖九、XFiltra微纖過濾器及內部結構
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》417期,更多資料請見下方附檔。

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