107 地方特考四等 環境工程 空氣污染與噪音控制技術概要 考古題詳解

核心觀念

1. 三元觸媒轉化器（Three-Way Catalyst, TWC）之定義與協同淨化： 三元觸媒轉化器係汽油車排氣後處理之核心設備，「三元」指其能「同時」去除排氣中三大主要氣狀污染物：一氧化碳（$CO$）、碳氫化合物（$HC$）及氮氧化物（$NO_x$）。其化學本質為藉由貴金屬觸媒表面，同時進行「$CO$ 與 $HC$ 之非均相催化氧化」以及「$NO_x$ 之非均相催化還原」。
2. 理論化學計量空燃比（Stoichiometric Air-Fuel Ratio）與觸媒操作視窗（Catalyst Window）： 汽油（以辛烷 $C_8H_{18}$ 為代表）完全燃燒之理論化學計量空燃比約為 $14.6 \sim 14.7 : 1$（當量比 $\lambda = 1.0$）。觸媒唯有在此極狹窄的「轉化視窗（$\lambda \approx 1.0 \pm 0.01$）」內，方能使氧化反應與還原反應之轉化效率同時達到最大值（$> 80\% \sim 90\%$）。
3. 柴油引擎燃燒特性與富氧排氣限制： 柴油引擎為壓燃式（Compression Ignition, CI），燃燒機制採用「品質調節（質調節）」，全工況運轉皆處於富氧的稀薄燃燒（Lean-burn）狀態，排氣中含有大量未耗盡之氧氣（體積比常達 $5\% \sim 15\%$），打破了 $NO_x$ 還原所需的化學平衡。

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解題方法

本題為典型的申論題型，作答切入點宜採「工程結構化論述」，區分小題並分點明確回應：

1. 第 (一) 子題（9 分）：配分較高，架構須分為「功能」、「組成」、「原理」三大子段落。組成須由巨觀至微觀列出載體、塗層與活性成分；原理則必須寫出標準配平之化學反應式，展現工程專業度。
2. 第 (二) 子題（6 分）：以理論空燃比（$A/F \approx 14.7$）為基準線，分別論述「稀燃（Lean, $A/F > 14.7$）」與「濃燃／富燃（Rich, $A/F < 14.7$）」對氧化反應（$CO, HC$）與還原反應（$NO_x$）的消長機制，並點出「觸媒轉化視窗（Catalytic Window）」之觀念。
3. 第 (三) 子題（5 分）：直擊根本化學與熱力學限制。核心理由在於「柴油引擎為稀薄燃燒、排氣含高濃度氧氣，使 $NO_x$ 無法被還原」，再輔以排氣溫度偏低、含碳煙（PM）導致孔隙堵塞失活等次要原因，使論點完整厚實。

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選項分析

本題為非選擇題型（計算／申論題），無選項分析。各子題評分權重依答題完整性（化學反應方程式、關鍵數值如空燃比 $14.7$、材料專有名詞）給分。

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解題技巧

1. 化學反應式萬用技巧：

• 氧化反應中，$HC$ 可以一般化化學式 $C_n H_m$ 表示，寫出配平反應式更能凸顯深度。
• 還原反應需強調 $NO_x$ 是被排氣中的還原劑（主要是 $CO$、部分 $H_2$ 與 $HC$）還原為無害的 $N_2$。

2. 圖表意識化為文字：

• 試卷上若無法繪圖，文字描述必須具備「坐標軸畫面感」：橫軸為 $A/F$（或 $\lambda$），縱軸為轉化效率（$\%$）。在 $14.7$ 處有一交叉高點，左側（Rich）$NO_x$ 轉化率高但 $CO/HC$ 驟降；右側（Lean）$CO/HC$ 轉化率高但 $NO_x$ 驟降。

3. 避免常見盲點：

• 考生常誤以為柴油車不能裝三元觸媒「只是因為排氣顆粒物（PM）太多塞住」。事實上，排氣殘氧過高導致 $NO_x$ 無法還原才是熱力學與化學反應上的根本原因（也是柴油車必須使用 SCR 或 LNT 的原因），顆粒物堵塞僅為物理附屬問題，切勿本末倒置。

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【答案】

(一) 三元觸媒轉化器之功能、組成及原理

1. 功能： 三元觸媒轉化器安裝於汽油車排氣系統中，主要功能為利用化學催化作用，在單一觸媒轉化單元內同時將排氣中的三種主要氣狀污染物——一氧化碳（$CO$）、未燃碳氫化合物（$HC$）及氮氧化物（$NO_x$），轉化為無害的二氧化碳（$CO_2$）、水蒸氣（$H_2O$）及氮氣（$N_2$）。

2. 組成：

• 載體（Substrate）：提供高結構強度與大幾何接觸面積，通常採用耐高溫、低熱膨脹係數的陶瓷（如堇青石，Cordierite）或耐熱不鏽鋼製成之蜂巢狀結構（Honeycomb structure）。
• 高比表面積塗層（Washcoat）：塗布於蜂巢孔道表面，主體為高比表面積之多孔性氧化鋁（$\gamma\text{-}Al_2O_3$），並常添加二氧化鈰（$CeO_2$）與氧化鋯（$ZrO_2$）作為儲氧材料（Oxygen Storage Capacity, OSC）及熱穩定劑。
• 活性貴金屬觸媒（Precious Metals）：均勻分散吸附於塗層孔隙中：

核心觀念

1. 理想氣體狀態方程式與濃度換算： 排氣中氣態污染物濃度以體積百萬分之一（$\mathrm{ppm}$，即 $\mathrm{ppm_v}$）表示時，代表百萬體積排氣中含有該氣體的體積數。將其轉換為質量濃度（$\mathrm{g/m^3}$ 或 $\mathrm{kg/m^3}$）需利用理想氣體狀態方程式： $PV = nRT = \frac{m}{M}RT \implies \rho_{\text{gas}} = \frac{m}{V} = \frac{PM}{RT}$ 式中，$P$ 為大氣壓力（$\mathrm{atm}$）、$M$ 為分子量（$\mathrm{g/mol}$）、$R$ 為理想氣體常數（$0.082\ \mathrm{atm\cdot L/(mol\cdot K)}$）、$T$ 為絕對溫度（$\mathrm{K} = ^\circ\mathrm{C} + 273$）。 在特定溫壓下，該氣體之質量濃度 $C_{\text{mass}}$ 為： $C_{\text{mass}} = C_{\mathrm{ppm}} \times 10^{-6} \times \frac{PM}{RT}$

2. 空氣污染防制設備之物料平衡（Mass Balance）： 排煙脫硫設備（FGD）之去除效率 $\eta$ 定義為： $\eta = \frac{E_{\text{in}} - E_{\text{out}}}{E_{\text{in}}} \times 100\% \implies E_{\text{in}} = \frac{E_{\text{out}}}{1 - \eta}$ 式中，$E_{\text{in}}$ 為進入防制設備前之污染物質量流率（即鍋爐燃燒生成量），$E_{\text{out}}$ 為煙道最終排放之質量流率。

3. 燃燒化學計量（Stoichiometry）： 煤炭中的硫份（$\mathrm{S}$）燃燒完全氧化生成二氧化硫（$\mathrm{SO}_2$）： $\mathrm{S} + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{SO}_2$ 依分子量守恆，每消耗 $32\text{ g}$ 的硫會生成 $64\text{ g}$ 的 $\mathrm{SO}_2$（質量比為 $\mathrm{S} : \mathrm{SO}_2 = 32 : 64 = 1 : 2$）。若題目未特別給定灰份滯留率，慣例假設燃煤中的硫 $100\%$ 轉化為 $\mathrm{SO}_2$ 進入煙氣。

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解題方法

(一) 計算該廠每日之二氧化硫排放量

1. 計算排氣狀態下 $\mathrm{SO}_2$ 之質量濃度：

• 煙道排氣溫度 $T = 120^\circ\mathrm{C} = 120 + 273 = 393\text{ K}$
• 壓力 $P = 1\text{ atm}$
• 氣體常數 $R = 0.082\ \mathrm{atm\cdot L/(mol\cdot K)}$
• $\mathrm{SO}_2$ 分子量 $M = 32 + 16 \times 2 = 64\text{ g/mol}$

排氣狀態下氣體的莫耳體積 $V_m$： $V_m = \frac{RT}{P} = \frac{0.082 \times 393}{1} = 32.226\ \mathrm{L/mol} = 0.032226\ \mathrm{m^3/mol}$

排氣中 $\mathrm{SO}_2$ 濃度為 $60\text{ ppm}$（即 $60 \times 10^{-6}\ \mathrm{m^3/m^3}$），其質量濃度 $C_{\text{mass}}$ 為： $C_{\text{mass}} = \frac{60 \times 10^{-6}\ \mathrm{m^3/m^3} \times 64\ \mathrm{g/mol}}{0.032226\ \mathrm{m^3/mol}} \approx 0.11916\ \mathrm{g/m^3} = 1.1916 \times 10^{-4}\ \mathrm{kg/m^3}$

2. 計算每日排氣總體積與 $\mathrm{SO}_2$ 排放總量： 每日煙道排氣總體積 $Q_{\text{day}}$： $Q_{\text{day}} = 1200\ \mathrm{m^3/min} \times 60\ \mathrm{min/hr} \times 24\ \mathrm{hr/day} = 1,728,000\ \mathrm{m^3/day}$

每日 $\mathrm{SO}_2$ 排放質量 $E_{\text{out}}$：

核心觀念

本題評量重點為大氣污染控制工程中「揮發性有機化合物（VOCs）」之基礎定義、環境衝擊機制及末端控制技術：

1. 法規與學理定義：以命題當年（民國 107 年）之《空氣污染防制法》及《揮發性有機物空氣污染管制及排放標準》為準，界定揮發性有機化合物之物理特徵（蒸氣壓、沸點）與法定排除項目（無光化學反應活性者）。（現行法規架構亦承襲此原則，僅針對特定有害物質與管制標準有歷年微幅整併修正）。
2. 環境影響機制：VOCs 作為二次空氣污染物（對流層臭氧 $\text{O}_3$、二次有機氣膠 SOA 及 $\text{PM}_{2.5}$）之重要前驅物、對人體健康的毒理與致癌致畸效應，以及惡臭擾民。
3. 控制技術原理：區分「回收型技術」（如吸附、冷凝、吸收）與「破壞型技術」（如熱焚化、觸媒氧化、生物濾床），並精確掌握其相分離或熱化學轉化之物理化學機制。

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解題方法

1. 第一小題（定義）：採「學理物理特性」與「環保法規定義」雙軌論述。學理上交代蒸氣壓與揮發性特質；法規上列出 107 年標準所定的蒸氣壓門檻，並明確說明排除物質（如甲烷、碳氧化物等），展現答題的完整度。
2. 第二小題（環境衝擊）：由微觀到宏觀層層剖析，涵蓋「大氣光化學反應（光化學煙霧、$\text{O}_3$、PAN 生成）」、「二次細懸浮微粒（$\text{PM}_{2.5}$）貢獻」、「人體毒性與致癌性（HAPs）」及「惡臭生活品質困擾」，關鍵字務必精準。
3. 第三小題（控制技術及原理）：選取公職考試中最經典、分類界線分明的三種技術：

• 吸附法（回收/濃縮型代表）
• 焚化法（破壞分解型代表，涵蓋熱焚化與觸媒焚化）
• 冷凝法（相變化回收型代表） 每項技術均明確寫出「作用機制（物理／化學）」、「操作條件」及「適用廢氣特性（濃度與風量）」。

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解題技巧

1. 名詞定義避免空泛：切忌只寫「容易揮發的有機物」，必須點出「蒸氣壓條件（如大於等於 $0.1 \text{ mmHg}$）」與「排除無光化反應活性之非 VOCs 項目（如甲烷 $\text{CH}_4$）」，這是閱卷給分的門檻。
2. 環境影響扣緊大氣化學反應：在提及環境衝擊時，務必寫出「光化學煙霧（Photochemical Smog）」、「對流層臭氧（$\text{O}_3$）」與「過氧乙醯基硝酸酯（PAN）」，並點出其為「$\text{PM}_{2.5}$ 前驅物」，分數才能拿滿。
3. 技術原理必須具備專有名詞：

• 吸附法：點出「凡得瓦力」、「多孔性吸附劑」、「比表面積」、「脫附再生」。
• 焚化法：點出「3T 原則（Temperature, Time, Turbulence）」、「高溫氧化成 $\text{CO}_2$ 與 $\text{H}_2\text{O}$」。
• 冷凝法：點出「氣液相平衡」、「飽和蒸氣壓隨溫度降低而下降」。

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【答案】

(一) 揮發性有機化合物（VOCs）之定義

1. 學理定義： 指在常溫常壓下具有較高蒸氣壓、極易揮發至大氣中的含碳有機化合物（通常沸點介於 $50^\circ\text{C} \sim 260^\circ\text{C}$，或在 $20^\circ\text{C}$ 下蒸氣壓大於等於 $0.1 \text{ mmHg}$ 之有機物）。
2. 法規定義（以命題當年民國 107 年之《揮發性有機物空氣污染管制及排放標準》為準）： 指在一大氣壓下，測量蒸氣壓大於等於 $0.1 \text{ mmHg}$ 之有機化合物，或在 $20^\circ\text{C}$ 條件下蒸氣壓大於等於 $0.1 \text{ mmHg}$ 之有機化合物。

• 排除項目：排除不具光化學反應活性或極低活性者，包括一氧化碳（$\text{CO}$）、二氧化碳（$\text{CO}_2$）、碳酸、金屬碳化物、碳酸鹽、碳酸銨，以及甲烷（$\text{CH}_4$）、部分特定氟氯碳化物（CFCs/HCFCs）等。

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核心觀念

本題涵蓋「粒狀污染物控制技術」中兩大重點命題方向：

1. 集塵設備串聯效率與穿透率計算：

• 去除效率（Collection Efficiency, $\eta$）：污染物進入控制設備後被去除的質量百分比。
• 穿透率（Penetration, $P$）：未被設備捕集而穿透排出的污染物比例，定義為 $P = 1 - \eta$。
• 串聯集塵系統（Series System）：氣流依序通過多個集塵單元時，各單元對剩餘粉塵獨立作用，總穿透率為各單元穿透率之相乘積（$P_t = P_1 \times P_2 \times \dots \times P_n$），總去除效率則為 $\eta_t = 1 - P_t$。

2. 高效率除塵設備之原理與特性比較：

• 文氏洗滌塔（Venturi Scrubber）：屬於「濕式洗滌設備」，利用氣液兩相的高速相對運動，產生慣性撞擊與微細液滴霧化來捕集粉塵。
• 靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）：屬於「電性分離設備」，利用高壓直流電產生電暈放電使粒狀物荷電，再藉由電場庫侖力驅使粒子移向集塵極板捕集。

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解題方法

(一) 計算總去除效率與穿透率

1. 基本參數設定：

• 第一級（旋風集塵器）去除效率：$\eta_1 = 50\% = 0.50$
• 第二級（袋式集塵器）去除效率：$\eta_2 = 99\% = 0.99$

2. 求各單元穿透率：

• 旋風集塵器穿透率： $P_1 = 1 - \eta_1 = 1 - 0.50 = 0.50 \ (50\%)$
• 袋式集塵器穿透率： $P_2 = 1 - \eta_2 = 1 - 0.99 = 0.01 \ (1\%)$

3. 求總穿透率（$P_t$）： 串聯系統之總穿透率等於各級穿透率相乘： $P_t = P_1 \times P_2 = 0.50 \times 0.01 = 0.005$ 換算為百分比： $P_t = 0.5\%$

4. 求總去除效率（$\eta_t$）： 由去除效率與穿透率之互補關係： $\eta_t = 1 - P_t = 1 - 0.005 = 0.995$ 換算為百分比： $\eta_t = 99.5\%$

(亦可直接使用分段去除量推導：設初始進氣負荷為 $100$，旋風集塵器去除 $100 \times 0.50 = 50$，剩餘 $50$ 進入袋式集塵器；袋式集塵器去除 $50 \times 0.99 = 49.5$；總去除量為 $50 + 49.5 = 99.5$，總去除效率為 $99.5\%$)

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(二) 文氏洗滌塔與靜電集塵器之原理與優缺點比較

1. 除塵原理說明

• 文氏洗滌塔（Venturi Scrubber）：

• 構造組成：包含漸縮管（Converging section）、喉部（Throat）及漸擴管（Diverging section），後端常串接旋風分離器進行氣液分離。

• 作用機制：含塵廢氣以高速（約 $60 \sim 120\text{ m/s}$）通過收縮之狹窄喉部，洗滌水於喉部或漸縮部注入。高流速氣流強烈剪切水流，使其碎裂霧化成極細微水滴（$10 \sim 100\ \mu\text{m}$）。氣液兩相在此產生極大的相對速度差，粉塵顆粒主要藉由慣性撞擊（Inertial Impaction）、截留（Interception）​及布朗擴散（Brownian Diffusion）​碰撞並附著於微細液滴上。隨後氣流進入漸擴部減速增壓，液滴相互碰撞凝聚變大，最後導入除霧器或旋風槽完成氣水分離。

• 靜電集塵器（Electrostatic Precipitator, ESP）：

• 構造組成：包含放電極（陰極，如金屬線或針狀電極）、集塵極（陽極，如平板或管狀金屬板）、高壓直流供電系統及震落敲擊機構。

核心觀念

1. 航空噪音控制架構： 依據國際民航組織（ICAO）推行之「航空噪音平衡防制策略」（Balanced Approach to Aircraft Noise Management）以及我國《噪音管制法》（以命題當年民國 107 年法規架構為準），航空噪音防制不可僅仰賴單一手段，而須從「音源端減噪」、「航行操作程序」、「土地使用規劃與管制」及「營運限制／受體防護」四個維度綜合介入。

備註：現行相關法規與航空噪音防制費分配及回饋金補助辦法後續雖有微調修訂，但核心防制策略架構維持一致。

2. 多音源噪音相加原理（Decibel Addition）： 噪音分貝值（dB）為對數尺度，代表聲壓平方與參考聲壓平方比值的對數關係。當多個「互不相干」（uncorrelated）的獨立音源同時存在時，其聲能具有可加性（能量疊加），但分貝值不可直接進行算術相加。 若環境中存在 $n$ 個獨立音源，各自的音壓級為 $L_1, L_2, \dots, L_n$（單位為 dB），則合成後的總音壓級 $L_{\text{total}}$ 計算公式為： $L_{\text{total}} = 10 \log_{10} \left( \sum_{i=1}^{n} 10^{L_i / 10} \right)$

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解題方法

(一) 航空噪音控制之四項具體作法

本題應採取 ICAO 國際標準規範之「平衡防制策略」為主軸，提出涵蓋工程面、航行操作面、都市規劃面及法規管理面的四項具體作法：

1. 源頭降低航空器噪音（Reduction of Noise at Source）：

• 具體措施：要求航空公司加速汰換高噪音之舊型航機，引進符合 ICAO Annex 16 嚴格噪音標準之新世代低噪音客機；採用高旁通比（High-Bypass Ratio）渦輪風扇發動機、發動機短艙加裝消音襯墊（Acoustic Liners），以及改良機翼氣動外形以降低機身紊流引發的氣動噪音。

2. 優化起降與減噪航行操作程序（Noise Abatement Operational Procedures）：

• 具體措施：
• 航道偏置：規劃起飛與降落航線儘量避開高密度人口住宅區，多利用海洋、河川或非敏感區作為進出航道。
• 減噪起飛程序（NADP）：起飛離場爬升至特定高度前維持特定襟翼與推力設定，達指定安全高度後迅速縮減推力並加速爬升。
• 連續下降操作（Continuous Descent Operations, CDO）：進場階段維持平滑、穩定的下降坡度，避免傳統階梯式進場頻繁加油門增加引擎噪音。

3. 周邊土地使用規劃與分級管制（Land-use Planning and Management）：

• 具體措施：民航主管機關與地方政府劃定「航空噪音防制區」（第一級至第三級），依噪音等值線（如日夜音量 $L_{\text{den}}$ 或航空噪音日夜音量）實施都市計畫土地使用分區管制。嚴格限制在第二級、第三級高噪音區內新設學校、醫院、住宅等噪音敏感建築；高噪音區土地優先規劃為工業區、物流倉儲、農林帶或綠地緩衝區。

4. 實施營運時間限制與經濟誘因（Operating Restrictions & Economic Instruments）：

• 具體措施：
• 夜間宵禁（Curfew）：針對鄰近都會區的機場實施夜間起降管制（如深夜 23:00 至翌晨 06:00 禁止非必要之航機起降，或限制使用反推力裝置）。
• 差別噪音費率：依各機型之實測噪音級距課徵差別化「航空噪音防制費」，促使航空業者主動調派低噪音機種執飛；收繳之防制費專款專用於周邊受體之建築防音隔音門窗補助與空調設備裝設。

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(二) 擴廠後總噪音量之估算

已知條件：

• 原有作業環境背景噪音 $L_1 = 74\text{ dB}$
• 新增設備一之噪音 $L_2 = 71\text{ dB}$
• 新增設備二之噪音 $L_3 = 73\text{ dB}$

計算步驟：

1. 代入多音源能量疊加公式： $L_{\text{total}} = 10 \log_{10} \left( 10^{L_1 / 10} + 10^{L_2 / 10} + 10^{L_3 / 10} \right)$