114 地方特考四等 環保技術類科 環境化學概要 考古題詳解

核心觀念

螯合劑是能以兩個以上的配位原子同時與同一金屬離子結合，形成環狀錯合物的配位體。螯合作用可降低金屬離子的游離態濃度，改變其溶解度、移動性與生物可利用性。

乙二胺四乙酸（EDTA）具有兩個胺基氮與四個羧基氧，可提供多個配位位置，常與鈣、鎂、鐵、銅、鉛等金屬離子形成穩定錯合物。EDTA 為人工合成物，環境中的降解速度可能受光照、微生物、氧化還原條件及金屬錯合狀態影響。

解題方法：由「金屬被螯合」推論環境效應

分析 EDTA 釋放至環境的影響，可從其與金屬形成錯合物後，對金屬移動性、生物可利用性及水處理程序的改變來說明：

1. 提高金屬移動性 EDTA 可與金屬形成可溶性錯合物，使原本可能吸附在土壤顆粒或沉澱於水中的金屬維持溶解狀態，因而增加金屬在水體與土壤中的遷移，並可能促進金屬淋洗至地下水。

2. 改變金屬的生物可利用性與毒性 螯合會降低部分金屬的游離離子比例，短期內可能減少游離金屬的直接毒性；但錯合物也可能讓金屬保持溶解並進入生物可接觸的水相，使金屬更容易移動、擴散或被生物攝取。

核心觀念

水中硬度主要來自溶解的二價金屬離子，天然水中以鈣離子 $\mathrm{Ca^{2+}}$ 與鎂離子 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 最重要。硬度通常以「碳酸鈣當量」表示，即 $\mathrm{mg/L\ as\ CaCO_3}$，方便將不同離子的硬度換算到同一基準。

依陰離子與加熱後是否容易去除，可分為：

• 暫時硬度（碳酸鹽硬度）：由鈣、鎂的碳酸氫鹽造成，例如 $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$、$\mathrm{Mg(HCO_3)_2}$。煮沸時碳酸氫鹽分解，形成較難溶的沉澱，硬度因而降低。
• 永久硬度（非碳酸鹽硬度）：由鈣、鎂的非碳酸氫鹽造成，例如氯化物、硫酸鹽或硝酸鹽，如 $\mathrm{CaCl_2}$、$\mathrm{MgSO_4}$。煮沸不易去除，須以其他軟化方法處理。

解題方法

將各離子的濃度換算成 $\mathrm{CaCO_3}$ 當量後相加。換算公式為：

$\mathrm{CaCO_3}$ 分子量為 $100$，且其二價離子的當量重為 $100/2=50$。鈣、鎂均為二價離子，因此：

核心觀念

本題考一階生物降解反應與河川流速的結合。BOD 隨水流向下游而經微生物分解，依題目給定的一階反應式：

$C=C_0e^{-kt}$

其中 $C_0$ 為起始 BOD，$C$ 為經過時間 $t$ 後的 BOD，$k$ 為一階降解速率常數。要先用河段距離與流速求出水體移動時間，再代入反應式。

解題方法

先將流速換成每小時的距離：

$0.417\ \mathrm{m/s}\times 3600\ \mathrm{s/hr}=1501.2\ \mathrm{m/hr}$

流經 $15\ \mathrm{km}=15000\ \mathrm{m}$ 所需時間為：

代入一階反應式，並以採樣點測得的 BOD $120\ \mathrm{mg/L}$ 作為 $C_0$：

因此，依題目給定條件計算，$15\ \mathrm{km}$ 下游處的 BOD 約為 $54.0\ \mathrm{mg/L}$。

理論值與實際狀況的差異

核心觀念

本題考查煤中硫完全燃燒生成二氧化硫的化學計量。硫燃燒的反應式為：

由反應式可知，$1$ 莫耳硫生成 $1$ 莫耳二氧化硫；換算質量時，硫與二氧化硫的莫耳質量分別為 $32$ 與 $64\ \mathrm{g/mol}$，所以每 $1$ 噸硫完全燃燒會生成 $2$ 噸 $\mathrm{SO_2}$。

解題方法

每日燃煤量為 $10$ 噸，含硫率為 $2\%$，故每日燃燒的硫量為：

依反應式的莫耳比例，生成的二氧化硫質量為：

因此，在假設煤中硫全部燃燒、並完全轉化為 $\mathrm{SO_2}$，且未經污染防制設備去除的條件下，每日排放量為 $0.4$ 噸 $\mathrm{SO_2}$。

酸雨形成反應式