112 高普考普通考試 環保技術 環境污染防治技術概要 考古題詳解

核心觀念

燃燒產生的氮氧化物（NOₓ）主要包括一氧化氮（NO）與二氧化氮（NO₂）。燃燒時形成的氮氧化物可分為三類：

1. 熱氮氧化物（thermal NOₓ）：空氣中的氮氣與氧氣在高溫下反應生成，生成量受火焰溫度、氧氣濃度及高溫停留時間影響。
2. 燃料氮氧化物（fuel NOₓ）：燃料中的含氮化合物在燃燒時氧化生成，常見於煤、重油等含氮燃料。
3. 快速氮氧化物（prompt NOₓ）：燃料富集的火焰區中，氮氣與碳氫自由基反應生成；一般鍋爐控制上，通常以熱氮氧化物及燃料氮氧化物為主要考量。

本題重點是說明燃燒過程中的源頭控制技術及其降低 NOₓ 的原理；其中「燃燒控制」屬於燃燒前或燃燒中的措施，與燃燒後的煙氣脫硝設備不同。

解題方法

作答時可依「降低生成條件」與「燃料氮處理」分類，再逐項交代設備或操作方式及控制原理。熱氮氧化物在高溫下生成較快，因此控制重點是降低局部最高火焰溫度、減少高溫區氧氣供應，或縮短高溫停留時間；燃料氮氧化物則著重於燃料預處理及分段燃燒。

燃燒產生氮氧化物的控制技術及原理

1. 低氮氧化物燃燒器（Low-NOx burner） 透過燃燒器的分級供氣、燃料與空氣混合控制等設計，避免燃料與大量空氣在燃燒初期立即充分混合，使火焰形成局部還原區，降低局部氧氣濃度及火焰峰值溫度。後續再補入二次空氣完成燃燒，以抑制熱氮氧化物與燃料氮氧化物生成。

2. 分段燃燒／分級供氣（staged combustion） 將燃燒所需空氣分階段供給。第一階段採缺氧或低氧燃燒，使燃料氮先轉化為氮氣等較穩定產物，並降低初期氧化反應；第二階段再補入燃盡空氣，使可燃物完全燃燒。

核心觀念

離子交換是利用固體交換劑上的可移動離子，與水中帶相同電荷的離子進行可逆、當量交換，使水中目標離子被去除或回收。交換劑本身通常不溶於水，常見材料包括合成樹脂、天然或改質沸石，以及部分無機交換劑。

交換具有電荷當量守恆：交換劑釋出多少正電荷當量，就會吸附多少正電荷當量；陰離子交換亦同。例如陽離子交換樹脂以鈉型運作時，可用鈉離子交換水中的鈣離子：

其中 $\mathrm{R}$ 表示樹脂上的固定官能基。水中每移除 $1$ 莫耳 $\mathrm{Ca^{2+}}$，樹脂便釋出 $2$ 莫耳 $\mathrm{Na^+}$，以維持電荷平衡。

解題方法

本題屬於原理與應用的申論題，作答時依「交換機制 → 操作流程 → 水污染防治用途 → 操作限制」說明，即能完整交代程序特性。

1. **交換機制：**交換劑表面或孔隙內的固定帶電基團，選擇性吸附溶液中的反離子。離子在液相與交換劑間移動，達到交換平衡；選擇性受離子價數、濃度、交換劑性質及水質條件影響。
2. **操作流程：**廢水流經填充交換劑的交換床，目標離子被吸附，交換劑釋出原先的對應離子。交換床接近飽和、出流水濃度上升時即稱為穿透，需停止處理並再生。
3. **再生與回收：**以高濃度再生液使交換反應逆轉，將已吸附離子洗脫，恢復交換容量。

核心觀念

本題考查土壤對重金屬的吸持作用及受污染土壤的整治方法。吸持是重金屬從土壤水溶液移至土壤固相或固液界面的總稱，涵蓋吸附、離子交換、表面錯合與沉澱等作用。土壤能降低溶解態重金屬濃度、延緩其隨地下水遷移；但吸持只是污染物的固定或轉移，並不必然代表重金屬已被移除或毒性消失。

解題方法：先說明吸持機制，再依整治目的分類

回答時先列出土壤固相如何固定重金屬，再說明整治技術是要移除污染物、固定污染物，或利用植物及微生物降低風險。整治方法應依污染物種類與形態、土壤性質、污染深度及場址條件選擇。

土壤吸持重金屬的機制

1. 陽離子交換與靜電吸附 黏土礦物及腐植質帶有負電荷，可吸引溶液中的金屬陽離子，並與土壤表面的 $\mathrm{H^+}$、$\mathrm{Ca^{2+}}$、$\mathrm{Mg^{2+}}$ 等交換。土壤陽離子交換容量愈高，通常愈能吸持金屬陽離子。

2. 專性吸附與表面錯合 金屬離子可與鐵、鋁、錳氧化物或有機質表面的官能基形成內層或外層錯合物。專性吸附通常具有較強的化學鍵結，其強弱受金屬種類、表面性質及溶液酸鹼度影響。

3. 有機質錯合 腐植質中的羧基、酚羥基等官能基可與金屬形成錯合物，降低溶液中游離金屬離子的比例。不同金屬與有機質的親和力不同，且溶解性有機配體也可能形成可溶錯合物，反而促進金屬遷移。

4. 沉澱與共沉澱 當環境條件使金屬離子與碳酸根、硫化物、磷酸根或氫氧根等反應，可形成低溶解度沉澱；金屬也可能被鐵、錳氧化物等新生成的固相包埋或共同沉澱，因而降低其溶解度及移動性。

5. 氧化還原與酸鹼條件改變 酸鹼值會影響土壤表面電荷、金屬水解及沉澱平衡，通常提高 pH 可增加許多陽離子型金屬的吸附或沉澱。氧化還原條件則會改變金屬價態及鐵、錳氧化物的穩定性，可能造成金屬固定，也可能使原先吸持的金屬重新釋出。

受重金屬污染土壤的整治技術

一、移除或分離污染物

核心觀念

本題考查一般廢棄物的組成與性質，如何影響資源回收、處理程序選擇，以及再生產品的品質與產量。分析時可分成兩條主線：

1. 物理性質：判斷廢棄物如何分選、輸送、破碎、乾燥及處理。
2. 化學性質：判斷其可燃性、可生物分解性、污染風險，以及適合製成何種再生產品。

一般廢棄物常依來源、季節、地區及收集方式而異；因此處理設施設計與資源化產品規格，應以具代表性的採樣分析結果為依據，而非僅以名目上的廢棄物種類判斷。

解題方法

依「物理性質分析 → 化學性質分析 → 對產品產出的影響」作答。分析結果須連結到具體處理方式，例如紙類製漿、廚餘堆肥或厭氧消化、塑膠再生料製造，以及可燃物製成固體再生燃料（SRF）。

一、物理性質分析

二、化學性質分析