113 高普考高考三級 環境工程 空氣污染與噪音控制技術 考古題詳解

核心觀念

本題考查細懸浮微粒中二次硫酸鹽與硝酸鹽的生成途徑，要分別說明氣相氧化與液相（雲、霧滴及氣膠液態水）反應。硫酸鹽的主要前驅物是二氧化硫 $\mathrm{SO_2}$；硝酸鹽的主要前驅物是氮氧化物中的二氧化氮 $\mathrm{NO_2}$。兩者經氧化生成較不揮發的酸性產物，再進入或留在粒相。

需區分兩個步驟：化學反應生成硫酸或硝酸，以及酸與氨等物質在氣粒間分配、形成粒狀鹽類。例如硫酸可與氨形成硫酸銨或硫酸氫銨；硝酸可與氨形成硝酸銨。

解題方法

先依前驅物分成硫酸根與硝酸根，再各自按氣相、液相整理反應；液相部分說明氣體溶解、解離及氧化劑作用，最後交代生成物如何進入細懸浮微粒。

一、硫酸根的形成

1. 氣相：$\mathrm{SO_2}$ 經 $\mathrm{OH}$ 自由基氧化

白天大氣中的氫氧自由基攻擊 $\mathrm{SO_2}$，形成含硫自由基，後續與氧氣反應生成三氧化硫，再水合成硫酸：

$$\mathrm{SO_2 + OH + M \rightarrow HOSO_2 + M}$$ $$\mathrm{HOSO_2 + O_2 \rightarrow HO_2 + SO_3}$$ $$\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$$

其中 $M$ 為第三體，協助反應物帶走多餘能量。生成的硫酸蒸氣揮發性低，會凝結於既有氣膠粒子，或在適當條件下參與新粒子形成。硫酸在含水粒子中解離，形成硫酸根：

$$\mathrm{H_2SO_4 \rightleftharpoons H^+ + HSO_4^-}$$ $$\mathrm{HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}}$$

2. 液相：$\mathrm{SO_2}$ 溶入水後氧化

$\mathrm{SO_2}$ 先溶入雲、霧滴或氣膠液態水，形成溶解態四價硫物種（S(IV)）：

$$\mathrm{SO_2(g) \rightleftharpoons SO_2\cdot H_2O}$$ $$\mathrm{SO_2\cdot H_2O \rightleftharpoons H^+ + HSO_3^-}$$ $$\mathrm{HSO_3^- \rightleftharpoons H^+ + SO_3^{2-}}$$

水相中的 S(IV) 主要可由下列氧化劑氧化為六價硫（S(VI)），生成硫酸根：

$$\mathrm{HSO_3^- + H_2O_2 \rightarrow SO_4^{2-} + H^+ + H_2O}$$ $$\mathrm{HSO_3^- + O_3 \rightarrow SO_4^{2-} + H^+ + O_2}$$

溶氧也可在鐵、錳等過渡金屬離子催化下參與氧化。液相氧化在雲霧水或高含水量氣膠中進行；水滴蒸發後，硫酸鹽留在粒相。液相反應速率會受氧化劑供應、液態水量及酸鹼度影響。

二、硝酸根的形成

1. 氣相：白天由 $\mathrm{NO_2}$ 與 $\mathrm{OH}$ 形成硝酸

核心觀念

本題考查臭氧生成的光化學反應，以及都會區臭氧管制策略的判斷。臭氧（$O_3$）不是直接排放的污染物，主要由氮氧化物（$NO_x$）與揮發性有機物（VOCs）在日照下經一連串反應生成。管制哪一項前驅物，須先判斷當地臭氧生成受 $NO_x$ 還是 VOCs 限制。

（一）NO 滴定反應及其影響

NO 滴定反應是指一氧化氮（NO）快速消耗臭氧、生成二氧化氮（$NO_2$）的反應：

$$NO + O_3 \rightarrow NO_2 + O_2$$

交通排放等來源會使都會區近地面 NO 濃度升高，因此 NO 可在短時間內消耗附近的臭氧。這會造成道路旁或市區監測到的臭氧濃度降低，形成「臭氧滴定」現象。

NO 滴定只是消耗既有臭氧，並不代表光化學臭氧生成量必然下降。日間受日照時，$NO_2$ 可光解：

$$NO_2 + h\nu \rightarrow NO + O$$ $$O + O_2 \rightarrow O_3$$

若只有 $NO$、$NO_2$ 與 $O_3$ 間的循環反應，臭氧生成與消耗大致互相抵銷；VOCs 氧化產生的過氧自由基則可將 NO 轉為 $NO_2$，而不消耗臭氧，使臭氧得以淨累積。

因此，市區 NO 排放高時，常見市區臭氧較低、下風處臭氧較高的空間分布。若單獨削減 $NO_x$，NO 滴定作用減弱，市區臭氧短期內可能上升；這不等於削減 $NO_x$ 無效，而是顯示臭氧濃度也受滴定效應與化學生成 regime 影響。

（二）如何決定管制哪一項前驅物

解題方法

先判斷當地臭氧生成對前驅物的敏感度，再選擇主要管制對象。常用方法如下：

1. 觀測資料分析 蒐集臭氧、$NO_x$、VOCs 及其物種組成、日照與氣象資料，分析臭氧與前驅物的時空變化。

核心觀念

蓄熱式焚化爐（Regenerative Thermal Oxidizer, RTO）以高溫氧化破壞廢氣中的揮發性有機物（VOCs），並以陶瓷蓄熱床回收焚化後高溫氣體的熱能，預熱進入的廢氣，降低輔助燃料需求。題目重點是掌握「高溫氧化去除污染物」與「蓄熱床交替蓄熱、放熱」兩項原理，以及兩槽式設備的切換排氣問題。

（一）運作方式、VOCs 破壞與節能

RTO 主要由燃燒室、陶瓷蓄熱床、切換閥及風機等構成。其運作可分為以下步驟：

1. **廢氣預熱：**含 VOCs 的廢氣經切換閥導入一側蓄熱床，流經陶瓷介質時吸收其先前儲存的熱量，溫度逐漸升高。
2. **高溫氧化：**預熱後的廢氣進入燃燒室，在足夠的溫度、停留時間及混合條件下，VOCs 與氧氣反應，主要轉化為二氧化碳與水蒸氣。若廢氣含有其他可氧化成分，也可能形成相應的氧化產物。
3. **熱能回收：**高溫處理後的氣體流經另一側較冷的蓄熱床，將熱量傳給陶瓷介質後排出；該蓄熱床因而升溫，供下一個操作週期預熱進氣。
4. **週期切換：**經過設定週期後，切換閥改變氣流方向，使原本蓄熱的床負責預熱進氣，原本放熱的床則接收處理後的高溫氣體、重新蓄熱。如此反覆循環。

VOCs 的破壞效果取決於適當的溫度、停留時間與混合程度；燃燒室需提供足以氧化污染物的條件，並避免氣流短路或混合不良。

核心觀念

袋式集塵器以含塵氣體穿過濾布為基本原理。粒狀物受氣流帶至濾布時，會因粒徑、慣性、布朗運動、重力及靜電等作用而碰撞或附著於纖維；捕集後逐漸形成的粉塵層也會成為有效濾材。題目重點是比較各種捕集機制對粒徑的依賴，並判斷各機制效果都較弱的粒徑範圍。

解題方法：作用機制與粒徑關係

• 篩除與粉塵層過濾：粒子大於濾布孔隙，或被已形成的粉塵層截留。粒徑愈大，愈容易被篩除；粉塵層形成後，細粒捕集效率通常也會提高。
• 慣性碰撞：粒子因慣性無法隨氣流繞過纖維，撞上纖維而被捕集。粒徑愈大、慣性愈強，捕集效率愈高；很小的粒子容易跟隨氣流，慣性碰撞效率低。
• 攔截：粒子中心雖跟隨氣流繞過纖維，但粒子本身因具有尺寸而碰觸纖維。粒徑愈大，碰觸機率愈高，效率通常愈高。
• 布朗擴散：微細粒子受布朗運動影響，偏離流線並碰觸纖維。粒徑愈小，布朗運動愈強，擴散捕集效率愈高；粒子變大後，擴散作用減弱。
• 重力沉降：粒子受重力而沉降，粒徑愈大，沉降速度通常愈快，捕集效果較佳；微細粒子沉降速度低，重力作用不顯著。