111 高普考高考三級 環境檢驗 廢棄物檢驗 考古題詳解

核心觀念

本題考查環境檢驗領域中「固體廢棄物溶出檢驗程序」之法規目的、環境模擬情境與實驗室操作參數之對比。

1. 法源與標準方法依據（以命題當年民國 111 年法規為準）：

• 事業廢棄物毒性特性溶出程序（TCLP）：依據《有害事業廢棄物認定標準》附表四，標準方法為 NIEA R201.15C。
• 再生粒料環境用途溶出程序：依據《廢棄物清理法》相關規範訂定，標準方法為 NIEA R222.10C。
• 法規現況提醒：環境部現行法規已於民國 111 年 12 月修正公布為 NIEA R222.11C（自民國 112 年 3 月 15 日生效），其核心萃取參數（液固比 $10:1$、$pH\ 5.8 \sim 6.3$、轉速約 $200\text{ rpm}$、攪拌 $6\text{ 小時}$）與本題之 NIEA R222.10C 完全一致。

2. 模擬情境與環境意義之差異：

• TCLP（NIEA R201.15C）：模擬廢棄物進入都市衛生掩埋場與一般生活垃圾「共同掩埋（Co-disposal）」時，在厭氧發酵產生的低分子量有機酸（以醋酸為主）淋溶環境下之「最惡劣情境（Worst-case scenario）」，用於判定廢棄物是否具有毒性特性而歸屬為有害事業廢棄物。
• 再生粒料環境用途溶出程序（NIEA R222.10C）：模擬資源化產品（如焚化再生粒料、轉爐石、電弧爐煉鋼爐碴等）應用於鋪面工程底層、基地填築等「直接接觸大氣降雨與土壤之自然環境用途」時，受未受污染大氣降雨（因溶解空氣中二氧化碳而呈微弱酸性，$pH \approx 5.6 \sim 6.0$）滲透淋溶時的溶出行為，用於把關再利用材料對周遭環境與地下水體的安全性。

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解題方法

解答本題時，切入點應建立於「環境模擬情境如何決定實驗操作條件」，依序針對題目要求的四個子題進行系統性比對與推導：

1. 萃取液用量（液固比，Liquid-to-Solid Ratio, L/S）：

• 評估有害特性的 TCLP 為促使金屬充分溶出，採高液固比 $20:1$（重量比）。
• 評估現地工程入滲情境的 NIEA R222 則採用較貼近現地水體接觸體積的 $10:1$（體積/重量比）。

2. 萃取液之 $pH$ 值：

• 掩埋場有機酸發酵情境（TCLP）：使用醋酸緩衝體系，依廢棄物本身的酸鹼緩衝能力判定使用弱酸性緩衝液（$pH = 4.93 \pm 0.05$）或較強酸性溶液（$pH = 2.88 \pm 0.05$）。
• 自然降水入滲情境（NIEA R222）：使用去離子水微調至弱酸至接近中性（$pH = 5.8 \sim 6.3$），絕不添加有機酸。

3. 萃取裝置之轉速與運動型態：

• TCLP 採用上下顛倒的「翻轉式振盪裝置（End-over-end shaker）」，以低速（$30 \pm 2\text{ rpm}$）模擬地下水慢速流動滲透與顆粒間翻滾摩擦。
• NIEA R222 採用「機械式攪拌器（附葉片）」，以高速（約 $200\text{ rpm}$）帶動水流，維持粒料於底部並促進固液傳質。

4. 攪拌時間或旋轉時間：

• TCLP 需達擬化學熱力學平衡，耗時長（$18 \pm 2\text{ 小時}$）。
• NIEA R222 模擬短暫降水滲流動態過程，時間較短（$6\text{ 小時}$）。

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選項分析

（本題為申論比較題，非選擇題。以下針對題目所列四項程序重點，進行逐項深入剖析與規範比對）：

(一) 萃取液之用量

• 再生粒料環境用途溶出程序（NIEA R222.10C）：
• 規定：液固比為 $10:1$（$\text{mL/g}$）。標準稱取通過 $9.5\text{ mm}$ 標準篩之試樣約 $100\text{ g}$，加入 $1000\text{ mL}$ 之萃取液（即樣品重量之 $10$ 倍體積用量）。
• 分析：採較低液固比，主要反映路堤、道路基底層等工程填築時，土壤與再生粒料孔隙中入滲降水之實際接觸體積比。
• 事業廢棄物毒性特性溶出程序（NIEA R201.15C）：
• 規定：液固比為 $20:1$（重量比）。加入相當於固體試樣重量 $20$ 倍之萃取液（以 $100\text{ g}$ 固體試樣為例，須加入 $2000\text{ g}$，約合 $2000\text{ mL}$ 之萃取液）。
• 分析：採高液固比可有效避免難溶性有害鹽類在溶出過程中提早達到溶度積飽和，從而嚴格檢驗其最大潛在溶出量。

(二) 萃取液之 $pH$ 值

• 再生粒料環境用途溶出程序（NIEA R222.10C）：
• 規定：萃取液 $pH$ 值為 $5.8 \sim 6.3$。
• 分析：以試劑水利用稀鹽酸溶液（$0.1\text{ N HCl}$）或稀氫氧化鈉溶液（$0.1\text{ N NaOH}$）調配，不使用任何有機弱酸緩衝液，真實模擬大氣降水因平衡二氧化碳所呈之微弱酸性入滲水質。
• 事業廢棄物毒性特性溶出程序（NIEA R201.15C）：
• 規定：依固體試樣之「初步評估試驗（以純水攪拌測定 $pH$ 及加酸加熱反應）」結果，選用下列兩種萃取液之一：

1. 萃取液 #1：以試劑水、冰醋酸與氫氧化鈉調製而成之緩衝溶液，$pH = 4.93 \pm 0.05$。
2. 萃取液 #2：以試劑水與冰醋酸調製而成之非緩衝稀醋酸溶液，$pH = 2.88 \pm 0.05$（用於高鹼性、抗酸能力極強之試樣）。

• 分析：醋酸為典型厭氧垃圾掩埋場內發酵產物，利用醋酸根的微弱錯合與特定酸度，加劇重金屬的浸出反應。

核心觀念

本題旨在測驗廢棄物物理與化學檢驗技術之基本操作能力，核心依據為行政院環境保護署（現改制為環境部）公告之環境檢驗標準方法**《事業廢棄物水分測定方法－間接測定法》（NIEA R203.02C）**（本題解題以命題當年民國 111 年法規標準為準）。

1. 基本定義與原理： 間接測定法（又稱烘箱乾燥失重法，Loss on Drying, LOD）係利用水與固體物質揮發性之差異，將廢棄物樣品置於設定溫度（$105 \pm 5\ ^\circ\text{C}$）之烘箱中加熱乾燥至恆重，促使樣品中的自由水（游離水）及部分弱結合水蒸發。透過乾燥前後之質量差，計算出水分的重量百分比。
2. 計算公式： $W = \frac{W_1 - W_2}{W_1 - W_0} \times 100\%$

• $W$：水分含量（$\%$）
• $W_0$：秤量瓶（含蓋）之空重（$\text{g}$）
• $W_1$：乾燥前秤量瓶（含蓋）及樣品重（$\text{g}$）
• $W_2$：乾燥至恆重後秤量瓶（含蓋）及樣品重（$\text{g}$）

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解題方法

本題為標準的檢驗規範申論題，作答時切入架構應嚴格對應標準檢驗方法章節規範，分層解析三大核心要件：

1. 方法概要： 按樣品前處理、乾燥加熱條件（溫度設定、恆重判定）、冷卻防潮及差重計算法進行標準化流程敘述。
2. 適用限制： 從「物態」與「化學物性」雙重視角劃分，指明該方法僅適用於一般固體與半固體廢棄物，並點出含有揮發性有機物（VOCs）、熱敏性化合物或易氧化物質時本法之不適用性，需改採其他替代方法（如共沸蒸餾法）。
3. 干擾因子： 以「質量變化機制」為核心切入點，將干擾分類為導致測值偏高的「正偏差干擾」（非水成分揮發、熱分解）以及導致測值偏低的「負偏差干擾」（氧化增重、冷卻再吸濕、水分蒸發受阻），展現扎實的檢驗化學學理基礎。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無選項分析。

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解題技巧

1. 關鍵參數與術語牢記：

• 烘乾溫度必寫「$105 \pm 5\ ^\circ\text{C}$」。
• 終點判斷必寫「恆重」（前後兩次烘乾並置於乾燥器冷卻後稱重，質量差小於 $0.5\ \text{mg}$ 或相對差異符合規範）。
• 冷卻操作必寫「乾燥器（Desiccator）內冷卻至室溫」。

2. 干擾分析正負向歸納法： 考試作答時切忌雜亂列舉，利用「失重過多（$\Delta W \uparrow \Rightarrow$ 測值偏高）」與「失重不足或樣品增重（$\Delta W \downarrow \Rightarrow$ 測值偏低）」兩條軸線記憶，條理清晰且不易遺漏得分點。
3. 區別間接法與直接法： 本題問的是「間接法」（烘乾失重法），非「直接法」（如共沸蒸餾法 NIEA R204 或卡爾費休滴定法）。若題目出現含大量溶劑廢棄物，應在限制中主動提報需轉用直接法，可大幅增加答案深度。

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【答案】

核心觀念

本題測驗環境檢驗技術中固體及液體廢棄物「總熱值（Gross Calorific Value）」之測定原理與標準操作程序。依據命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署公告之標準檢驗方法**「廢棄物熱值檢測方法－燃燒彈熱卡計法（NIEA R214）」**，其核心理論架構包括：

1. 熱力學絕熱/等溫量熱原理：樣品在耐高壓密閉鋼彈（Bomb）內於過量純氧環境中完全燃燒，燃燒釋放之總熱量由彈體及周圍吸收介質（水）完全吸收，藉由精密測量之水溫上升值計算熱量。
2. 熱計校正（水當量標定）：熱卡計系統吸收熱量之能力稱為熱容量或水當量（Water Equivalent），必須使用已知純度與標準燃燒熱之基準物質進行標定。
3. 輔助材料與校正項：針對不易點燃或易飛散之廢棄物樣品使用引燃輔助介質，並於計算時進行熱量校正扣除；同時須給予足夠分壓以確保完全燃燒並防止爆炸危險。

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解題方法

本題為標準程序申論題，依據 NIEA R214 標準方法規範，逐項切入：

1. 子題 (一) 從熱計校正之計量溯源切入，說明標準物質之選用依據。
2. 子題 (二) 從樣品物理性（飛散、不易燃）及熱值扣除校正機制切入。
3. 子題 (三) 點出完全燃燒所需之過量氧氣壓力數值區間與安全上限。
4. 子題 (四) 依據系統熱平衡方程式（釋放熱量＝吸收熱量）推導水當量公式，並定義各參數與校正項。

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題目各子題詳細分析

(一) 苯甲酸之用途

1. 標定熱卡計系統之「水當量（熱容量, $W$）」： 苯甲酸（$\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$）具有高純度、不易吸濕、易壓錠成型、燃燒完全且標準燃燒熱已被國際計量機構精準測定（約 $6318\text{ cal/g}$ 或 $26.434\text{ MJ/kg}$）等特性，為熱卡計法標準規範唯一指定之一級熱值標準品。
2. 檢驗系統之精密度與準確度： 在分析樣品前後或更換零件、溫度計時，利用苯甲酸進行查核分析，以確認熱卡計整體系統穩定性及量測再現性。

(二) 雁皮紙之用途

1. 防止樣品飛散： 粉末狀、蓬鬆乾燥或受高壓氧氣衝擊易噴濺之廢棄物樣品，不易直接壓錠成型，以雁皮紙包裹置於坩堝中，可防止點火時因燃燒氣流劇烈擾動造成樣品飛散未燃。
2. 引燃與助燃輔助： 對於不易點燃、難燃、低熱值或液態/黏稠狀廢棄物，雁皮紙能作為「引燃紙（點火用紙）」傳遞點火絲之熱量，使燃燒反應迅速且均勻引爆並完全燃燒。
3. 熱值校正扣除： 雁皮紙本身為可燃有機物，使用前必須先測定其單位乾重之燃燒熱並秤量其重量。在最終樣品熱值計算中，必須將雁皮紙所貢獻之燃燒熱作為校正項予以扣除。

(三) 氧氣導入燃燒彈熱卡計之壓力

1. 標準導入壓力： 依規範導入高純度氧氣（純度須達 $99.5\%$ 以上），導入壓力為 $25 \sim 30\text{ atm}$（約等同於 $2.5 \sim 3.0\text{ MPa}$ 或 $370 \sim 440\text{ psi}$）。
2. 壓力控制目的：

• 充填下限（不低於 $20\text{ atm}$）：確保燃燒室內處於充足過量之氧氣環境，使樣品在瞬間達到完全燃燒，避免產生一氧化碳或未燃碳黑殘留。
• 充填上限（嚴禁超過 $40\text{ atm}$）：防止點火爆燃時彈內瞬時壓力超過鋼彈安全耐壓極限，避免發生儀器損壞或高壓爆炸事故。

核心觀念

本題考查環境檢驗中固體廢棄物三成分與元素分析之經典重量分析法。以命題當年（民國 111 年）法規為準，檢測依據為前行政院環境保護署（現改制為環境部）公告之**「廢棄物中碳及氫含量檢測方法－管狀爐燃燒法（NIEA R409.21C）」**（亦可參照 CNS 10834 相關煤炭與固體廢棄物元素分析規範）。

1. 基本反應原理： 廢棄物樣品在足量純氧氣流中，於高溫管狀爐（$800 \sim 850\,^\circ\mathrm{C}$）燃燒，樣品中的碳（$\mathrm{C}$）被完全氧化為二氧化碳（$\mathrm{CO_2}$），氫（$\mathrm{H}$）被完全氧化為水蒸氣（$\mathrm{H_2O}$）： $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2}$ $4\mathrm{H} + \mathrm{O_2} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O}$
2. 重量吸收定量法（Absorption Train）： 燃燒產物隨氧氣流帶出管狀爐後，依序通過已預先稱重之「水蒸氣吸收瓶」與「二氧化碳吸收瓶」，利用特定化學吸收劑增重之質量差，分別依化學計量計算氫與碳之含量。
3. 干擾消除： 燃燒廢棄物時常伴隨產生硫氧化物（$\mathrm{SO}_x$）、氮氧化物（$\mathrm{NO}_x$）及鹵素氣體（如 $\mathrm{Cl_2}$、$\mathrm{HCl}$），此類酸性氣體會進入吸收系統被鹼性吸收劑吸收，造成碳分析的正偏差，必須在進入吸收瓶前完全捕集去除。

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解題方法

針對題目所問之四個程序與目的，按分析化學與標準檢驗程序逐步剖析：

(一) 管狀燃燒爐出口處接上玻璃接頭，下方放置酒精燈點火加熱之目的

• 切入點：燃燒產物中「水蒸氣（$\mathrm{H_2O}$）」之相態控制與流動性。
• 解析：高溫燃燒區（$800 \sim 850\,^\circ\mathrm{C}$）釋出的水蒸氣，當行經管狀爐外部未受熱之玻璃接頭時，若環境溫度低於露點，水蒸氣會因冷卻而在接頭管壁上凝結為液態水滴。若水分滯留於玻璃接頭處未進入第一道吸收瓶，將導致「氫元素測值偏低（負偏差）」；此外，凝結水滴亦可能阻礙氣流通暢。因此，於出口玻璃接頭下方以酒精燈點火加熱（保持管壁溫度高於 $100\,^\circ\mathrm{C}$），防止水蒸氣在接頭處凝結，確保燃燒產生的全部水蒸氣能完全被氣流帶入後續之水蒸氣吸收瓶中。

(二) 於玻璃接頭後接上導管並置入銀網之目的

• 切入點：消除燃燒副產物（干擾物）對定量分析的干擾。
• 解析：廢棄物中常含有硫（$\mathrm{S}$）及鹵素（特別是氯 $\mathrm{Cl}$），燃燒會生成 $\mathrm{SO_2}$、$\mathrm{SO_3}$、$\mathrm{Cl_2}$ 及 $\mathrm{HCl}$。金屬銀（$\mathrm{Ag}$）在適當受熱條件下（通常維持於 $400 \sim 600\,^\circ\mathrm{C}$）對硫氧化物及鹵素具有極高的化學吸附與反應能力，反應式如下： $2\mathrm{Ag} + \mathrm{Cl_2} \longrightarrow 2\mathrm{AgCl}$ $\mathrm{Ag} + \mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{AgCl} + \frac{1}{2}\mathrm{H_2}$ $2\mathrm{Ag} + \mathrm{SO_2} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{Ag_2SO_4}$ 目的為捕集並去除燃燒氣體中的鹵素（$\mathrm{Cl_2}$ 等）與硫氧化物（$\mathrm{SO}_x$），防止其進入下游的二氧化碳吸收瓶與鹼性吸收劑反應，避免造成碳含量測定的正偏差。

(三) 吸收瓶裝何種藥品吸收燃燒產生之水蒸氣？

• 切入點：高選擇性吸水乾燥劑的選用。

核心觀念

本題評量環境檢驗人員對於不均質固體樣品（一般廢棄物／都市垃圾）之標準採樣作業規範與縮分技術。主要法源與標準方法依據以命題當年（民國 111 年）行政院環境保護署（現升格為環境部）公告之環境檢驗標準方法**「一般廢棄物（垃圾）採樣方法（NIEA R101 系列）」**為準。

垃圾本質上具有高度「異質性」（Heterogeneity），成分與粒徑分布極不均勻，且不同比重物質易產生層別沉降。採樣之關鍵核心在於：

1. 網格法（Grid Sampling Method）：藉由幾何平面分區與貫穿式垂直取樣，消除空間分布與重力沉降所造成的代表性偏差，以取得具統計代表性之「初步樣品」（粗樣，Bulk Sample）。
2. 四分法（Coning and Quartering Method）：利用對稱幾何圓錐與對角混合互補原理，在不改變廢棄物原始組成比例之前提下，系統性遞減樣品質量，縮分至實驗室檢測分析所需之「最終樣品」（Final Sample）。

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解題方法

本題屬標準程序型申論題，作答時須依據標準檢驗方法之操作邏輯，切分為「網格法採樣階段」與「四分法縮分階段」，依序寫出完整、不可逆的標準作業程序（SOP）：

• 網格法切入點：強調「鋪平厚度控制」、「網格化隨機／系統取樣」及「垂直全深度挖掘（避免表層偏差）」。
• 四分法切入點：強調「堆錐充分翻拌」、「垂直壓平厚度」、「對角線取捨」及「迭代縮分至目標量」。

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選項分析

本題為申論題，無選項分析。

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解題技巧

1. 得分口訣：「攤平網格挖全深，堆錐壓餅取對角」。
2. 閱卷給分關鍵詞：鋪平厚度（約 $30 \sim 50\text{ cm}$）、全深度垂直取樣、對角兩等分、重複縮分至目標量（約數公斤）。
3. 常見失分陷阱：

• 陷阱一：網格法採樣僅刮取表面垃圾。垃圾易隨粒徑與重力分層（細料、重料沉底，塑膠、紙類浮於表面），必須「垂直貫穿挖至底層」。
• 陷阱二：四分法隨意選取相鄰兩塊。四分法必須選取「互為對角」之兩等分，藉此抵消堆錐滑落時產生的粒徑偏析（Segregation）。

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【答案】

依據民國 111 年行政院環境保護署公告之「一般廢棄物（垃圾）採樣方法（NIEA R101）」相關規範，以網格法採集初步樣品及後續四分法縮分之標準作業步驟如下：

一、以網格法取得初步樣品之步驟

1. 卸料與機械鋪平： 將採樣車輛所載運之垃圾或指定採樣堆之垃圾，傾卸於潔淨平整之採樣場地（如防滲水泥地面或鋪設厚質塑膠布之平臺）