110 關務升官等考試薦任 技術類（選試化學程序工業） 化學程序工業 考古題詳解

核心觀念

電透析（electrodialysis, ED）是利用直流電場及具有離子選擇性的離子交換膜，將水中的溶解離子移出淡水流，分別集中至濃縮水流的膜分離技術。它主要移除水中帶電的溶解鹽類，對不帶電的溶解性有機物、微生物及懸浮固體，則沒有直接去除作用。

常見膜有兩種：

• 陽離子交換膜（CEM）：允許陽離子通過，阻擋陰離子。
• 陰離子交換膜（AEM）：允許陰離子通過，阻擋陽離子。

流程原理與示意圖

陽極帶正電，陰極帶負電；水中的陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。膜片交替排列，使離子從淡化室移入相鄰濃縮室，形成淡水與濃縮水。

陽極（＋） 陰極（－）
 │ │
 │ 陰離子向陽極移動 ← → 陽離子向陰極移動 │
 │ │
 │ AEM CEM AEM CEM AEM │
 │ │ │ │ │ │ │
 │ 濃縮室 │ 淡化室 │ 濃縮室 │ 淡化室 │ 濃縮室 │
 │ │ │ │ │ │
 │ │ Na⁺ → │ │ Na⁺ → │ │
 │ │ Cl⁻ ← │ │ Cl⁻ ← │ │
 │ │ │ │ │ │
 └──────────────────────直流電場───────────────────────────────┘
 淡化室中的離子穿膜進入濃縮室

以氯化鈉溶液為例，Na⁺可穿過CEM，Cl⁻可穿過AEM；相鄰膜的排列會限制離子繼續移動，因此離子在濃縮室累積、在淡化室減少。實際設備以多組膜片堆疊，讓原水分流通過淡化室與濃縮室。

解題方法

作答時依序交代「驅動力、選擇性元件、分離結果及用途」：

1. 驅動力是直流電場。
2. 分離元件是交替排列的CEM與AEM。
3. 陽、陰離子經不同膜片移動，造成淡化室鹽分降低、濃縮室鹽分升高。
4. 說明其適用於溶解性離子的去除，並指出限制。

電透析的離子移除量與通過電荷量相關；理想情況下可用法拉第定律表示：

其中，$n$為移動的離子莫耳數，$Q$為電量，$z$為離子價數，$F$為法拉第常數。實際處理量會受電流效率、膜性能及濃差極化等因素影響。

應用與限制

電透析適用於半鹹水淡化、工業廢水脫鹽、鍋爐補給水前處理，以及食品或化工製程中的離子回收。若採用電透析逆轉（EDR），可定期反轉電極極性，降低膜面結垢與污染。

其效果受原水鹽度影響，通常較適合中低鹽度水；高鹽度水的耗電量會增加。水中鈣、鎂等離子也可能造成結垢，且對非離子型污染物的去除有限。

（二）逆滲透

核心觀念

逆滲透（reverse osmosis, RO）是以高於滲透壓的外加壓力，迫使水分子通過半透膜，並使多數溶解鹽類及其他污染物留在濃縮側的膜分離程序。

自然滲透時，水會由低溶質濃度側經半透膜流向高溶質濃度側。逆滲透則施加足夠壓力於高濃度側，使水的淨流向反轉。

原理與流程

原水／高濃度側 半透膜 產水／低濃度側
（施加高壓） │
水、鹽類、污染物 ──水分子──→ │ ──→ 低鹽度產水
 鹽類、污染物多數被截留 │
 │
 濃縮水排出

核心觀念

本題考查油槽裝卸汽油時的油氣逸散控制，以及以逸散量差額換算每年可回收汽油量與節省油費。

油氣控制的基本作法，是將裝卸過程中由油槽排出的含油氣體收集起來，再以密閉回收或處理設備減少排放。計算時則將「無控制」與「有控制」的逸散量相減，得到每立方公尺汽油可減少的逸散量。

（一）油槽蒸氣逸散控制方式

運油車輸油進入油槽時，油槽內原有的油氣會因液面上升、槽內壓力變化而排出。控制重點是避免油氣直接逸散至大氣，常見方式如下：

1. 密閉裝卸與油氣回收：運油車卸油管與油槽進油口密閉連接；油槽排出的油氣經蒸氣回收管線送回運油車槽體，形成油氣回收系統。
2. 設置油氣處理設備：若不採回送方式，可將排出的油氣導入吸附、冷凝或其他適當處理設備，降低油氣中的揮發性有機物排放。
3. 維持設備密閉與正常操作：妥善維護管線、接頭、閥件及油槽開口，減少接合處洩漏，並依規定操作及檢修。

本題所稱「油槽設有油氣逸散控制設施」，即以收集、回收或處理方式降低裝卸逸散量。

（二）每年節省油費

解題方法

先求控制設施每輸送 $1\ \mathrm{m^3}$ 汽油可減少的逸散質量，再利用油氣密度換算為體積，最後乘上每週加油量、每年週數與每公升油價。

計算

每立方公尺汽油可減少的油氣逸散量為：

油氣密度為 $0.8\ \mathrm{g/mL}$，換算為：

因此，每立方公尺汽油可回收的油氣體積為：

核心觀念： 鍋爐將處理後的給水加熱產生高壓蒸汽，蒸汽送往製程放熱後，凝結水回收並與補充水混合，再經除氧、加藥與加壓後回到鍋爐，形成循環。

流程圖：

補充水 ─→ 水處理 ─┐
 ├→ 除氧器／給水槽 → 給水泵 → 預熱器／省煤器
製程凝結水 ───────┘ ↓
 鍋爐汽包／蒸發器
 ↓
 過熱器
 ↓
 高壓蒸汽總管
 ↓
 製程設備
 ↓
 凝結水回收槽 ───┘

鍋爐排污水 → 排污處理或熱回收

解題技巧： 圖中要表達「給水進鍋爐、蒸汽供製程、凝結水回收」三個環節；補充水用來補足製程損失與排污量。

二、鍋爐用水前處理

核心觀念： 鍋爐水中的懸浮物、硬度鹽類、溶解性鹽類及溶解氣體，會造成結垢、腐蝕、起泡或蒸汽品質不良。處理流程需依原水水質與鍋爐壓力調整。

主要處理步驟：

1. 預處理： 篩除較大雜物，並以混凝、沉澱及過濾去除懸浮物與濁度。
2. 軟化： 以離子交換等方式去除鈣、鎂離子，降低硬度，避免鍋爐管壁結垢。
3. 除鹽： 依鍋爐壓力與水質要求，採用逆滲透、離子交換或其他除鹽方式，降低溶解鹽類。
4. 除氧與除氣： 以熱力除氧器等方式去除溶解氧及二氧化碳，降低腐蝕。
5. 化學調理： 控制給水與鍋爐水的 pH，並依水質使用適當的除氧劑、磷酸鹽等藥劑。
6. 鍋爐排污： 定期排出濃縮的鍋爐水，以控制溶解固體與雜質濃度；可視需要回收排污熱能。

解題技巧： 作答時分清楚「鍋爐外給水處理」與「鍋爐內水質調理」，並說明各步驟防止的問題，例如軟化防垢、除氧防蝕、排污控制濃縮。

核心觀念

本題考查甲醇製甲醛的化學計量、單程轉化率與未反應甲醇回流，以及反應產物流的吸收與精餾分離。

兩個反應式中，甲醇與甲醛的莫耳比皆為 $1:1$。單程轉化率定義為：

以下以福馬林中甲醛為 $37\%$ 質量分率、甲醛全數進入產品、未反應甲醇全數回收且無其他損失計算。

解題方法

（一）甲醇進料與回流量

福馬林產能為 $10\ \mathrm{T/h}$，其中甲醛產量為：

取分子量 $M_{\mathrm{HCHO}}=30.03\ \mathrm{kg/kmol}$、$M_{\mathrm{CH_3OH}}=32.04\ \mathrm{kg/kmol}$，甲醛莫耳產率為：

由反應化學計量，反應掉的甲醇為 $123.2\ \mathrm{kmol/h}$，質量流率為：

單程轉化率為 $85\%$，故反應器入口甲醇量為：

未反應的甲醇占反應器入口甲醇的 $15\%$，在完全回收假設下即為回流量：