114 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

本題考石油腦重組油中 C₈ 芳香烴異構物的分離。鄰二甲苯（o-xylene）、間二甲苯（m-xylene）、對二甲苯（p-xylene）與乙苯（ethylbenzene）的沸點相近，因此不能把四者都交由一般蒸餾塔有效分開；工業流程會依沸點、熔點及分子在吸附劑上的選擇性，搭配蒸餾、吸附或結晶分離。

各成分的沸點大致為：乙苯 $136.2^\circ\mathrm{C}$、對二甲苯 $138.4^\circ\mathrm{C}$、間二甲苯 $139.1^\circ\mathrm{C}$、鄰二甲苯 $144.4^\circ\mathrm{C}$。鄰二甲苯沸點明顯較高，可用蒸餾回收；其餘三者的沸點差距很小，單靠蒸餾分離困難、能耗也高。對二甲苯熔點較高，適合用低溫結晶回收；也可利用分子篩吸附法選擇性分離。

解題方法

1. 先蒸餾分出鄰二甲苯 利用鄰二甲苯沸點較高，將其作為塔底重組分取出；乙苯、間二甲苯及對二甲苯則主要留在塔頂餾出物中。蒸餾的切割需依實際純度規格設計。

核心觀念

電透析法與逆滲透法都可用於去除廢水中的溶解性無機物，例如鈉、鈣、鎂、氯離子、硫酸根及硝酸根；但兩者的分離驅動力不同：

• 電透析法（electrodialysis, ED）：利用電場與離子交換膜，使溶液中的陽、陰離子選擇性移動，將離子由淡水室移至濃縮室。
• 逆滲透法（reverse osmosis, RO）：施加高於溶液滲透壓的壓力，使水透過半透膜，而溶解鹽類被膜阻留，留在濃縮液側。

本題要說明的重點，是兩種方法如何依靠膜與不同驅動力，將溶解性無機物從水中分離。

解題方法

一、電透析法

電透析裝置由直流電源、陽離子交換膜、陰離子交換膜及交替排列的流道組成。陽離子交換膜允許陽離子通過，陰離子交換膜允許陰離子通過。

在直流電場作用下：

• 陽離子（如 $\mathrm{Na^+}$、$\mathrm{Ca^{2+}}$）移向陰極，並穿過陽離子交換膜。
• 陰離子（如 $\mathrm{Cl^-}$、$\mathrm{SO_4^{2-}}$）移向陽極，並穿過陰離子交換膜。
• 膜片交替排列，使離子從部分流道移出、進入相鄰流道；因此形成淡水室與濃縮室。
• 淡水室中的離子濃度降低，得到脫鹽水；濃縮室中的離子濃度升高，形成濃縮液，後續須依水質與排放需求處理。

例如，食鹽水中的 $\mathrm{Na^+}$ 穿過陽離子交換膜，$\mathrm{Cl^-}$ 穿過陰離子交換膜，兩者由淡水室移入濃縮室，淡水室因而降低鹽分。

電透析的主要驅動力是電位差。其耗電量與移除的離子量及離子電荷有關；水中離子越多，所需的電荷傳輸通常越大。電透析適合用於溶解鹽類濃度不高至中等、且希望回收部分淡水的水流；進水中的懸浮固體、有機物或易結垢成分則須適當前處理，以免膜面污染或結垢。

二、逆滲透法

半透膜可讓水分子透過，並對多數溶解鹽類及其他溶解性物質具有阻留作用。自然滲透時，水會由低溶質濃度側穿過膜流向高溶質濃度側，直到滲透壓差達到平衡。

核心觀念

COD（Chemical Oxygen Demand，化學需氧量）是水樣中可被化學氧化劑氧化的物質，換算成所消耗氧氣的質量濃度，通常以 $\mathrm{mg\ O_2/L}$ 表示。測量時常用重鉻酸鉀作氧化劑；結果反映水樣的化學氧化需求，不等同於水中有機物的實際總質量。

TOC（Total Organic Carbon，總有機碳量）是水樣中有機物所含碳的總量，以 $\mathrm{mg\ C/L}$ 表示。測定時將有機碳氧化成二氧化碳，再量測二氧化碳量並換算為碳濃度。

解題方法：COD 的量測

常用方法為重鉻酸鉀迴流法。先量取均勻水樣，加入已知且過量的重鉻酸鉀，並在硫酸酸性條件下加熱迴流，使樣品中可氧化物質消耗部分重鉻酸鉀。反應完成後，以硫酸亞鐵銨標準溶液滴定剩餘的重鉻酸鉀。另做試劑空白，以空白與樣品滴定所需硫酸亞鐵銨體積之差計算被水樣消耗的氧化劑量。

常加入硫酸銀作催化劑，以促進部分不易氧化有機物的氧化；水樣含氯離子時，氯離子也可能消耗重鉻酸鉀而造成正干擾，可依方法加入硫酸汞抑制。若採密閉迴流比色法，則以消化後重鉻酸根濃度的變化進行比色定量。

滴定法的 COD 計算式為：

其中，$A$ 為空白所耗硫酸亞鐵銨體積（mL），$B$ 為水樣所耗體積（mL），$N$ 為硫酸亞鐵銨當量濃度（eq/L），$V$ 為水樣體積（mL）。係數 $8000$ 來自氧的當量重 $8\ \mathrm{g/eq}$ 與單位換算。

核心觀念

ABS 是 丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（Acrylonitrile–Butadiene–Styrene）的縮寫，由三種單體經共聚製成。此題考查的是各單體在 ABS 中的主要性質貢獻；實際成品表現也會受單體比例、分子結構及製程影響。

解題方法

看到 ABS，可先依英文名稱拆解出三種單體，再逐一配對其典型功能：

核心觀念

本題考連續蒸餾的總物料衡算與甲醇成分衡算。穩定操作下，進料流率等於塔頂餾出物流率與塔底餾餘物流率之和；甲醇進料量也等於兩股產品中的甲醇量之和。

解題方法

設塔頂餾出物流率為 $D$ 公斤／小時，塔底餾餘物流率為 $B$ 公斤／小時。

總物料衡算：

以甲醇作成分衡算：

由總物料衡算得 $B=500-D$，代入甲醇衡算：

核心觀念

本題考查精餾塔的物料衡算、迴流比定義，以及冷凝器與再沸器的熱量衡算。以 $1\ \mathrm{kg}$ 進料為計算基準，並假設塔頂蒸氣完全冷凝，冷凝液分成迴流液與塔頂產品，兩者比焓皆為題目給定的 $-20\ \mathrm{Kcal/Kg}$。

解題方法

（一）每公斤進料可得的塔頂產物

令塔頂產品量為 $D$，塔底殘餘液量為 $B$，單位均為 $\mathrm{kg}$。總物料衡算為：

酒精物料衡算為：

代入 $B=1-D$：

因此：

（二）冷凝器每公斤進料移出的熱量

迴流比定義為 $R=L/D$，其中 $L$ 為迴流液量。因此：

塔頂蒸氣量為冷凝後的迴流液與塔頂產品總量：

以冷凝器為控制體，移出的熱量為進入蒸氣的焓減去離開冷凝器的液體焓：

代入 $h_V=160\ \mathrm{Kcal/Kg}$、$h_L=-20\ \mathrm{Kcal/Kg}$：