114 關務升官等考試簡任 技術類（選試化學程序工業研究） 化學程序工業研究 考古題詳解

（一）液化氯氣儲槽受熱的危險與防護

核心觀念

液化氯氣是加壓液化氣體。儲槽受火焰或高溫熱源加熱時，液體升溫、汽化，槽內壓力上升；同時，槽壁金屬在高溫下強度下降。若壓力超過容器承受能力，可能造成破裂，並引發沸騰液體膨脹蒸氣爆炸（BLEVE）。氯氣本身具有強烈毒性，逸散後形成的氣雲會造成嚴重吸入危害。

解題方法與危險現象

可從「槽內壓力升高、槽壁強度降低、毒性物質逸散」三個環節作答：

1. 壓力升高與洩壓：液氯受熱汽化，槽內壓力上升；安全閥可能排出氯氣，造成有毒氣體外洩。
2. 槽體破裂與 BLEVE：若槽壁受熱弱化、承壓能力下降，可能突然破裂。液氯瞬間降壓汽化，形成猛烈膨脹與衝擊波，並可能產生高速飛散的槽體碎片。
3. 毒性氣雲：液氯迅速汽化形成高濃度氯氣雲，氯氣比空氣重，容易沿低窪處及下風處擴散，造成呼吸道傷害、肺水腫甚至死亡。
4. 低溫灼傷與腐蝕：液氯洩漏時快速汽化會吸熱，接觸者有凍傷風險；氯氣遇水可形成具腐蝕性的酸性物質。

防護措施

• 立即通報消防與危害應變單位，隔離現場、管制人員進入，依風向將人員撤離至上風處或側風處，並特別注意低窪地區。
• 不可接近已被火焰包圍或已出現槽體變色、異常聲響、洩壓閥持續排放等徵兆的儲槽；由指揮官依現場狀況決定擴大撤離及防護範圍。
• 在安全距離外以大量水霧或水幕冷卻受熱槽體；避免將水直接射向氯氣洩漏點或安全閥，也不可讓水進入容器。
• 只有受過訓練、配戴正壓式空氣呼吸器及適當防護裝備的人員，才能在安全條件下處理洩漏、關閉閥件或進行堵漏。
• 應優先控制火源並冷卻槽體；若無法安全接近或控制，應撤離並讓應變人員在安全距離處置。

（二）LNG 與 LPG 槽車的結構及安全裝置差異

核心觀念

LNG 與 LPG 都以液態運輸，但兩者液化條件不同，因此槽車設計重點不同。LNG 是低溫冷凍液化氣體，槽車重點在保冷與控制熱漏入；LPG 通常是在常溫下加壓液化，槽車重點在承受較高壓力與防止過壓。

解題方法與比較

解題技巧

作答時先抓住「LNG＝低溫、雙層絕熱槽；LPG＝常溫加壓、厚壁壓力槽」這組主軸，再補上各自的安全裝置與事故危害。兩者都需要洩壓保護，但不能因此把槽體結構或主要設計目的寫成相同。

（三）BLEVE 發生後的主要危害與緊急應變

核心觀念

BLEVE 是「沸騰液體膨脹蒸氣爆炸」（Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion）。當受壓液化物容器突然破裂，內容物因壓力驟降而迅速沸騰、膨脹，造成爆炸性物理破壞。若內容物可燃，逸散後遇到火源，可能形成火球；BLEVE 本身不必然伴隨火球。

主要危害

核心觀念

非均相分離是將含有兩種以上相態、且相與相之間有界面的混合物分開，常見系統包括固體—液體、固體—氣體及互不相溶液體。其主要依據是分散相與連續相在粒徑、密度、沉降速度或通過多孔介質能力上的差異，通常以機械力或重力達成分離。

本題可列舉三種常見操作：過濾、重力沉降、離心分離。作答時應分別指出分離對象、驅動力及分離機制。

解題方法與原理

一、過濾（filtration）

適用於固體懸浮於流體中的系統，例如濾除反應液中的固體催化劑。使懸浮液通過濾布、濾網或多孔濾材，在壓力差作用下，流體穿過濾材成為濾液，固體顆粒則被截留於濾材表面或孔隙內，形成濾餅。

過濾的推動力為濾材兩側的壓力差；過濾速率會受壓差、流體黏度、濾材阻力與濾餅阻力影響。概念上可寫為：

濾餅逐漸增厚時，阻力增加，過濾速率通常會下降。

二、重力沉降（gravity settling／sedimentation）

適用於密度與流體不同的分散相，例如液體中懸浮的固體顆粒。靜置或讓混合物緩慢流經沉降槽時，較重的顆粒受重力作用向下沉降，較輕的流體留在上層；液—液系統中，密度較大的液相也會沉降至下層，形成相界面後可分層排出。

對於稀薄懸浮液中、呈球形且在層流條件下運動的小顆粒，終端沉降速度可用 Stokes 定律表示：

核心觀念

本題考查陶瓷材料的高科技應用，以及其相較金屬材料的性能優勢。陶瓷通常指以無機非金屬化合物為主，經成形與高溫燒結製成的材料；高科技陶瓷的組成與製程可經設計調整，以符合電機、電子、能源、化工及航太等用途。

答題時，第一小題應以「應用領域＋代表材料或元件＋功能」舉出三例；第二小題則應把陶瓷的材料特性連結到電子或航太環境需求，同時說明陶瓷並非在所有情況下都優於金屬。

解題方法

(一) 陶瓷在現代高科技產業的三項重要應用

1. 電子與半導體元件 氧化鋁、氧化鋯等陶瓷可作為電路基板、封裝材料及絕緣零件，提供電氣絕緣、耐熱與尺寸穩定性。鈦酸鋇等鐵電陶瓷具有高介電常數，可用於多層陶瓷電容器；壓電陶瓷則可用於感測器、致動器及超音波元件。

2. 航太與高溫熱防護 氧化物纖維、碳化矽及氮化矽等陶瓷，可用於隔熱瓦、熱障塗層、燃燒室零件及高溫結構元件。其耐高溫、耐氧化及低熱傳導特性，有助於保護結構並降低冷卻需求。

3. 能源與化工製程 固態氧化物燃料電池使用氧離子導電陶瓷作為電解質；陶瓷膜可用於氣體分離、過濾及高溫反應；耐腐蝕陶瓷也可製成泵浦、閥件、管線內襯或反應器零件，以延長設備在腐蝕性環境中的使用壽命。

(二) 陶瓷為何能取代部分電子或航太用金屬材料

陶瓷的離子鍵或共價鍵結通常較強，且多數陶瓷具有高硬度、高熔點及良好的化學穩定性，因此在特定環境下可補足金屬材料的限制：

核心觀念

電鍍廢水的處理重點，是依污染物的化學形態與反應特性分流處理，再以化學沉澱、固液分離及必要的深度處理，降低重金屬濃度。不能只將所有廢水混合後調整 pH：六價鉻具有氧化性，氰化物會形成金屬錯合物，兩者都可能妨礙一般氫氧化物沉澱，並增加毒性或操作風險。

法規方面，以命題當年（民國 114 年）法規為準。《水污染防治法》第 7 條要求事業放流水符合放流水標準；依當時《放流水標準》第 2 條，電鍍業適用附表五。若排入公告之應特予保護農地水體的總量管制區內特定承受水體，相關重金屬另須符合附表十六；地方主管機關另訂或加嚴標準者，也應一併遵守。該標準於民國 113 年 12 月 18 日修正，民國 114 年解題應採修正後規定。

解題方法與處理流程

設計時先調查各製程槽液與排水的水量、水質及變動情形，至少確認酸鹼度、懸浮固體、主要重金屬（例如鉻、鎳、銅、鋅、鉛、鎘）、六價鉻、氰化物、螯合劑及有機物。依水質將排水分為含六價鉻水、含氰水、一般含金屬水及低污染水等系統，避免不相容廢水混流，並保留高濃度槽液與清洗水回收的可能。

建議流程如下：

製程減量與分流 → 調勻均質 → 特殊污染物前處理 → 金屬沉澱 → 混凝絮凝 → 沉澱固液分離 → 過濾或深度處理 → 放流監測

1. 源頭減量與分流回收 優先採用逆流清洗、延長滴流時間及槽液回收，減少金屬帶出量與廢水量。高濃度廢液應回收或另行處理，不宜直接稀釋後併入處理系統。

2. 調勻與均質 以調勻池均化水量及污染負荷，降低批次排水對後續藥劑控制的衝擊。設攪拌、pH 及必要的流量監測，並預留異常水收集或截流設施。

3. 六價鉻還原 含六價鉻廢水先獨立處理，在酸性條件下加入焦亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉或硫酸亞鐵等還原劑，使六價鉻還原為較易沉澱的三價鉻。反應式可表示為：

$\mathrm{Cr_2O_7^{2-}+6Fe^{2+}+14H^+\rightarrow 2Cr^{3+}+6Fe^{3+}+7H_2O}$

還原完成後應確認六價鉻已充分轉化，再將水送往金屬沉澱程序；不能以總鉻去除的結果取代六價鉻轉化確認。

4. 含氰廢水破氰 含氰水另設破氰程序，依水質與設備條件使用鹼性氧化法等方式，使氰化物轉化為低毒性物質；確認破氰完成後，再併入後續金屬沉澱。含氰水不可與酸性廢水混合，以免產生有毒氰化氫氣體。若廢水含有會強烈錯合金屬的螯合劑，也須評估專門破壞錯合或改採適當的沉澱、吸附或離子交換處理。

5. pH 調整與金屬沉澱 依主要金屬種類及實際水質試驗，選擇適當 pH 範圍並加入鹼劑，使金屬離子形成難溶氫氧化物：

$\mathrm{M^{2+}+2OH^-\rightarrow M(OH)_2(s)}$

核心觀念

本題考查電子級化學品的品質要求、晶圓進入光刻前的表面清洗、光阻的光化學反應，以及濕蝕刻與乾蝕刻的製程特性。作答時應由「製程目的、反應原理、適用特性」逐項比較，並點出污染或製程控制如何影響元件良率。

解題方法

各小題可依下列順序組織：先說明目的，再說明作用機制，最後列出品質或製程特性。RCA 清洗要交代 SC-1 與 SC-2 的清洗對象及化學作用；光阻則要區分正型與負型；蝕刻比較則抓住反應介質、方向性、解析度與材料選擇性。

（一）電子級化學品與一般工業級化學品的主要差異

電子級化學品是供半導體、平面顯示器等電子製程使用的高純度化學品。與一般工業級化學品相比，主要差異在於純度與污染控制要求更嚴格，尤其需限制會影響元件性能與良率的痕量金屬、微粒、水分、有機物及陰離子等雜質。

電子製程中的污染可能造成閘極介電層缺陷、漏電、短路、晶圓表面刮傷或微影圖形缺陷。因此電子級化學品除要求主成分純度高，還需管制特定雜質的種類與濃度，並重視批次一致性、分析方法、製造設備潔淨度、包裝材料、儲存及運輸過程中的污染控制。

一般工業級化學品通常以主成分含量及一般用途規格為主，對痕量污染物及微粒的限制較寬。故電子級與工業級的區別不只是「純度數字較高」，而是對雜質組成、微粒數、批次穩定性及全程潔淨管理均有更嚴格規範。

（二）晶圓光刻前清洗與 RCA 清洗原理

**清洗目的：**光刻前若晶圓表面留有有機物、金屬離子、微粒或自然氧化層，會妨礙光阻均勻塗佈與附著，造成針孔、圖形變形、局部曝光或缺陷，進而降低製程良率。清洗可移除這些污染物，並使表面狀態適合後續塗佈光阻。

**RCA 清洗原理：**RCA 清洗以不同化學液依序去除不同類型污染物，典型流程包含下列步驟：

1. SC-1（標準清洗液一）：通常由氨水、過氧化氫與去離子水組成，即 $NH_4OH/H_2O_2/H_2O$。過氧化氫氧化有機污染物；氨水提供鹼性環境，並有助於鬆動、移除微粒。氧化作用也會在矽表面形成薄氧化層，利於污染物脫附。
2. SC-2（標準清洗液二）：通常由鹽酸、過氧化氫與去離子水組成，即 $HCl/H_2O_2/H_2O$。過氧化氫提供氧化條件；鹽酸使金屬污染物形成可溶性氯化物或離子型物種，便於溶入清洗液並移除。
3. 去離子水沖洗與乾燥：沖掉殘留藥液及溶解的污染物，避免化學液乾燥後留下殘渣。