115 年 國立成功大學環境工程學系碩士班乙組《環境工程概論》

本題為名詞解釋題，旨在評量考生對環境工程基本概念的理解程度。

(1) 膠體之電動雙層 (Colloid's electric double layer)
膠體粒子在水中會吸附帶電離子，形成一個帶電的表面。為了平衡此表面電荷，周圍的水中會聚集反離子，形成一個離子層。此帶電表面與反離子層共同構成電動雙層。電動雙層的存在是影響膠體穩定性（例如：混凝沈澱）的重要因素。

【答案】膠體粒子表面所帶電荷，以及其周圍水體中反離子所形成的離子層，兩者共同組成的結構。

(2) 逆滲透 (Reverse osmosis, RO)
逆滲透是一種利用半透膜，在施加壓力下，將溶劑（通常是水）從高濃度溶液側分離到低濃度溶液側的過程。此過程與自然滲透方向相反，故名之。逆滲透主要用於水的淨化，如海水淡化、飲用水製造等。

【答案】利用半透膜，在壓力差驅動下，使溶劑（水）由高濃度溶液側穿過膜，到達低濃度溶液側的單向分離過程。

本題考驗考生對自來水供水工程之基本知識，包含飲用水水質標準及淨水處理流程。

(1) 台灣飲用水水質標準分類與項目
台灣的飲用水水質標準主要依據「飲用水水質標準」公告，通常可分為三類：物理性、化學性及微生物性。以下為各類別至少兩項子項目及其單位：

• 物理性指標 (Physical Parameters)

  • 色度 (Color)：單位為 度 (degrees) 或 Pt-Co (Platinum-Cobalt unit)。
  • 濁度 (Turbidity)：單位為 NTU (Nephelometric Turbidity Unit)。
  • 總溶解固體 (Total Dissolved Solids, TDS)：單位為 mg/L。

• 化學性指標 (Chemical Parameters)

  • pH 值：無單位 (表示氫離子濃度指數)。
  • 總硬度 (Total Hardness)：單位為 mg/L (以 CaCO3 計)。
  • 砷 (Arsenic, As)：單位為 mg/L。
  • 鉛 (Lead, Pb)：單位為 mg/L。
  • 總三鹵甲烷 (Total Trihalomethanes, THMs)：單位為 mg/L。

• 微生物性指標 (Microbiological Parameters)

  • 大腸桿菌群 (Coliform Group)：單位為 MPN/100 mL (Most Probable Number per 100 mL) 或 cfu/100 mL (colony forming units per 100 mL)。
  • 總菌落數 (Total Plate Count, TPC)：單位為 cfu/mL。

【答案】物理性：色度 (度)、濁度 (NTU)；化學性：pH 值、總硬度 (mg/L as CaCO3)；微生物性：大腸桿菌群 (MPN/100 mL)、總菌落數 (cfu/mL)。 (以上為例，實際答題可列出其他符合標準的項目)

本題主要考驗考生對廢水處理技術的掌握，特別是針對特定污染物（六價鉻、氰化物）的處理方法，以及混凝膠凝的原理與機制。

(1) 含六價鉻 (Cr⁶⁺) 與氰化物 (CN^-) 廢水之處理
處理同時含有六價鉻和氰化物的廢水，需要採取分階段（staged treatment）的策略，因為這兩種污染物有不同的處理方式，且處理過程中可能產生交互影響。常見的處理流程如下：

• 階段一：氰化物處理 (Cyanide Treatment)

  • 目的：將劇毒的氰化物轉化為毒性較低的物質。
  • 方法：
    • 鹼性氯消毒法 (Alkaline Chlorination)：這是最常用的方法。在鹼性條件（pH > 10）下，通入氯氣 (Cl₂) 或次氯酸鈉 (NaClO)。氰化物會先被氧化成氰酸鹽 (OCN^-)，進一步在足夠的氯量和反應時間下，氰酸鹽會被氧化成二氧化碳 (CO₂) 和氮氣 (N₂)。
      $2CN^- + 2Cl_2 + 4OH^- \rightarrow 2OCN^- + 4Cl^- + 2H_2O$
      $2OCN^- + 3Cl_2 + 4H_2O \rightarrow N_2 + 2HCO_3^- + 6Cl^- + 6H^+$
      （總反應可簡化為：$CN^- + 2ClO^- \rightarrow CO_2 + N_2 + 2Cl^-$）
    • 其他方法：包括臭氧氧化、過氧化氫氧化、二氧化氯氧化、生物處理等，但鹼性氯消毒法仍是主流。
  • 注意事項：pH 值需控制在足夠高的範圍，以避免產生劇毒的氰化氫氣體 (HCN)。

• 階段二：六價鉻處理 (Hexavalent Chromium Treatment)

  • 目的：將毒性較高的六價鉻 (Cr⁶⁺) 還原為毒性較低的二價鉻 (Cr²⁺) 或三價

本題涵蓋空氣品質與氣候變遷兩個重要領域，分別考驗考生對對流層臭氧生成機制與碳足跡盤查標準的理解。

(1) 對流層臭氧 (Tropospheric O₃) 的生成途徑、環境條件與前驅物要求

對流層臭氧（Ground-level ozone）是一種有害的二次污染物，其生成是一個複雜的光化學反應過程，主要涉及氮氧化物 (NOx) 和揮發性有機物 (VOCs) 在陽光照射下發生反應。

• 生成途徑 (Formation Pathways)：
  對流層臭氧的生成是一個連鎖反應，其核心機制是自由基 (Radicals) 的循環。
  1. 初始反應：在陽光照射下，一些前驅物會分解產生自由基。例如，甲醛 (HCHO) 或其他醛類在光照下分解產生甲醯自由基 (HCO•)。
  2. 自由基與氧化物反應：甲醯自由基 (HCO•) 會與氧氣 (O₂) 反應，生成過氧甲醯自由基 (HCOO•)。
     $HCO• + O_2 \rightarrow HCOO•$
  3. NO 的氧化：過氧甲醯自由基 (HCOO•) 會與一氧化氮 (NO) 反應，生成二氧化碳 (CO₂) 和另一個自由基：羥基自由基 (•OH)。
     $HCOO• + NO \rightarrow CO_2 + •OH$
     羥基自由基 (•OH) 是關鍵的「氧化劑」，它能與幾乎所有在大氣中存在的污染物發生反應，啟動連鎖反應。
  4. VOCs 的氧化：•OH 自由基會與揮發性有機物 (VOCs) 反應，生成過氧自由基 (RO₂•)。
     $VOC + •OH \rightarrow RO_2•$
  5. 過氧自由基與 NO 的反應：過氧自由基 (RO₂•) 會與一氧化氮 (NO) 反應，生成臭氧 (O₃) 和另一氧化氮物種。
     $RO_2• + NO \rightarrow O_3 + ROH$
     （其中 ROH 是醇類或其他含氧有機物）
  6. NOx 的循環：在上述過程中，NO 被氧化成二氧化氮 (NO₂)。二氧化氮在陽光下會分解，再生產一氧化氮 (NO) 和單原子氧 (O)。
     $NO_2 + h\nu \rightarrow NO + O$
     這個產生的單原子氧 (O) 會立即與氧氣 (O₂) 反應生成臭氧 (O₃)。
     $O + O_2 + M \rightarrow O_3 + M$

本題考驗考生對空氣污染控制技術的認識，特別是粒狀污染物過濾的機制，以及不同粒徑粒子在過濾過程中的難易度。

(1) 粒狀污染物過濾的五種機制
過濾（Filtration）是利用濾材（如濾布、濾網）來捕捉空氣中的粒狀污染物。主要的捕捉機制有以下五種：

1. 慣性碰撞 (Inertial Impaction)：
   較大的粒子，由於其質量較大，當氣流繞過濾材纖維時，粒子因慣性而無法隨氣流彎曲，直接撞擊並附著在纖維表面上。此機制對於粒徑較大（通常 > 1 µm）的粒子效果顯著。

2. 攔截 (Interception)：
   當粒子在氣流中移動，其軌跡非常接近濾材纖維的邊緣，但粒子本身並未直接撞擊。如果粒子的半徑大於粒子與纖維之間的距離，則粒子會接觸到纖維並被捕捉。此機制對於粒徑稍小於慣性碰撞所需的粒子（約 0.1 - 1 µm）有效。

核心觀念

本題以 1 kg 濕基廢棄物為計算基準，考查：

1. 元素完全燃燒所需的理論氧量與理論空氣量。
2. 過量空氣造成的剩餘氧氣量。
3. 乾式煙氣組成與 $\mathrm{SO_2}$ 體積濃度。
4. 以氧氣含量修正污染物濃度：

$$C_{\text{corr}} = C_{\text{meas}} \frac{21-O_{2,\text{ref}}} {21-O_{2,\text{meas}}}$$

本題以乾基煙氣計算，並假設：

• 碳完全生成 $\mathrm{CO_2}$
• 硫完全生成 $\mathrm{SO_2}$
• 氯生成 $\mathrm{HCl}$
• 氫優先與氯生成 $\mathrm{HCl}$，其餘生成 $\mathrm{H_2O}$
• 空氣含 $\mathrm{O_2}$ 與 $\mathrm{N_2}$，體積比為 $21:79$

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解題方法

以 $1\ \mathrm{kg}$ 廢棄物為基準，先將各元素質量換算為 kmol。

1. 各元素莫耳數

$n_C=\frac{0.50}{12}=0.041667\ \mathrm{kmol}$

$n_H=\frac{0.06}{1}=0.060000\ \mathrm{kmol\ H\ atoms}$

$n_O=\frac{0.20}{16}=0.012500\ \mathrm{kmol\ O\ atoms}$

$n_N=\frac{0.01}{14}=0.000714\ \mathrm{kmol}$

$n_S=\frac{0.02}{32}=0.000625\ \mathrm{kmol}$

$n_{Cl}=\frac{0.01}{35.45}=0.000282\ \mathrm{kmol}$

灰分與水分不消耗燃燒氧氣，但水分會進入濕煙氣。

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（1）理論空氣需求量

氧氣需求量

碳生成二氧化碳所需氧氣：

$n_{O_2,C}=n_C=0.041667\ \mathrm{kmol}$

氯生成氯化氫：

$n_{\mathrm{HCl}}=n_{Cl}=0.000282\ \mathrm{kmol}$

剩餘氫原子生成水：

$$n_{\mathrm{H_2O,fuel}} = \frac{0.060000-0.000282}{2} = 0.029859\ \mathrm{kmol}$$

硫生成二氧化硫所需氧氣：

$n_{O_2,S}=n_S=0.000625\ \mathrm{kmol}$

燃料中氧可折抵氧氣需求量：

$$n_{O_2,\text{fuel O}} = \frac{0.012500}{2} = 0.006250\ \mathrm{kmol}$$

因此，理論氧氣需求量為：

$$\begin{aligned} n_{O_2,\text{th}} &= n_C+n_{O_2,S} +\frac{0.060000-0.000282}{4} -\frac{n_O}{2} \\ &= 0.041667+0.000625 +\frac{0.059718}{4} -0.006250 \\ &= 0.050971\ \mathrm{kmol} \end{aligned}$$

上式若以氫原子與氯原子分別處理，應注意氯生成 $\mathrm{HCl}$ 不需要氧氣；等價寫法為：

$$n_{O_2,\text{th}} = n_C+n_S+\frac{H-Cl}{4}-\frac{O}{2}$$

代入：

$$n_{O_2,\text{th}} = 0.041667+0.000625 +\frac{0.060000-0.000282}{4} -0.006250 = 0.050971\ \mathrm{kmol}$$

理論空氣量

空氣中氧氣莫耳分率為 $0.21$：

$$n_{\text{air,th}} = \frac{0.050971}{0.21} = 0.24272\ \mathrm{kmol}$$

採用正常狀態莫耳體積 $22.414\ \mathrm{Nm^3/kmol}$：

$$V_{\text{air,th}} = 0.24272\times22.414 = 5.44\ \mathrm{Nm^3}$$

因此：

$$\boxed{ V_{\text{air,th}} \approx 5.44\ \mathrm{Nm^3/kg\!-\!waste} }$$

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（2）修正至 11% 氧氣之 $\mathrm{SO_2}$ 濃度