113 年 國立成功大學環境醫學研究所甲組《作業環境測定》

本題主要在探討兩種基本的作業環境採樣策略：區域採樣（Area sampling）與個人採樣（Personal sampling），並要求說明其目的。

核心觀念： 作業環境採樣策略的選擇取決於評估的目標。區域採樣用於評估特定空間的污染物濃度，而個人採樣則用於評估勞工實際暴露的劑量。

(1) 區域（或靜態）採樣 (Area (or static) sampling)

• 說明： 區域採樣是指將採樣儀器固定在工作場所的特定地點，以測量該區域的空氣中污染物濃度。採樣點通常選擇在勞工可能停留或進行作業的區域，例如靠近污染源、勞工呼吸帶附近（但非直接固定在勞工身上）、或一般工作區域。
• 目的：
  • 評估空間污染物分布： 了解污染物在工作場所不同區域的濃度差異，有助於識別高污染區域。
  • 評估一般暴露水準： 獲取工作場所整體或特定區域的平均污染物濃度，用於與環境空氣品質標準或職業暴露限值進行比較。
  • 監測污染源排放： 評估污染源的排放情況及其對周圍環境的影響。
  • 評估通風或控制措施的有效性： 透過在不同地點採樣，可以評估通風系統或工程控制措施是否能有效降低特定區域的污染物濃度。
  • 作為個人採樣的補充： 在某些情況下，區域採樣可以作為個人採樣的補充，提供更全面的暴露評估。

(2) 個人採樣 (Personal sampling)

本題要求針對煤塵暴露的勞工，設計個人採樣方法，並說明其必要性。

核心觀念： 針對固體顆粒物（如煤塵）進行個人採樣，需要考慮採樣介質的選擇、採樣參數的設定，以及為何必須採用個人採樣。

設計採樣方法：

1. 採樣介質 (Sampling Medium)：

   • 選擇： 應選用濾膜 (filter paper)，特別是玻璃纖維濾膜 (glass fiber filter, GFF) 或聚碳酸酯濾膜 (polycarbonate filter, PC filter)。玻璃纖維濾膜常用於測量總粉塵或可呼吸性粉塵，其耐溫性較好，適合高流量採樣。聚碳酸酯濾膜則適合用於掃描電子顯微鏡 (SEM) 分析，但耐溫性較差。
   • 孔徑 (Pore Size)： 根據需要測量的粉塵粒徑範圍選擇。
     • 總粉塵 (Total Dust)： 通常使用孔徑約 3.0 µm 至 5.0 µm 的濾膜。
     • 可呼吸性粉塵 (Respirable Dust)： 需使用依據特定標準（如 ACGIH 或 OSHA 標準）設計的粒徑選別頭（如 10 mm Dorr-Oliver 粒徑選別頭）配合適當孔徑的濾膜（通常 3.0 µm 或 5.0 µm）。煤塵通常關注的是可呼吸性粉塵，因為它們能深入肺部造成危害。
   • 預處理： 採樣前，濾膜需進行乾燥、稱重（若需進行 gravimetric analysis，即重量分析）和記錄。

2. 採樣儀器 (Sampling Equipment)：

   • 採樣泵 (Sampling Pump)： 需使用可攜式、恆流式 (constant flow) 的採樣泵。恆流式採樣泵能確保在採樣過程中流量維持穩定，即使濾膜上的粉塵累積導致阻力增加。
   • 流量校正器 (Flow Calibrator)： 採樣泵的流量必須在採樣前和採樣後使用經校正的流量校正器（如數位流量計或浮子流量計）進行校準，以確保測量結果的準確性。
   • 採樣管 (Sampling Tube/Holder)： 用於固定濾膜，並連接採樣泵。對於可呼吸性粉塵，則需加上粒徑選別頭。

3. 採樣參數設定：

   • 採樣流量 (Sampling Flow Rate)：
     • 總粉塵： 通常設定在 1.0 至 4.0 升/分鐘 (LPM)。
     • 可呼吸性粉塵： 使用粒徑選別頭時，通常流量設定為 1.0 至 4.2 LPM，具體取決於粒徑選別頭的設計。
   • 採樣體積 (Sampling Volume)： 根據預計的粉塵濃度和採樣流量計算，目標是使濾膜上的粉塵量不會過多（以免影響稱重或造成堵塞），同時又能獲得足夠的代表性樣本。通常目標是採樣量在 200 至 1000 升之間。
   • 採樣時間 (Sampling Time)： 應涵蓋勞工的典型作業班次（如 8 小時），以獲取班次平均暴露濃度。

4. 採樣步驟：

   • 準備： 挑選合格的濾膜，進行預處理（乾燥、稱重、記錄初重）。將濾膜正確安裝到濾膜夾或採樣頭中。
   • 校準： 在採樣前，使用流量校正器校準採樣泵的流量。
   • 佩戴： 將採樣泵和採樣頭（若有粒徑選別頭）佩戴在勞工身上，採樣頭置於其呼吸帶。
   • 採樣： 啟動採樣泵，記錄開始時間、採樣流量和環境溫度/壓力（若需進行流量校正）。
   • 結束： 採樣結束時，記錄結束時間，關閉採樣泵。
   • 再次校準： 採樣結束後，再次使用流量校正器校準採樣泵的流量。
   • 後處理： 小心地取下濾膜，放入乾淨的容器中，送回實驗室進行後處理（乾燥、稱重、記錄終重）。

5. 計算：

   • 平均濃度 (Average Concentration)： $$C = \frac{(W_f - W_i) \times 1000}{V_{std}}$$ 其中：

本題考驗對於有機溶劑（以丙酮為例）採樣時，應選擇何種吸附管（Sorbent Tube）的知識。

核心觀念： 有機溶劑的採樣通常使用吸附管，吸附管的材質和種類需要根據待測物（如丙酮）的化學性質、濃度範圍、採樣時間以及後續分析方法來選擇。

丙酮 (Acetone) 的特性：
丙酮 (CH₃COCH₃) 是一種極性有機溶劑，沸點約為 56°C，與水互溶。在環境監測中，它常被用於清潔劑、稀釋劑或作為化學反應的溶劑。

吸附管的選擇原則：

1. 吸附能力： 吸附劑必須能有效吸附目標污染物（丙酮），且吸附容量足夠大，以便在預定的採樣時間內能完全捕捉污染物，避免樣品穿透 (breakthrough)。
2. 選擇性： 對目標污染物有較高的吸附選擇性，對環境中可能存在的其他物質干擾較小。
3. 化學穩定性： 吸附劑本身應穩定，不與目標污染物發生化學反應。
4. 解析效率： 採樣後，目標污染物能被高效地從吸附劑中解析出來，以便進行分析（通常使用氣相層析儀 GC）。
5. 適用性： 適合用於現場採樣，易於攜帶、操作。

常見的吸附管類型與適用性：

對於極性有機溶劑如丙酮，常用以下幾種吸附劑：

1. 活性炭 (Activated Charcoal)：

   • 說明： 最常用的有機溶劑吸附劑之一，具有極大的比表面積和豐富的微孔結構，對許多有機物有較好的吸附能力。
   • 適用性： 對於丙酮具有一定的吸附能力。然而，活性炭對極性化合物的吸附力通常不如非極性化合物。
   • 優點： 價格便宜、易於取得、吸附容量大。
   • 缺點： 對於低分子量的極性有機物（如丙酮）吸附效率可能不如其他特殊吸附劑，且可能受濕度影響較大。解析時需要較高的溫度或使用二硫化碳 (CS₂) 等溶劑。

2. 活性氧化鋁 (Activated Alumina)：

   • 說明： 具有酸性或鹼性的表面，對極性化合物有較好的吸附能力。
   • 適用性： 對於丙酮這類極性化合物，活性氧化鋁可能比活性炭有更好的吸附效果。
   • 優點： 對極性物質吸附效果較好。
   • 缺點： 可能會吸附空氣中的水分，影響吸附效率。

3. 矽膠 (Silica Gel)：

   • 說明： 具有強極性表面，常用於吸附低分子量、高極性的化合物。
   • 適用性： 對於丙酮這類低分子量、極性溶劑，矽膠通常是個不錯的選擇。
   • 優點： 對極性化合物吸附能力強，尤其適合低沸點、高極性的物質。
   • 缺點： 吸附容量相對較小，且易受濕度影響。

4. 分子篩 (Molecular Sieves)：

   • 說明： 具有均一的孔徑，依據分子大小進行分離和吸附。
   • 適用性： 對於特定大小的分子有效，但對於丙酮，可能不是首選。

5. Porapak 系列 (如 Porapak Q, Porapak R, Porapak S)：

   • 說明： 聚合物吸附劑，具有不同的極性和孔徑，對廣泛的有機物有較好的吸附能力。Porapak Q 是極性較強的聚合物，對極性化合物有較好的效果。
   • 適用性： Porapak Q 或類似的極性聚合物吸附劑，對丙酮這類極性溶劑表現良好。
   • 優點： 適用範圍廣，穩定性好，易於解析。

6. Tenax TA / Tenax GR：

   • 說明： 聚合物吸附劑，對許多有機物有良好的吸附能力，且熱穩定性高，適合 GC-FID 或 GC-MS 分析。
   • 適用性： 對丙酮也有一定的吸附能力。

針對丙酮（Acetone）的選擇：

考量到丙酮是低分子量的極性有機溶劑，且可能以蒸氣形式存在於工作環境中，一般會優先考慮：

本題考驗對「相似暴露群組」(Similar Exposure Group, SEG) 的概念、建立方法與可行性評估的理解。

核心觀念： SEG 是職業衛生中用來簡化和優化暴露評估的一種分組方法，旨在將具有相似暴露特徵的勞工歸為一組，以便更有效地進行採樣、評估和管理。

(1) 相似暴露群組 (Similar Exposure Group, SEG) 是什麼？

相似暴露群組 (SEG) 是指一群在工作場所中，由於從事相似的工作任務、使用相似的製程或設備、暴露於相似的污染物種類和濃度，且具有相似暴露模式（如暴露時間、頻率）的勞工。
簡單來說，SEG 是一個「同質性」的勞工群體，他們在某種特定污染物上的暴露水準預期是相似的。

SEG 的主要目的：

• 提高採樣效率： 減少採樣數量，將有限的採樣資源集中在代表性的群體上。
• 簡化暴露評估： 透過對 SEG 進行採樣和評估，可以推斷整個群組的暴露狀況，而無需對群組中的每一位勞工都進行採樣。
• 優化風險管理： 針對 SEG 制定更精確的風險評估和控制策略。

(2) 如何建立 SEG？

建立 SEG 的過程是一個系統性的評估，通常涉及以下步驟：

1. 定義評估目標： 首先要明確本次暴露評估的目的是什麼？是要評估特定污染物（如粉塵、有機溶劑）的暴露，還是評估所有可能的健康危害？
2. 識別潛在的暴露來源和污染物： 了解工作場所的製程、使用的化學品、產生的物理因子（如噪音、輻射）等，確定可能導致勞工暴露的因素。
3. 初步劃分勞工群組： 根據工作部門、班別、作業內容、使用設備、工作區域等基本資訊，將勞工進行初步分組。
4. 收集初步暴露資訊： 透過以下方式收集資訊，以評估這些初步群組的暴露相似性：
   • 工作任務分析 (Task Analysis)： 觀察或訪談勞工，了解他們在不同任務中與潛在暴露源的接觸情況。
   • 製程資訊： 了解生產過程、使用的化學品、操作條件（溫度、壓力、通風情況）。
   • 現有監測數據： 參考過去的作業環境測定數據、健康檢查數據、事故報告等。
   • 專家判斷： 諮詢職業衛生師、工程師、主管的意見。
5. 評估相似性： 根據收集的資訊，評估不同勞工群組在以下方面的相似性：
   • 污染物種類和性質： 是否暴露於相同的污染物？
   • 污染物濃度範圍： 預期污染物濃度是否相似？
   • 暴露途徑： 主要的暴露途徑（吸入、皮膚接觸）是否相同？
   • 暴露模式： 暴露的時間長度、頻率、工作班次是否相似？
   • 工作任務和操作： 是否執行相似的工作任務，操作相似的設備？
   • 地理位置/工作區域： 是否在相似的環境區域工作？
   • 通風和控制措施： 是否受到相似的通風系統或工程控制措施的影響？
6. 定義和確認 SEG： 將具有高度相似暴露特徵的勞工群組確認為一個 SEG。每個 SEG 都應有明確的定義，包括其成員（例如，某部門的某班次操作某種機台的勞工）、暴露的物質、預期的暴露水準範圍等。
7. 確定採樣策略： 對於每個 SEG，決定採樣策略，例如需要採樣的勞工人數（通常根據統計學原理確定，例如使用一個或幾個代表性樣本）。

(3) 如何檢查一個已建立的 SEG 的可行性？

在建立 SEG 後，需要定期或在必要時評估其可行性，確保其持續有效。可行性檢查主要關注 SEG 的「同質性」是否依然存在。檢查方法包括：

本題旨在探討氣膠採樣中，採樣口風速與環境氣流風速的相對關係，即等速採樣、低於等速採樣與高於等速採樣，以及它們對採樣結果的影響。

核心觀念： 氣膠採樣的準確性很大程度上取決於採樣口能否代表性地捕捉到環境中的氣膠顆粒。當採樣口風速與環境氣流風速不一致時，會產生慣性效應，導致採樣效率（sampling efficiency）偏離 100%，進而影響採樣結果的準確性。

(1) 等速採樣 (Isokinetic sampling)

• 定義： 等速採樣是指採樣口（採樣頭或採樣管的開口）的平均風速（$v_p$）與周圍的氣流風速（$v_a$）相等，且方向一致。 $$v_p = v_a$$
• 原理與效果： 在等速採樣的條件下，氣膠顆粒進入採樣口的氣流路徑與未受干擾的自由氣流路徑基本相同。由於顆粒的慣性與氣流的慣性大致相同，顆粒會隨著氣流一起進入採樣口，而不是因慣性而偏離。因此，採樣口捕捉到的氣膠濃度能夠準確地代表環境中的氣膠濃度。
• 對採樣結果的影響：
  • 最高準確性： 等速採樣是採集氣膠顆粒最準確的方法，能夠獲得代表環境真實濃度的樣品。
  • 適用性： 適用於所有粒徑的氣膠顆粒，特別是對於較大粒徑、慣性較大的顆粒，其準確性尤為重要。
  • 要求： 現場需要能夠測量環境氣流風速，並能調節採樣泵的流量，以使採樣口風速與環境風速保持一致。這在煙囪排放採樣中尤為關鍵。

(2) 低於等速採樣 (Sub-isokinetic sampling)

• 定義： 低於等速採樣是指採樣口風速 ($v_p$) 小於周圍的氣流風速 ($v_a$)。 $$v_p < v_a$$
• 原理與效果： 當採樣口風速低於環境風速時，進入採樣口的氣流速度較慢。較大的氣膠顆粒由於慣性較大，在接近採樣口時，傾向於沿原來的軌跡運動，未能完全跟隨較慢的採樣氣流進入採樣口。它們可能會「飛過」採樣口，或沉降到採樣口下方。
• 對採樣結果的影響：
  • 低估顆粒物濃度： 由於較大顆粒的採樣效率降低，採樣結果會低估環境中氣膠的實際濃度，尤其會低估較大粒徑顆粒的濃度。
  • 粒徑偏差： 採樣的氣膠顆粒中，較小顆粒的比例會相對增加，因為它們的慣性小，更容易跟隨採樣氣流進入採樣口。
  • 用途： 僅在某些特定情況下使用，例如當無法達到等速採樣條件，且主要關心較小粒徑顆粒的暴露時。但通常不被推薦用於準確的濃度測定。

(3) 高於等速採樣 (Super-isokinetic sampling)