114 年 國立成功大學環境醫學研究所甲組在職生《工業衛生》

核心觀念

本題考查兩個重點：

1. 以元素守恆配平丙烷完全燃燒反應。
2. 利用理論燃燒濃度 $C_{st}$，再代入燃燒下限公式：

$$LEL=0.55\times C_{st}$$

其中 $C_{st}$ 是燃料在「燃料與空氣恰好完全反應」之混合氣中的體積百分濃度。對氣體而言，在相同溫度與壓力下，莫耳比等於體積比。

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一、丙烷完全燃燒方程式

丙烷分子式為 $C_3H_8$，完全燃燒產物為二氧化碳與水：

$$C_3H_8+O_2\rightarrow CO_2+H_2O$$

依元素守恆配平：

• 碳：左側有 3 個碳原子，因此生成 $3CO_2$。
• 氫：左側有 8 個氫原子，因此生成 $4H_2O$。
• 氧：右側共有 $3\times2+4\times1=10$ 個氧原子，因此需要 $5O_2$。

所以完全燃燒之化學平衡方程式為：

$$\boxed{C_3H_8+5O_2\rightarrow3CO_2+4H_2O}$$

若以空氣作為氧氣來源，空氣中的氮氣雖不參與燃燒，但必須列入燃料與空氣混合物的總莫耳數。

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二、計算理論燃燒濃度 $C_{st}$

1. 求理論空氣中的氮氣量

一般以乾燥空氣組成：

$$O_2:N_2=1:3.76$$

由燃燒方程式可知，1 莫耳丙烷需要 5 莫耳氧氣，因此伴隨的氮氣為：

$$5\times3.76=18.8\text{ mol }N_2$$

故理論燃燒混合物包含：

• 丙烷：$1$ mol
• 氧氣：$5$ mol
• 氮氣：$18.8$ mol

混合物總莫耳數為：

$$n_{\text{total}}=1+5+18.8=24.8\text{ mol}$$

2. 求 $C_{st}$

依題目提示：

此題主要考驗對噪音類型（穩定性與衝擊性）的量測方法理解，以及聲學基本概念——波長、頻率與聲速的關係。

第一部分：穩定性噪音與衝擊性噪音的量測

穩定性噪音 (Steady Noise)：

• 定義：指音壓位準隨時間變化不大，通常在 5 dB(A) 以內變動的噪音。例如工廠中的風扇、空調、持續運轉的機械聲等。
• 量測方法：
  • 儀器：使用噪音計 (Sound Level Meter, SLM)。
  • 設定：
    • 時間反應 (Time Weighting)：通常設定為「Slow」(慢速反應)，此設定會對噪音讀值進行平均，以平滑短期內的波動，更能反映平均音壓位準。
    • 頻率加權 (Frequency Weighting)：最常用的是 A 加權 (A-weighting)，用來模擬人耳對不同頻率聲音的聽覺反應，通常以 dB(A) 為單位。
  • 操作：將噪音計放置在受測者耳部高度，朝向聲源。記錄一段時間內的讀值，並注意其穩定性。對於非常穩定的噪音，一次讀值或短時間平均讀值即可。若有輕微波動，可記錄一段時間的平均值或最大值。
  • 指標：常用指標為等效連續音壓位準 ($L_{eq}$)，表示在特定時間內，噪音能量的平均值。

衝擊性噪音 (Impulsive Noise)：

• 定義：指音壓位準在短時間內快速升高，然後又快速下降，其峰值與背景噪音有顯著差異，且持續時間極短的噪音。例如錘擊、沖床、槍擊聲、爆炸聲等。
• 量測方法：
  • 儀器：需要使用具備衝擊性聲壓位準 (Impulse Sound Level) 量測功能的噪音計。
  • 設定：
    • 時間反應 (Time Weighting)：必須設定為「Impulse」(衝擊反應) 或「Peak」(峰值) 模式。
      • Impulse 模式：響應時間約 35 毫秒，用於測量具有明顯衝擊特徵的聲音。
      • Peak 模式：響應時間更短 (如 1 毫秒)，用於捕捉最高瞬間音壓。
    • 頻率加權 (Frequency Weighting)：通常也使用 A 加權 (dB(A))，但有時也可能使用 C 加權 (dB(C)) 來捕捉較低的頻率成分，或直接記錄峰值壓力 (Pa)。
  • 操作：將噪音計放置在受測者耳部高度。由於衝擊性噪音的發生時間不確定且短暫，需要準備好隨時記錄。對於重複性的衝擊噪音，可以記錄其峰值或衝擊聲壓位準。對於非重複性的，可能需要使用數據記錄器或進行多次測量。
  • 指標：常用指標為峰值音壓位準 ($L_p$) 或衝擊音壓位準 ($L_I$)。此外，對於特定行業（如鍛造、沖壓），可能還會考慮 Lcpeak-Laeq 等指標。

此題考查對有機溶劑中毒預防規則中，有機溶劑分類、毒性等級排序，以及特定情況下得免設置作業主管的規定。

第一部分：有機溶劑毒性排序

根據台灣的《有機溶劑中毒預防規則》，有機溶劑依其毒性程度分為三種：

• 第一種有機溶劑：毒性較高者。
• 第二種有機溶劑：毒性次之者。
• 第三種有機溶劑：毒性最低者。

因此，這三種有機溶劑的毒性排序由高至低為：
第一種有機溶劑 > 第二種有機溶劑 > 第三種有機溶劑

常見的第一種有機溶劑包括：苯、四氯化碳、二硫化碳、氯仿、1,2-二氯乙烷、二氯甲烷、苯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、甲苯、甲醇、二甲苯、正己烷、環己烷等。
常見的第二種有機溶劑包括：丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙醚、氯丁烯、二乙基酮、環己酮、甲醛、異丙醇、甲基異丁基酮、四氫呋喃等。
常見的第三種有機溶劑包括：乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、丙酮等 (需注意，有些溶劑可能因濃度或具體危害，會被歸類到不同等級，上述僅為舉例，詳細分類需查閱法規)。

重要補充：法規分類的依據通常是基於其對人體的急慢性毒性、致癌性、生殖毒性、神經毒性等綜合評估。第一種通常具有較高的致癌性、生殖毒性或嚴重的神經毒性。

第二部分：何種有機溶劑作業得免設置有機溶劑作業主管？

根據《有機溶劑中毒預防規則》的規定，雇主應設置有機溶劑作業主管，負責監督有機溶劑作業安全。但是，在某些情況下，可以免除設置作業主管的義務。

此題考查對中子輻射的定義，以及中子輻射的屏蔽原理與常用屏蔽材料。

第一部分：何謂中子輻射 (Neutron Radiation)?

中子輻射是指由原子核衰變或核反應釋放出的高能中子粒子流。中子是原子核的基本組成粒子之一，它不帶電，質量與質子相當。

• 來源：
  • 核反應爐：核分裂反應的主要產物之一。
  • 核武器爆炸：釋放出大量中子。
  • 放射性衰變：某些放射性核素，如鈽-240 (Pu-240) 自發分裂時，會釋放出中子。
  • 加速器：例如利用質子與鈹靶反應產生中子。
• 特性：
  • 不帶電：由於不帶電，中子與物質的交互作用方式與帶電粒子（如 α 粒子、β 粒子、質子）不同。它們不易被原子核的庫侖力排斥或吸引，因此能更深入地穿透物質。
  • 高穿透力：尤其是快中子 (fast neutrons)，其穿透力非常強。
  • 間接電離：中子本身不直接電離物質，但它們可以與原子核碰撞，將能量傳遞給原子核（如質子、α 粒子等），這些被激發或散射的帶電粒子才能造成物質的電離。
  • 誘發放射性：中子可以被某些原子核俘獲，生成新的放射性同位素，這個過程稱為「中子活化」。這使得一些原本穩定的物質變得具有放射性。
  • 生物危害：中子輻射對生物組織的破壞力較強，其相對生物學效應 (RBE) 或品質因子 (Q) 較高，通常認為比 X 射線或 γ 射線更具生物危害性。

第二部分：有效阻擋中子輻射的物質

屏蔽中子輻射的原理與屏蔽 γ 射線等電磁輻射不同。由於中子不帶電且質量較大，它們的主要交互作用機制是：

1. 散射 (Scattering)：中子與原子核碰撞，能量被轉移，中子的方向改變。
2. 俘獲 (Neutron Capture)：中子被原子核吸收，可能伴隨釋放 γ 射線、質子，或形成新的放射性同位素。

因此，有效的屏蔽材料通常包含兩種成分：

• 減速劑 (Moderator)：用於降低快中子的能量，將它們轉變成慢中子 (thermal neutrons)。慢中子更容易被俘獲。減速劑的原子核質量應盡可能接近中子質量，以便在碰撞中有效轉移能量。最理想的是氫 (H)，因為其質量與中子最接近。
• 中子吸收劑 (Neutron Absorber)：含有對慢中子有高俘獲截面 (capture cross-section) 的原子核。

此題考查熱環境評估的基礎概念，包括不同溫度的意義，以及如何計算時間加權平均的綜合溫度熱指數 (THI)。

第一部分：乾球溫度、濕球溫度與黑球溫度的意義

這三種溫度是評估人體熱負荷時常用的指標，分別代表了不同形式的熱交換：

1. 乾球溫度 (Dry Bulb Temperature, $T_{db}$)：

   • 定義：這是我們日常生活中最常測量的溫度，即空氣的實際溫度，由一般溫度計（其感溫部未受潮濕影響）所測得。
   • 代表效應：主要反映了通過 對流 (convection) 和 輻射 (radiation) 從空氣傳遞到身體的熱量（或從身體傳遞到空氣的熱量）。它不受空氣濕度影響。

2. 濕球溫度 (Wet Bulb Temperature, $T_{wb}$)：

   • 定義：將溫度計的感溫部包覆濕潤的布，並使其在空氣中快速轉動（或吹風），蒸發作用會帶走熱量，使濕球溫度計的讀數低於乾球溫度。
   • 代表效應：主要反映了人體通過 蒸發 (evaporation) 散熱的能力。濕球溫度綜合考慮了空氣的溫度和濕度。空氣越乾燥，蒸發越快，濕球溫度越低；空氣越潮濕，蒸發越慢，濕球溫度越接近乾球溫度。它與人體通過皮膚蒸發散熱的效率直接相關。

3. 黑球溫度 (Black Globe Temperature, $T_{g}$)：

   • 定義：一個直徑約 15 cm 的空心金屬球，其外表面塗成消光黑色，內部放置一個溫度計（通常是測量中心溫度）。
   • 代表效應：主要反映了人體通過 輻射 (radiation) 吸收或散發的熱量。黑球的表面塗成黑色，使其對來自周圍環境的熱輻射吸收率接近 1。因此，黑球溫度代表了環境中輻射熱的強度。它同時受到周圍物體表面的溫度、表面輻射率以及空氣溫度的影響。

綜合效應：人體在熱環境中的感受，是以上幾種熱交換方式共同作用的結果。

第二部分：計算時量平均綜合溫度熱指數 (Time-Weighted Average Predicted Heat Stress Index, THI)

綜合溫度熱指數 (THI)，在某些文獻中也稱為濕球黑球溫度指數 (WBGT, Wet Bulb Globe Temperature)，是評估熱環境對人體影響的常用指標。它綜合了乾球溫度、濕球溫度和黑球溫度（或輻射溫度）。

WBGT 的計算公式有多種，常見的一種是：
$WBGT = 0.7 \times T_{wb} + 0.2 \times T_g + 0.1 \times T_{db}$ (用於戶外，有陽光照射)
$WBGT = 0.7 \times T_{wb} + 0.3 \times T_g$ (用於室內或陰影下)

然而，題目提到的是「綜合溫度熱指數」，且給出了「自然濕球溫度」、「黑球溫度」和「乾球溫度」。
在勞工安全衛生領域，有一種常被稱為「綜合溫度熱指數」(THI) 的計算方式，它不一定使用 WBGT 的標準公式，而是根據具體應用場景。
題目中給出的「自然濕球溫度」可能指的是在沒有強制通風情況下測得的濕球溫度。

仔細閱讀題目： 題目提到「自然濕球溫度」、「黑球溫度」和「乾球溫度」。
有時，THI (Temperature-Humidity Index) 的計算公式比較簡單，例如：
$THI = 0.55 \times T_{db} + 0.55 \times T_{wb}$ (此公式忽略了輻射，主要用於室內無輻射環境)
或
$THI = T_{db} + \frac{0.36 \times P_{w}}{100} + 0.0034 \times H - 0.0004 \times H^2 + 1.0$ (其中 $P_w$ 是水蒸氣壓力，H 是相對濕度，較複雜)

然而，題目給的是「自然濕球溫度」、「黑球溫度」和「乾球溫度」，並且要求計算「時量平均綜合溫度熱指數」。這強烈暗示要使用一種包含輻射的綜合指數，並且要進行時間加權平均。WBGT 是最符合這個描述的指數。

我們假設題目中的「自然濕球溫度」就是 $T_{wb}$，「黑球溫度」就是 $T_g$，「乾球溫度」就是 $T_{db}$。
並且，農夫在戶外務農，有陽光照射，因此使用戶外公式：
$WBGT = 0.7 \times T_{wb} + 0.2 \times T_g + 0.1 \times T_{db}$

計算步驟：

第一階段：日出前務農 (3 小時)

• 時間段 $t_1 = 3$ 小時
• 自然濕球溫度 $T_{wb1} = 20^\circ C$
• 黑球溫度 $T_{g1} = 25^\circ C$
• 乾球溫度 $T_{db1} = 23^\circ C$

核心觀念

本題考查「完全混合箱模式（well-mixed box model）」的質量守恆定律。系統內污染物的質量變化，等於污染物生成量加上流入量，再減去流出量。

四個質量項的意義為：

• $M_{\text{accumulated}}$：系統內累積的質量
• $M_{\text{generated}}$：系統內部產生的質量
• $M_{\text{in}}$：由外部流入系統的質量
• $M_{\text{out}}$：由系統流出的質量

解題方法

依據質量守恆，所有進入系統或在系統內生成的污染物，必須等於系統累積量與流出量的總和：

$$M_{\text{accumulated}} = M_{\text{generated}} + M_{\text{in}} - M_{\text{out}}$$

若以單位時間表示，則可寫成質量平衡微分式：

$$\frac{dM}{dt} = \dot{M}_{\text{generated}} + \dot{M}_{\text{in}} - \dot{M}_{\text{out}}$$

其中 $M$ 為箱體內污染物的總質量，$\dot{M}$ 表示單位時間的質量傳輸率。

在完全混合假設下，箱體內各處的污染物濃度均勻，因此流出污染物的濃度等於箱體內濃度。若流量為 $Q$、箱體濃度為 $C$，則流出率可表示為：

$$\dot{M}_{\text{out}}=QC$$

若有流入濃度 $C_{\text{in}}$，則流入率為：

$$\dot{M}_{\text{in}}=Q_{\text{in}}C_{\text{in}}$$

因此，在體積固定且只有一進一出的情況下：

核心觀念

Venturi scrubber（文氏洗滌器）是利用高速氣流與液滴的相對運動，將含塵氣體中的粒狀污染物捕集至液相中的濕式集塵設備。

其主要構造包括：

1. 收縮段：氣體流通面積逐漸縮小，速度增加。
2. 喉部（throat）：流道最窄處，氣速最高，液體在此被剪切、霧化成大量細小液滴。
3. 擴散段：氣流速度下降，壓力回升。
4. 氣液分離器：分離含塵液滴與淨化後氣體。

核心原理是：高速氣流使液體形成細小液滴，氣流中的粒子因慣性無法完全隨氣流繞過液滴，便撞擊並附著於液滴表面，最後隨液滴排出。

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解題方法與設備示意圖

典型文氏洗滌器如下：

含塵氣體
  ───────────────────────────────────────────────▶

        收縮段              喉部                 擴散段
     ┌────────┐       ┌────────┐          ┌────────────┐
     │        │       │  液體  │          │            │
     │  ●  →  │──────▶│ ↓ ↓ ↓  │─────────▶│  氣液混合  │
     │ 粒子   │       │        │          │ 速度降低   │
     └───────╱         ╲──────╱           └────────────┘
            ╲          ╱
             ╲________╱
              高速氣流

                 ●  ─────▶  o
              粒子慣性       液滴
                 ╲          ╱
                  ╲        ╱
                   └─撞擊─┘
                粒子被液滴捕集

                         ▼
                    含塵液滴
                         ▼
                    氣液分離器
                  ┌──────────┐
                  │ 淨化氣體 │ ───▶ 排出
                  │          │
                  │ 含塵液體 │ ───▶ 排放或循環
                  └──────────┘

液體可由喉部上游、喉部側面注入，或由喉部附近的噴嘴噴入。高速氣流通過喉部時，將液體分裂成細小液滴，增加氣體與液體的接觸面積。

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運作過程

1. 氣體在喉部加速

根據連續方程式：

$$Q_g=A_g v_g$$

其中：

• $Q_g$：氣體體積流率
• $A_g$：流道截面積
• $v_g$：氣體平均流速

當流道進入喉部時，$A_g$ 變小，因此 $v_g$ 增加。文氏洗滌器的喉部氣速通常相當高，常見約為 $50\sim150\ \text{m/s}$，實際值依設備設計與壓降需求而定。

高速氣流也會造成較大的壓力損失。喉部壓降越大，液體霧化通常越充分，對細粒子的捕集能力越強，但風機能耗也越高。

2. 液體被霧化

水或洗滌液進入高速氣流後，受到氣流剪切力作用，破碎成許多細小液滴。液滴越小，總表面積越大，粒子與液滴碰撞的機會越高。

3. 粒子與液滴接觸