115 年 國立成功大學環境醫學研究所甲組《職業衛生》

本題主要考驗對揮發性有機物(VOCs)的特性、暴露評估計算以及通風換氣設計的基礎知識。

核心觀念：

1. 揮發性強弱判斷： 主要依據蒸氣壓 (Vapor Pressure) 或沸點 (Boiling Point)。蒸氣壓越高、沸點越低的物質，揮發性越強。
2. 物質消耗速率計算： 根據總消耗量與總作業時間計算每小時的消耗速率。
3. 行動標準 (Action Level, AL) 計算： AL 通常是八小時日時量平均容許濃度 (Permissible Exposure Limit, PEL) 的一半，用於預警與加強監測。
4. 理論換氣量計算： 利用質量平衡原理，考慮污染物產生速率、容許濃度、換氣量和室內外濃度差來計算所需換氣量。

解題過程：

(a) 甲苯與乙酸乙酯何者揮發性較強,請說明原因? (4%)

• 判斷依據： 揮發性強弱可由蒸氣壓或沸點判斷。
  • 甲苯：20°C 蒸氣壓為 22mmHg，沸點 110.6°C。
  • 乙酸乙酯：20°C 蒸氣壓為 73mmHg，沸點約 77℃。
• 比較：
  • 乙酸乙酯的蒸氣壓 (73mmHg) 遠高於甲苯 (22mmHg)。
  • 乙酸乙酯的沸點 (77℃) 遠低於甲苯 (110.6°C)。
• 結論： 乙酸乙酯的揮發性較強。
• 原因說明： 由於乙酸乙酯在相同溫度下的蒸氣壓較高，表示其分子更容易從液態轉移到氣態，因此揮發性較強。或者，其較低的沸點也意味著其分子間作用力較弱，更容易蒸發。

【答案】乙酸乙酯揮發性較強，因為其在20°C時的蒸氣壓（73mmHg）高於甲苯（22mmHg），且沸點（約77℃）低於甲苯（110.6℃）。

(b) 甲苯與乙酸乙酯每小時的消耗量為多少?(6%)

• 已知：
  • 作業時間：8 小時/天
  • 甲苯消耗量：200 ml/8小時
  • 甲苯密度：0.967 g/cm³
  • 乙酸乙酯消耗量：200 ml/8小時
  • 乙酸乙酯密度：0.897 g/cm³
• 計算：
  • 甲苯每小時消耗量 (ml/hr)： 200 ml / 8 hr = 25 ml/hr
  • 甲苯每小時消耗量 (g/hr)： 25 ml/hr * 0.967 g/ml = 24.175 g/hr
  • 乙酸乙酯每小時消耗量 (ml/hr)： 200 ml / 8 hr = 25 ml/hr
  • 乙酸乙酯每小時消耗量 (g/hr)： 25 ml/hr * 0.897 g/ml = 22.425 g/hr

【答案】甲苯每小時消耗量為 25 ml/hr (或 24.175 g/hr)。乙酸乙酯每小時消耗量為 25 ml/hr (或 22.425 g/hr)。

(c) 甲苯與乙酸乙酯行動標準(Action Level)分別為多少?(4%)

• 已知：
  • 甲苯 PEL：100 ppm (八小時時量平均)
  • 乙酸乙酯 PEL：400 ppm (八小時時量平均)
• 計算 (AL = 0.5 * PEL)：
  • 甲苯 Action Level： 0.5 * 100 ppm = 50 ppm
  • 乙酸乙酯 Action Level： 0.5 * 400 ppm = 200 ppm

【答案】甲苯的行動標準為 50 ppm。乙酸乙酯的行動標準為 200 ppm。

(d) 作業場所理論換氣量Q(m³/min)應為多少才能使甲苯與乙酸乙酯濃度均在行動基準之下?(6%)

• 核心公式： 穩態質量平衡方程式
  • $Q \cdot C_{out} + G = Q \cdot C_{in}$
  • 其中：
    • $Q$ = 換氣量 (m³/min)
    • $C_{out}$ = 室外空氣污染物濃度 (ppm，通常視為 0)
    • $G$ = 污染物產生速率 (mg/min 或 g/min)
    • $C_{in}$ = 室內空氣污染物濃度 (ppm)
• 目標： 使室內濃度 $C_{in}$ 低於行動標準 (AL)。為求最嚴格條件，我們計算使濃度剛好等於 AL 所需的換氣量。
• 需要轉換單位：
  • 污染物產生速率 (G)：
    • 甲苯：24.175 g/hr = 24.175 g / (60 min) = 0.4029 g/min = 402.9 mg/min
    • 乙酸乙酯：22.425 g/hr = 22.425 g / (60 min) = 0.37375 g/min = 373.75 mg/min
  • 容許濃度與產生速率的關係：
    • $G_{mg/min} = Q_{m^3/min} \times C_{ppm} \times \text{Conversion Factor}$
    • Conversion Factor (mg/m³ per ppm):
      • 對於有機物，常使用理想氣體定律近似計算。
      • $MW$ (分子量)
      • $T$ (絕對溫度, K)

本題主要考驗對游離輻射防護基本原則、半值層的定義與應用，以及指數衰減公式的計算。

核心觀念：

1. 游離輻射防護四大原則： 時間、距離、屏蔽。
2. 半值層 (Half-Value Layer, HVL)： 指能將輻射強度衰減一半的物質厚度。
3. 輻射衰減與能量關係： 輻射能量越高，穿透力越強，所需屏蔽材料的厚度也越大，或需要更有效率的屏蔽材料。
4. 指數衰減公式： 描述輻射強度隨屏蔽厚度衰減的數學模型。

解題過程：

(a) 請說明體外游離輻射防護之四大原則? (8%)

• 注意： 題目問「四大原則」，但一般公認的游離輻射防護基本原則是時間、距離、屏蔽，共三個。有時會加上最小化原則 (As Low As Reasonably Achievable, ALARA)，這更像是一個指導思想，而非獨立的物理防護措施。在此，我們列出最常見的三個基本原則，並說明 ALARA 的概念。若題目確實要求「四大」，則可能包含 ALARA。

  1. 時間 (Time)： 縮短暴露在輻射源的時間，可以減少總劑量。暴露時間越短，吸收的總劑量就越低。
  2. 距離 (Distance)： 增加與輻射源的距離，可以顯著降低劑量。輻射強度與距離的平方成反比（點源近似）。例如，距離輻射源兩倍遠，劑量約減為四分之一。
  3. 屏蔽 (Shielding)： 在輻射源與人員之間放置適當的屏蔽材料（如鉛、混凝土、水等），以吸收或散射輻射，降低到達人員的劑量。屏蔽材料的種類和厚度取決於輻射的類型（α、β、γ、X射線）和能量。
  4. 最小化原則 (ALARA - As Low As Reasonably Achievable)： 即使在符合劑量限值的規定下，也應盡一切努力，在技術和經濟上可行且合理的範圍內，將輻射暴露劑量和人數降到最低。這是一個持續改進和風險管理的原則。

【答案】游離輻射防護的三大基本原則是：1. 時間 (Time)： 盡量縮短暴露於輻射源的時間；2. 距離 (Distance)： 盡量遠離輻射源，因為輻射強度隨距離的平方遞減；3. 屏蔽 (Shielding)： 在輻射源與人員之間設置適當的屏蔽材料以吸收輻射。有時會加上第四個原則/指導思想：4. 最小化原則 (ALARA)： 在合理可行的範圍內，將輻射劑量和暴露人數降至最低。

(b) 半值層(HVL, Half-Value Layer)的厚度和X光的能量有何關係? (4%)

• 定義： 半值層 (HVL) 是指將特定輻射束的強度衰減一半所需的屏蔽材料厚度。
• 關係：
  • 輻射能量越高，穿透力越強。
  • 穿透力越強的輻射，其半值層 (HVL) 就越大。
  • 反之，能量較低的輻射穿透力較弱，其半值層也較小。
• 總結： X光能量與其半值層厚度成正相關。

本題主要考驗對手-手臂振動暴露量計算，特別是 A(8) 的概念，以及如何將不同型態的振動暴露加總。

核心觀念：

1. 振動暴露量 (Vibration Exposure)： 通常以加速度 (acceleration) 的有效值 (RMS, Root Mean Square) 來表示。
2. A(8) 值： 指的是一個工人進行8小時標準工作日所承受的等效振動暴露量。它是根據 ISO 5349 標準計算，用於評估手-手臂振動對健康的影響。
3. 計算公式：
   • 對於單一振動暴露源：$A_{exp} = a_{hv} \times T^{1/3}$
     • $a_{hv}$：振動的頻率加權加速度有效值 (Hz 加權，通常是 $a_{hw}$ 或 $a_{w}$，但題目直接給了加速度值，假設是已加權的 RMS 值)
     • $T$：暴露時間 (小時)
   • 對於多個振動暴露源：將各個振動暴露源的 $A_{exp}$ 值平方後加總，再開根號，然後計算 A(8)。
     • $A(8) = \sqrt{\sum_{i=1}^{n} (a_{hwi}^2 \cdot T_i)}$
     • 其中 $a_{hwi}$ 是第 i 種工作型態的加速度有效值 (m/s²)，$T_i$ 是第 i 種工作型態的暴露時間 (小時)。
     • 注意： 題目給的公式提示是 $H_t = H_0 \times (\frac{1}{2})^{t/HVL}$，這是輻射衰減公式，與振動計算無關。題目提供的 √2 = 1.414 提示，可能與 RMS 計算或某種比例有關，但標準 A(8) 計算不直接用到 √2。假設題目提供的加速度值 10 m/s² 已經是頻率加權的 RMS 值。

解題過程：

1. 確認計算公式： 根據 ISO 5349 標準，手-手臂振動暴露量 A(8) 的計算公式為：
   $A(8) = \sqrt{\sum_{i=1}^{n} (a_{hwi}^2 \cdot T_i)}$
   其中 $a_{hwi}$ 是第 i 種工作型態的加速度有效值 (m/s²)，$T_i$ 是第 i 種工作型態的暴露時間 (小時)。

2. 識別數據：

   • 工作型態 A：$a_{hA} = 10 \text{ m/s}^2$， $T_A = 1 \text{ hr}$
   • 工作型態 B：$a_{hB} = 10 \text{ m/s}^2$， $T_B = 1 \text{ hr}$
   • 工作型態 C：$a_{hC} = 10 \text{ m/s}^2$， $T_C = 2 \text{ hr}$
   • 總工作時間：1 + 1 + 2 = 4 小時。題目要求計算「全日8小時 A(8)」，這表示我們要將這4小時的暴露量等效到8小時的暴露量。

3. 計算各工作型態的振動暴露貢獻 (平方和)：

   • 型態 A：$a_{hA}^2 \cdot T_A = (10 \text{ m/s}^2)^2 \times 1 \text{ hr} = 100 \times 1 = 100 \text{ (m/s}^2)^2 \cdot \text{hr}$

本題主要考驗對勞工作業環境監測實施辦法中關於直讀式儀器監測的知識，以及直讀式儀器的優缺點分析。

核心觀念：

1. 勞工作業環境監測實施辦法： 該辦法規定了作業環境中各項有害因素的監測方法、頻率、採樣方式等。
2. 直讀式儀器 (Direct-Reading Instruments)： 指能夠立即顯示或讀取空氣中污染物濃度的儀器，無需經過實驗室分析。
3. 直讀式儀器的優缺點： 需從其即時性、便攜性、準確性、選擇性、成本等多方面進行比較。

解題過程：

(a) 依據勞工作業環境監測實施辦法(以下簡稱本辦法)第11條規定,請舉出五種可以用直讀式儀器監測之物質? (5%)

• 查找法規： 勞工作業環境監測實施辦法第11條規定了「採樣或測定方法」。其中提到「勞動檢查機構於檢查時，得依下列規定，實施採樣或測定：一、使用直讀式測定儀器測定。二、採樣後送請中央主管機關指定之實驗室分析。」

• 直讀式儀器的應用範圍： 直讀式儀器通常用於監測能快速反應、濃度變化較快、或對即時數值有需求的污染物。常見的直讀式儀器技術包括：

  • 光離子化偵測器 (PID)： 適用於多種有機蒸氣。
  • 電化學感測器 (Electrochemical Sensors)： 適用於 CO, H₂S, SO₂, NO₂, O₂ 等氣體。
  • 可攜式氣體偵測器： 結合多種感測器。
  • 塵埃濃度計 (Particulate Matter Monitors)： 使用光散射原理。
  • 紅外線氣體分析儀 (NDIR)： 適用於 CO₂, CH₄ 等。

• 根據法規和儀器特性，列舉五種物質：

  1. 總揮發性有機物 (Total Volatile Organic Compounds, TVOCs)： 可使用 PID 偵測器。
  2. 一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)： 可使用電化學感測器。
  3. 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO₂)： 可使用 NDIR 偵測器。
  4. 硫化氫 (Hydrogen Sulfide, H₂S)： 可使用電化學感測器。
  5. 粉塵濃度 (Total Dust / Respirable Dust)： 可使用光散射式塵埃濃度計。
  • 其他可能的選項： 氨 (NH₃)、氯氣 (Cl₂)、二氧化硫 (SO₂)、臭氧 (O₃) 等，這些也都有相應的直讀式電化學感測器。

【答案】可以用直讀式儀器監測的五種物質（舉例）：1. 總揮發性有機物 (TVOCs)；2. 一氧化碳 (CO)；3. 二氧化碳 (CO₂)；4. 硫化氫 (H₂S)；5. 粉塵濃度。

(b) 請分析使用直讀式儀器採樣優缺點 (10%)

核心觀念
本題測驗學生能否將空氣中濃度 (ppm) 轉換成 實際採樣質量 (µg)，並且判斷在給定的採樣流量與時間下，是否符合 LOD 與 允許採樣體積 的限制。關鍵包含：

1. ppm 與質量濃度 (µg/m³) 的換算公式。
2. 依樣本體積 (L) 計算收集的質量 (µg)。
3. 判斷 8 h 全班班輪樣本是否落在 1–480 L 的允許範圍內，且是否高於檢測下限 (LOD)。

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解題步驟

1. 由 ppm 轉換為 µg/m³

對於氣體，ppm（體積比）與質量濃度的關係式為

$$C_{\text{µg/m³}} = \frac{\text{ppm} \times MW \times P}{R \times T} \times 10^{3}$$

在標準條件（$P = 101.325\ \text{kPa}$，$T = 298\ \text{K}$）下，可簡化為

$$C_{\text{µg/m³}} \approx \text{ppm} \times \frac{MW}{24.45}$$

其中 24.45 為 1 ppm 在標準條件下對應的體積 (m³)（即 1 ppm = 1 µL/L，1 L 空氣在標準條件下約重 24.45 g）。

代入本題資料：

• 幾何平均濃度：$\text{GM}=1\ \text{ppm}$
• 分子量：$MW = 128.17\ \text{g·mol}^{-1}$

$$C_{\text{µg/m³}} = 1 \times \frac{128.17}{24.45} \approx 5.24\ \text{µg/m³}$$

2. 計算 8 小時全班班輪的採樣體積

核心觀念
本題測驗「顆粒在過濾纖維上沉降的五種基本機制」。要能說明每種機制的物理條件、代表性粒徑範圍、以及其在濾材效率中的貢獻，並能以圖示方式呈現粒子與纖維的相對位置與運動情形。

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(a) 惰性衝擊 (Inertial Impaction)

機制說明
當氣流急速繞過纖維時，粒子因慣性無法即時跟隨流線彎曲，直接撞擊纖維而被捕獲。

• 重要無因次數：慣性雷諾數 $Re_i = \frac{\rho_p d_p^2 U}{18 \mu D_f}$，$U$ 為流速，$d_p$ 為粒徑，$D_f$ 為纖維直徑。
• 常發生於 較大粒子（$d_p \gtrsim 1\ \mu\text{m}$）及 高流速 的情況。

圖示建議
畫出一條彎曲的流線，纖維位於彎曲處，顆粒持直線慣性路徑撞在纖維上。

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(b) 攔截 (Interception)

機制說明
即使粒子能忠實跟隨流線，但其半徑使其外緣觸及纖維表面而被捕獲。

• 拦截效率與無因次參數 $R = \frac{d_p}{D_f}$（粒子直徑與纖維直徑之比）成正比。
• 主要作用於 中等粒徑（約 $0.1\text{–}1\ \mu\text{m}$）且流速不必過高。

圖示建議
流線平滑繞過纖維，粒子半徑伸出流線與纖維相交。

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(c) 布朗擴散 (Diffusion)

機制說明
極細小粒子（< 0.1 µm）因布朗運動呈隨機走動，偏離原本的流線，最終與纖維相撞。

• 擴散係數由斯托克斯–愛因斯坦公式給予
  $D = \frac{k_B T}{3\pi \mu d_p}$
  其中 $k_B$ 為玻爾茲曼常數，$T$ 為絕對溫度，$\mu$ 為氣體黏性係數。
• 擴散效應隨粒徑的 $d_p^{-1}$ 增大，故在 納米級 粒子時最顯著。

圖示建議
多條隨機曲折的微小粒子路徑（呈螺旋或抖動）最終接觸纖維。

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(d) 重力沉降 (Gravitational Settling)

機制說明
在較低流速或垂直於纖維的方向，粒子因重力向下沉降，增加與纖維的接觸機會。

• 沉降速度由斯托克斯定律：
  $V_s = \frac{\rho_p g d_p^2}{18 \mu}$
  $\rho_p$ 為粒子密度，$g$ 為重力加速度。