臺北科技大學環境工程與管理研究所學位論文
國立臺北科技大學,正常發行
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臺灣地區之機動車輛密度高居世界之冠，根據統計，國內每年所產生之廢輪胎數量總計達10萬噸以上，廢輪胎之處置已成為須迫切解決之環境問題。同時，受環境永續發展之國際趨勢影響，對於國內之廢輪胎物質再利用發展有必要深入探討，因此，調查廢輪胎之物質流佈與物質再利用發展實為重要之議題。 本研究以物質流分析方法，主要調查物質進入一系統內之流動情形，及從系統輸出至另一系統過程，本研究透過行政院環保署「全國事業廢棄物管制系統」、財政部關稅總局及經濟部國貿局「中華民國進出口貿易統計系統」等三大系統查詢結果為依據，針對國內小客車用（15吋至19吋）與大客車及貨車用（20吋至23吋）之輻射層輪胎進行廢輪胎物質流佈之調查推估。結果顯示，2009年國內小客車用以及與大客車及貨車用輻射層輪胎之製造與進口量分別為97,972 ton/y以及40,480 ton/y，出口量分別為75,018 ton/y以及11,195 ton/y，而由輪胎製造業之營業量比例與輪胎使用年限推估廢棄量分別為31,194 ton/y以及6,884 ton/y。依據質量平衡模式可推估2009年之流向不明之廢輪胎流佈，計算結果顯示，流向不明之小客車用以及與大客車及貨車用輻射層輪胎分別為10,240 ton/y以及1,451 ton/y。 根據臺灣廢輪胎物質流佈分析結果，本研究從法令管制面、資源化處理面及市場趨勢面進行探討，具體提出國內廢輪胎物質再利用發展之策略與改善建議，以期政府單位與輪胎產業鏈朝向環境永續發展與資源循環再利用之目標。
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本研究利用高微孔活性碳纖維氈（ACM）做為起始原料，輔以氯化銅（CuCl2）含浸改質，搭配模擬煙道氣產生裝置，以低濃度Hg0為去除之標的物。經由不同之含浸濃度與酸預處理操作參數下，進行吸附實驗，以評估吸附劑對於氣相汞之去除效益，再輔以SEM、BET、EA與XPS等分析，探討吸附劑在不同參數下之物化特性，對於氣相汞之吸附容量及吸附機制間相關性。 研究結果顯示，經銅鹽含浸後，ACM之比表面積及孔體積分別隨著含浸量增加而減少，顯示CuCl2分子阻礙活性碳之孔結構。在模擬煙道氣環境下，未經銅鹽含浸處理之活性碳（ACM-raw）其吸附量為211.9 ug g-1，經HCl預處理後之活性碳其吸附量（HACM-raw）為512.1 ug g-1，顯示經酸預處理具有增進活性碳汞吸附之效能，此外經銅鹽含浸改質後之活性碳較未經銅鹽含浸改質之活性碳，其吸附效果並無較於N2環境下顯著，這暗指Hg0與煙道氣體組成產生強烈之競爭吸附作用，並且可能受煙氣影響而產生毒化作用導致活性下降。在N2環境下，活性碳吸附量明顯隨銅鹽含浸量增加而提升，值得注意的是當銅鹽含浸達8 wt%時吸附量有顯著提升；Hg0吸附容量與活性碳比表面積與孔體積成相反關係。在N2條件及煙道氣環境下，活性碳改質前後幾乎皆以擬二階吸附動力模式較佳，相關係數皆可大於0.91以上，此結果顯示Hg0吸附傾向於雙分子反應（bimolecular reaction），意指吸附一個Hg0分子需要兩個活化位址。
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吸附法早已被視為控制電廠汞排放之最佳可行控制技術之一，吸附劑之吸附容量、反應動力及成本均為吸附法成功與否之關鍵。本研究利用椰殼活性碳做為起始原料，配合CuCl2含浸，開發出具有不同理化特性之汞吸附劑，以評估銅鹽含浸吸附劑之汞吸附與氧化能力，並進一步探討吸附劑表面理化特性與吸附容量、反應動力之相關性。結果顯示銅鹽含浸明顯影響活性碳之物理性質，且比表面積下降比例隨含浸量增加而提升。酸洗前處理對於椰殼活性碳之比表面積並無顯著影響，但可增加椰殼活性碳之微孔表面積比例。在N2環境與模擬煙氣環境下之Hg0吸附實驗結果顯示(1) HCl酸洗具有增進活性碳汞吸附之效能；(2)銅鹽含浸處理之活性碳之吸附量明顯提升。但無論於模擬煙道氣環境下或氮氣環境下，所得之Hg0吸附實驗結果顯示大於重量百分比8%的銅鹽含浸量對於活性碳吸附幾乎沒有顯著的幫助，顯示8%以上銅鹽含浸活性碳之吸附量不但與其物理性質無關，且與銅含浸量也無顯著關係。並且在Elovich equation的相關係數大部分均大於0.9以上，代表著Hg0吸附呈現的是化學吸附的現象。
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本研究利用以鎳金屬為基材之濾網鑲嵌二氧化鈦，裝設於配備紫外光(365 nm) 燈管之空氣清淨機中，分別在空氣品質測試艙與實場進行污染物之去除效能測試。利用可控制環境條件之測試艙設定不同相對濕度及空氣污染物之初始濃度(HCHO、TVOC) 進行去除效率測試，探討市售光觸媒濾網與二氧化鈦鎳金屬濾網在相同條件下之去除效率，並建立光觸媒濾網之失效預測模式；本研究選擇四處實場檢測空氣污染物(HCHO、TVOC、Bacteria、Fungi)，利用空氣清淨機開啟前後之污染物濃度變化評估二氧化鈦鎳金屬濾網之實場移除效率，另將測試艙之實驗參數條件代入質量平衡模式，以此模式及氣流分析軟體CONTAM模擬實場使用二氧化鈦鎳金屬濾網之空氣清淨機時，污染物濃度隨時間之變化，驗證CONTAM之可行性。 測試艙HCHO、TVOC之60分鐘測試結果，污染物受到相對濕度之影響較明顯，於固定濃度低相對濕度(RH= 40%) 下甲醛、總揮發性有機物去除率(26.6%、19.9%) 較佳，以CADR值評估清淨機效能時均與去除率之結果相符；在低濃度高相對濕度時，市售光觸媒濾網與光觸媒二氧化鈦鎳金屬濾網之HCHO、TVOC去除率，以二氧化鈦磷灰石濾網最佳(53.3%、15.0%) ，二氧化鈦鎳金屬濾網次之(9.8%、13%) ，蜂巢式濾網(0.1%、2.4%) 與不織布濾網(-2.5%、-1.29%) 去除率則不顯著，由於磷灰石對有機物吸附性較二氧化鈦佳故去除率較好，蜂巢式濾網與污染物接觸面積小，不織布濾網則因其在紫外光照射下易脆化使觸媒剝落，分別為去除率較差之原因。實場污染物去除效率測試結果，實場空間大小與人數變化為主要影響因素，建議二氧化鈦鎳金屬濾網之使用，應考慮清淨機風量之有效坪數。以平均絕對百分誤差方法(Mean Absolute Percentage Error, MAPE) 進行預測準確度驗證，應用質量平衡模式模擬實場污染物HCHO、TVOC 之20分鐘濃度變化，MAPE值結果HCHO (34.67~89.97%) 多數皆在預測準確度可接受之範圍，TVOC(6.18~363.81%)則為準確度佳。應用CONTAM模擬實場之移除率，結果顯示HCHO與TVOC之MAPE平均值為55.56%、149.97%，顯示運用CONTAM模擬實場HCHO與TVOC移除率之可行性不佳。
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碳纖維具有較大表面積及較高吸附量，被廣泛應用於環境工程、生物科技、化工及電子等產業。在處理揮發性有機污染物較顆粒狀活性碳好，而丙酮（acetone）為半導體廠主要排放之揮發性有機氣體，因此本研究探討自製碳纖維特性並觀察對丙酮的吸附量。 本研究使用聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）高分子聚合材料為原料，利用電紡絲系統產生次微米級與微米級之纖維，經不同熱處理溫度製備碳纖維後，探討纖維形態變化，並利用吸附丙酮觀察碳纖維吸附量， 研究結果顯示，產生之538nm（5%）及1µm（8%）之PAN纖維，兩者皆在熱處理溫度180℃以上纖維形態因受熱而產生形變情況。在熱處理條件為250℃時，兩者皆有高比表面積分別為2007.4 m2 g-1及1618.1 m2 g-1，但於300℃時兩者比表面積降為240 m2 g-1左右，顯示在300℃時結構可能有塌陷情形，加熱使纖維反應劇烈，微孔貫穿形成中大孔，導致比表面積降低，或因結構呈現石墨化現象導致比表面積減少。 由吸附試驗結果得知，丙酮濃度為1400 ppm，5%PAN製備之碳纖維其吸附量為91.37 µg/g較8%PAN碳纖維87.72 µg/g高；丙酮濃度為500 ppm，5%PAN製備之碳纖維其吸附量為47.93 µg/g較8%PAN碳纖維43.97 µg/g高。由結果得知，吸附量隨著比表面積增加而增加；在相同比表面積下，碳纖維之飽和吸附量隨著丙酮濃度增加而增加。本研究利用低溫製備之碳纖維擁有高比表面積，但須進一步提高微孔體積比例，且須改善碳纖維之熱穩定，提高材料可應用性。
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本研究以微胞輔助超過濾法 (Micellar-enhanced ultrafiltration, MEUF) 利用陽離子界面活性劑十六烷基三甲基溴化銨 (Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB)結合電透析系統程序 (Membrane electrodialysis)，處理電鍍製程含鉻 (Cr(VI)) 重金屬廢水並達到場內水資源及物質循環再利用之可行性探討。 MEUF 系統研究結果顯示，利用導電法可以得知 CTAB 之臨界微胞濃度為 1 mM；本研究考量 Cr(VI) 截留率及系統流通量，故選定操作壓力為 30 psi；進流水 pH < 5 時，Cr(VI) 以 HCrO4- 存在，會有較佳的截留效率；不論進流水在任何 pH 值操作下，添加足夠的 CTAB 皆能獲得理想的截留效率；在相同的 [CTAB]/[Cr(VI)] 之操作下，進流水濃度越高，其 Cr(VI) 截留效率越好；當進流水 Cr(VI) 濃度為 50 mg/L，進流水 pH 值為 3，操作壓力為 30 psi，[CTAB]/[Cr(VI)] = 3 時，於系統體積迴流率達到 95 % 時，Cr(VI) 濃度可濃縮至原水的 26.6 倍。 於電透析系統試驗結果可知，未結合離子交換膜不能有效分離 Cr(VI) 及 CTAB，又由實驗結果顯示結合陰離子交換膜回收 Cr(VI) 效率較佳；提高進流水離子濃度可降低電力成本之浪費，因此本研究利用 MEUF 系統濃縮含鉻廢水；於電流密度試驗結果顯示，電流密度越大其驅動力越大 Cr(VI) 回收效率越好，但電流密度過大，會增加電解水之反應而造成電流效益下降；電流密度為 20 mA/cm2，於操作時間為 360 min，Cr(VI) 回收效率為 88.2 %。 本研究所採集之實廠廢水為電鍍廢水，其廢水中含有六價鉻、銅、鎳等重金屬離子；利用 MEUF 系統進行迴流濃縮試驗，於操作壓力為 30 psi，[CTAB]/[Cr(VI)] = 1，當系統體積回流率達到 95 % 時，Cr(VI)、銅離子、鎳離子質量截留率分別為 71.5 %、13.6 %、6.6 %；Cr(VI)、銅離子、鎳離子分別可濃縮至原水的 9.3、2.3、1.1 倍，確實可達到 Cr(VI) 純化濃縮之目的。濃縮後之廢液進行電透析系統結合陰離子交換膜回收 Cr(VI) 之程序；電流密度為 20 mA/cm2，操作時間為 360 min，Cr(VI) 回收效率為 85.3 %；確實可有效分離 Cr(VI) 與 CTAB 之結合。
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京都議定書之清潔發展機制(Clean Development Mechanism, CDM)是唯一附件一與非附件一國家間可進行之溫室氣體彈性減量機制，亦為目前國際間推動最為積極並有具體成果之機制。為確保國內實施之計畫型減量活動所獲得碳權商品之有效性，CDM整體運作方式尤其是外加性(additionality)論證之規範，對我國產業現階段所推動之自願減量工作，甚具參考價值。本研究旨在彙整CDM已核准公告之各類減量計畫的計畫類型、方法學(Methodology)、計畫設計文件(Project Design Document, PDD)，以及計畫審議方式進行研析，並初擬出適用於國內發展之減量計畫類型外加性規範之架構，之後經由專家問卷確認，提出產業具體可行之減量計畫類型與外加性論證的建議，供國內各界參考。 本研究藉由兩階段問卷進行調查，首先應用模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method, FDM)之專家問卷確認初擬之架構，之後進行模糊分析層級程序法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)以決定各減量計畫類型及其外加性規範之權重值。結果顯示，適用於國內之減量計畫類型依序為「天然氣發電計畫」(0.295)，「能效提升計畫」(0.286)，「汽電共生計畫」(0.177)，「含氟溫室氣體減量計畫」(0.102)，「風力發電計畫」(0.078)，「水力發電計畫」(0.062)，外加性規範方面，各減量類型之間差異不大，最重要均為「法律規範識別」和「投資分析」，其次為「投資障礙」及「技術障礙」，重要性最低之項目為「普遍性分析」。最後，根據此結果並參考國際案例做法以及考量國內現況，分別提供各減量計畫類型之外加性論述之建議。在法律規範識別，本研究建議可用國內尚無相關強制性法規要求來做論述；在投資分析，建議由計畫開發者依自身之財會制度進行評估引用之投資分析方法來做論述；在障礙分析，目前各減量計畫類型均面臨投資與技術障礙，可用初始成本太高、缺乏相關技術與設備來做論述；在普遍性分析，目前各減量計畫類型於國內均無普遍性發展，建議以計畫活動占整體發電裝置容量比率較低，或因高風險高成本造成計畫活動不普遍來做論述。
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本研究是將生質燃料與化石柴油依不同的體積百分比進行摻合實驗，並檢測其燃料性質是否符合化石柴油規範(ASTM D975、ASTM D7467、CNS 1471、EN 590)。生質燃料包含酯化痲瘋油、痲瘋油生質柴油、精煉棕櫚油、棕櫚油生質柴油、酯化無患子油、無患子生質柴油、桐油以及桐油生質柴油。對生質柴油而言，隨著生質柴油增加，密度、動黏度和閃火點會隨之增加，而熱值會隨之下降。冷濾點於生質柴油含量在一定的比例以下會維持在化石柴油的 -6 ºC，之後會隨著生質柴油摻合量而線性上升或下降。摻合有較高氧化穩定性的生質柴油(如棕櫚油生質柴油或無患子生質柴油)中，會產生加成效應而產生在特定比例下有較高的氧化穩定性，而摻合氧化穩定性較差的生質柴油則會單調隨著生質柴油添加量增加，其氧化穩定性會明顯下降。本研究也將桐油生質柴油、痲瘋油生質柴油及無患子三種生質柴油依不同得重量百分比進行摻合，檢測其燃料性質是否符合生質柴油規範(ASTM D6751、CNS 15072、EN 14214)，並依據實驗結果選定最適比例(35 wt.% SNME + 65 wt.% JME)再與化石柴油進行摻合。 對化石柴油摻合植物油而言，隨著植物油增加，密度、動黏度和閃火點會隨之增加，而熱值會隨之下降。冷濾點在植物油含量在一定的比例下會維持在化石柴油的-6 °C，而後會隨著植物油的摻合比例增加而上升。在與有較高氧化穩定性的植物油(酯化痲瘋油、精煉棕櫚油、酯化無患子油)進行摻合，可觀察到在特定比例下會有較高的氧化穩定性，而摻合氧化穩定性較差的桐油則隨著摻合比例增加氧化穩定性會持續下降。
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近年來面對全球暖化、跨國界環境問題日趨嚴重，已使全球面臨艱辛的挑戰，各國採取各種永續策略，也產生許多新興交易機制，如排放交易制度、碳權實施、碳中和等。而國際間產業發展雖已有相關綠色工廠之行為，但尚無明確之綠色工廠定義，緣此，本研究整合國外對綠色工廠之界定與著重之面向，定義「綠色工廠」為整合綠建築與清潔生產之系統化機制，致力於提升工廠廠房於建造、運作，以及產品產製服務生命週期各階段之環境效益，以符合產業低碳化之目標。 國內外文獻中，雖然已有多位學者在清潔生產之理論及實務上提出建議，但目前尚無任何研究針對工廠清潔生產評估指標導入相關評核系統進行實證研究。有鑑於此，本研究藉由廣泛之文獻回顧與探討，由清潔生產之觀點建立指標架構，並導入創新能力及社會責任等近年來國際間發展趨勢之概念，設計「生產製造」、「環境化設計」、「綠色管理及社會責任」及「綠色創新及其他」等四大面向，以及36項之清潔生產評估指標，透過模糊德爾菲法（FDM）及模糊分析層級程序法（FAHP）篩選出34項適用於清潔生產評估之指標，並確認指標間之重要性及權重值。研究結果顯示，清潔生產前五項重要之評估指標為「生產製造-採用相關清潔生產製程技術」（0.099）、「生產製造-事業廢棄物妥善處理率」（0.085）、「生產製造-管末處理設備能力及設備異常處理機制」（0.085）、「綠色管理及社會責任-自願性溫室氣體減量制度之導入」（0.076）及「綠色管理及社會責任-綠色供應鏈管理」（0.064），其中前三項重要之評估指標皆為「生產製造」面之指標，佔總權重26.77%，更突顯產品於生產製造階段中對於環境衝擊之重要性。 本研究透過綠色工廠框架之建置及清潔生產評估系統指標之擬定，用以評估工廠進行綠色永續發展之程度，使決策者得以研擬綠色永續管理策略，提升國家永續競爭優勢。
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臺灣電子科技業蓬勃發展，綠色能源產業也嶄露頭角，目前台灣大力推動發光二極體(LED)產業發展，2009年產值更高達新台幣623億元，由於LED應用層面相當廣泛，且具有不同於傳統光源之多種優點，未來製造量及使用後廢棄量將大幅增加，因此，調查國內發光二極體物質流佈為刻不容緩之議題。 本研究以物質流分析觀點，主要調查物質進入一系統內之流動情形，及從系統輸出至另一系統過程，透過行政院環保署「全國事業廢棄物管制系統」、財政部關稅總局及經濟部國貿局「中華民國進出口貿易統計系統」三大系統查詢結果為依據，針對台灣地區LED晶粒以及封裝LED進行物質流佈調查推估，結果顯示，2009年LED晶粒廢棄量為3,039 kg/y，再依產業廢棄物產出比例推估LED晶粒境外輸出量為 70 kg/y；外銷量推估方式則以製造量減去廢棄量再扣除內銷量，經計算推估2009年LED晶粒共有31,321 kg/y輸出。2009年封裝發光二極體進口量為1,014,956 kg/y ，出口量為2,477,043 kg/y；總製造量為 6,317,507 kg/y，廢棄量為 473,813 kg/y。依據質量平衡模式可推估2009年具資源化潛力之市場內銷量，經計算共有 4,381,607 kg/y之封裝LED流佈於市場內。 目前台灣尚無處理廢棄發光二極體能力之機構，故本研究建置廢棄發光二極體資源化再利用實驗，提供給相關事業機構或主管機關參考，實驗主軸有二，回收貴重金屬及製造環氧樹脂及聚氯乙烯複合材料，首先以儀器進行實驗前之成分分析，測試合適之前處理方式，發光二極體經磁選後發現非磁性材料中含有貴金屬金，磁性材料中含有貴金屬銀及鎵，針對不同金屬測試溶出參數，實驗結果顯示，100%之王水可在60分鐘內將黃金溶出90.00%，並在80分鐘時達到93.62%之最佳溶出效率。3M之硝酸在固液比1:10並輔以超音波震盪之條件下，反應至60分鐘銀和鎵之溶出可分別達到96.46%及32.29%。另將溶出後之環氧樹脂與聚氯乙烯製成複合材料，當複合材料中環氧樹脂取代量為20%時，其抗折強度較未取代時高，當取代量為60%時吸水率較好，複合材料具無毒、抗折強度高及吸水率高之優點，使得廢棄之環氧樹脂也可獲得再利用。