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整合投入產出分析與健康風險評估以規劃台灣鉛風險之產業管理

鉛為台灣使用大的重金屬之一，且廣泛地使用，但鉛卻屬於毒性的物質。過去針對污染物進行健康風險評估時，往往僅考量污染物本身對環境的衝擊，並未將經濟圈產業活動帶動污染排放的影響考量進來，且經濟圈之鉛流動主要受人類活動影響(Klee & Graedel, 2004)，因此本研究使用健康風險評估(Health Risk Assessment，RA)整合投入產出分析(Input-Output Analysis，IO)探討鉛之產業活動與健康風險的關係，作為有效鉛管理的建議。 鉛的污染源以空氣(煙囪)及土壤(掩埋場)兩大污染源為主，以台灣2010年為系統邊界，針對兩污染源進行健康風險評估，煙囪及掩埋場鉛排放量各佔1213.42 公噸、172.1公噸，共有1385.52公噸鉛排放，最終造成的總族群風險3.72 csaes，其中接觸到鉛的風險主要藉由攝食途徑最大，其次為呼吸，飲用水，而攝食又以食用農作物最為影響。進而比較空氣及土壤兩大污染源，由於鉛在土壤中為移動性低的重金屬，考量掩埋場結構安全能阻止污染物外洩，理論上不會有污染物移動到土壤及地下水，故建議台灣鉛管理應以空氣污染源(煙囪)著手較為有效。 研究結果之環境熱點分析，發現台灣鉛排放量高的地區大都是人口數相對高的地區，如台中、台南、高雄及桃園等地區；而族群風險高的縣市以彰化縣及台中市為首，其後依序為台南市、高雄市、桃園縣等；而21個產業部門中，鉛排放造成的族群風險以鋼鐵業(1.1952 cases)為巨，而後依序為其他加工產品(0.368 cases)、塑膠製品(0.3034 cases)、成衣及服飾品(0.2774 cases)、電力及蒸氣(0.2765 cases)、其他化學材料(0.2756 cases)、石油化工原料(0.2153 cases)等產業。 藉著投入產出健康風險評估方法(Input-Output─Risk Assessment，IO-RA)可透視污染經排放後之不同暴露途徑、不同的受體造成的健康風險與產業活動的關聯。研究結果顯示最終需求驅動力以出口(54.84%)及民間消費(28.95%)為造成鉛健康風險增加的主要原因。 最後綜合管理方案，針對鉛相關產業給予環境管理建議，顧及經濟發展的推動及有限的資源下，可見把時間及資源投入於這些產業可以得到最大的風險減量，可達有效管理的目的，故本研究認為效率管理方式為合適的管理建議，從生產端之效率管理其他電子零組件、橡膠製品、其他加工產品、飲料、紡織品、其他化學材料、成衣及服飾品為建議管理的產業，而從消費端之效率管理則以廢棄物清除處理業、成衣及服飾品、橡膠製品、鋼鐵、飲料、其他加工產品為建議管理的產業。本研究利用IO-RA工具了解消費端的最終需求將造成生產端的污染排放，而環境問題的發生每個人都有責任，不應將責任完全歸咎於生產端，因此從供應鏈的生產及消費端雙管齊下的產業管理，有助於健康風險更有效的管控。

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腐植酸對河川底泥/氧化鐵吸附全氟辛酸之影響

全氟辛酸（perfluorooctanoic acid, PFOA）對人體具危害性且廣泛存在於自然水體環境中，已成為顯著的環境議題，由於不同的環境條件會影響吸附分配方式，進而影響PFOA在環境中的流布傳輸，本研究目的為瞭解溶解性有機物（dissolved organic matter, DOM）對PFOA與客雅溪底泥間吸附行為之影響，研究中DOM以腐植酸（humic acid, HA）為代表。 客雅溪底泥之礦物成分多達數十種，主要為Si（約佔14%）和Fe（約佔2%），粒徑大小分布為210~590 μm，屬粗顆粒細砂，比表面積約1.30 m2/g，pHzpc＜4。 以pH = 5、7、9及離子強度I = 無添加及0.1 N進行實驗，底泥對PFOA的吸附密度介於0.59~3.57 µg/g，改變溶液中pH和離子強度對PFOA的吸附密度影響並不顯著，但低pH值-高離子強度和高pH值-低離子強度的組合，對於水相中的PFOA分配到底泥上比較有利；而HA存在的情形下，HA-PFOA-底泥之吸附平衡時間為12天，且HA的存在會降低底泥對PFOA的吸附行為。 另以底泥主要礦物成分之氧化鐵作為吸附劑進行吸附實驗，研究使用之氧化鐵結構為α-Fe2O3，粒徑約1.5 μm，比表面積約6 m2/g，pHzpc約為8。 研究設計HA和PFOA分別以不同順序加入氧化鐵懸浮溶液中進行吸附實驗，並結合本研究室之氧化矽、氧化鋁實驗結果，共同探討HA對PFOA與底泥吸附行為的影響。研究發現HA和PFOA加入反應順序的不同，會明顯改變PFOA吸附密度，整體而言在酸性環境下，HA會增加PFOA吸附密度，除了原本PFOA和底泥礦物層表面的吸附作用外，HA和PFOA兩者間還會因為疏水性交互作用而發生共沉降的吸附現象，因此增加了底泥表面對於PFOA的吸附強度。例外的情形是HA先與吸附劑表面達平衡再加入PFOA，因可吸附位置皆被佔滿導致PFOA幾乎不被吸附，此結果與客雅溪的情況相符，自然水體中過多的DOM會包覆底泥表面，將導致PFOA僅有少部分會被底泥吸附而滯留，大多數仍會存在於水相中並經由傳輸擴散到下游，因此探討底泥有機碳層吸附行為時，必須將水中DOM的影響納入考量。

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強化混凝-臭氧-薄膜處理提升過濾程序出水 溶解性有機物質之去除

金門太湖為太湖淨水場之水源，水源中含高濃度之有機物質，無法有效地利用現有之傳統淨水程序去除，因此為提升太湖淨水場出水水質，本研究擬以混凝-薄膜-臭氧，進一步去除快濾單元出水之溶解性有機物質（Dissolved organic matter, DOM），以達我國飲用水水質4 mg TOC /L之標準。Lin（2014）以吸附混凝去除有機質，利用陶瓷膜，無沉澱直接過濾混凝膠羽，其出水DOC仍然高於4 mg TOC /L。本研究延續該實驗，今以原吸附混凝接續陶瓷膜過濾之淨水程序為基礎，再增加臭氧處理，觀察DOC之變化，利用優選反洗程序，延長陶瓷膜過濾使用時間，為解析有機組成之去除與殘留，本研究分析各流程殘餘有機物之親疏水性分布與分子量大小，提供金門太湖淨水場實際應用參考。　 優選臭氧順序與劑量為：吸附混凝後以陶瓷膜過濾水中膠羽，再以0.8 mg ozone/ mg DOC之臭氧處理有機物質，此優選程序可將快濾出水由10.87 mg TOC /L降至1.57 mg TOC /L，結果可達我國飲用水水質4 mg TOC /L標準，為使陶瓷膜使用時間增長，反洗程序以每兩小時操作一次，優選反洗程序為三次物理反洗結合一次化學反洗，可將透膜壓差恢復至100%。吸附混凝可去除64%之疏水性有機物質及44%之親水性有機物質，臭氧處理後，疏水性有機物質去除率可達88 %，親水性有機物質去除率可達78 %。分子量大小分布之探討，經粉狀活性碳後，分子量介於3,000 – 300 Da有機物質有較高之去除率；混凝後，分子量介於30,000 – 3,000 Da有機物質有較高之去除率；臭氧對於分子量介於10,000 – 3,000 Da與1,000 – 300 Da有機物質有較高之去除率。

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以土柱試驗模擬砷在農業土壤之動態

台灣地下水含砷的現象來自於地層的還原環境，且含砷地下水長期被當作 灌溉水源之一。宜蘭冬山河岸測站之地下水檢測出含砷量約為0.2 mg/L，且有87.8% 為三價砷，施用於農地會有累積或溶出之虞，因此本研究針對重金屬砷利用序列萃取方式，了解重金屬於土壤中之相態變化，並利用動態模式模擬含砷地下水施用於土壤之後的型態變化及移動，最後估計出最大的施用容許量。本研究所採樣地點之農地表土與附近背景土壤含砷量分別為 64.98 mg/Kg及17.37 mg/Kg，含砷量超過台灣食用作物農地的管制標準(砷為60ppm)，推測長期灌溉含砷地下水可能造成土壤砷的累積。根據土壤序列萃取結果，發現在農地土壤中，砷主要與無定型和結晶型鐵鋁鍵結，總共佔了約80%。實驗室土壤管柱淋洗試驗結果顯示，外添加的砷首先轉換成非特異性吸附與特異性吸附相態，且明顯地累積於表土2 公分以內，表土中的砷有約51% - 65%是與無定型和結晶型鐵鋁鍵結；亦會隨著灌溉水及入滲水的移動而離開土壤系統。比較旱地條件與水田條件下的土壤管柱試驗則可發現旱地條件下表土的砷累積更為明顯。

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利用純與廢棄石墨製備含鈦石墨烯負載TiO2及其應用於二氧化碳還原為燃料之研究

隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，溫室氣體的排放越來越引起社會廣泛關注。如何在低能耗條件下，有效利用溫室氣體二氧化碳，並將其轉化為能源是本研究的主要目的。理論上CO2在接受H+ 和電子後可以被還原轉化為甲酸與甲醇等能源產物。但由於CO2極其穩定的分子結構而使得上述反應難以時間，因此為了達到CO2良好的還原效率，反應需要有高效率的催化劑的參與和適合的操作條件。本研究採用純石墨與廢棄石墨製備石墨烯-TiO2作為光催化劑進行CO2還原反應。此外，由於該反應機理與材料本身特性、產物種類以及參與反應的自由基均有相關，本研究將從這三個方面入手，深入探討反應機制與路徑。 為瞭解材料自身特性，本研究採用元素分析儀(EA)，X光螢光光譜(XRF)與能量散射光譜(EDS)對原材料與最終製備之觸媒進行所含成分分析。利用N2等溫吸脫附儀進行材料表面積之分析。利用X光繞射光譜儀對材料晶型結構進行分析。此外，由於材料表面有眾多官能基團，會影響材料表面電性與親水性，從而對材料在液相反應中的效率有一定程度之影響。為瞭解這些官能基團特性，本研究利用傅立葉轉換紅外光譜(FTIR) 和X射線光電子能譜(XPS)對材料表面官能集團進行分析。另外通過穿透式電子顯微鏡(TEM) 對材料進行表觀形態分析之結果顯示，通過純石墨製備之觸媒中碳的主要存在形態是單層石墨烯。反之，在以廢棄物製備之觸媒中則出現多層石墨烯堆疊在一起之情形。光催化材料之光學特性與電子移轉能力則分別利用紫外-可見分光光度計與光電化學測試系統進行分析。 為評估環境因素對還原產率之影響，本實驗亦探討部份環境因素如石墨烯負載量，催化劑投加量，pH值和回收次數等對還原產率之影響。實驗結果顯示，在40%石墨烯-TiO2投加量為0.4 g L-1時，可見光CO2光催化還原反應在中性條件下可以達到最佳產物產率。隨著觸媒投加量的增加，反應效率初始呈現上升趨勢。但是觸媒投加量過多的條件下，會對光產生一定程度的遮蔽作用，進而使產物產率呈現下降趨勢。此外，因為石墨烯負載量與材料本身之電子轉移能力直接相關，所以隨著石墨烯負載量之增加，反應效率亦呈現上升趨勢。此外由於在不同pH條件下，CO2在水中之溶解形態不同，表面所帶電量也不同，在催化反應發生時會與表面帶電的材料產生不同吸附或排斥作用，進而對反應產率產生影響。最後，為了探討自製觸媒材料之穩定性，本研究對回收材料的光還原效能亦進行評估，其結果顯示在回收2次以後，觸媒催化性能基本穩定，仍具有較好之催化能力，適宜回收再利用。 最後，為了整體瞭解該還原反應之反應機理，本研究從最終產物種類與反應產生之自由基兩個方面進行深入探討。實驗結果顯示，利用石墨烯-TiO2對CO2進行光化學還原的主要產物是甲酸和甲醇，其中甲酸的產量持續高於甲醇。而利用電子自旋光譜(ESR)對反應產生自由基進行偵測之結果顯示，在反應進行過程中有一氧化碳自由基生成。結合文獻分析得知一氧化碳自由基通過與氫離子與電子結合反應後，可以產生甲醇。結合最終產物種類與自由基檢測結果，本研究進行之CO2光催化反應之路徑可以歸納總結為CO2 → HCOOH → CH2O → CH3OH 和 HCO3- → ∙CO2- → ∙CO- → CH3OH兩種方式。 基於本研究進行機理研究之成果，採用兩種動力學模型對反應進行模擬：(1) 擬一級反應動力學模型：假設在反應階段，溶解于水中之CO2於不同產物之轉換均符合擬一級反應動力學模型，並以此對反應資料進行擬合。(2) 近似穩態模型：該模型適用於系統中具有不確定濃度中間體的自由基反應。故於本研究中，根據機理分析得出之CO2還原路徑，利用近似穩態模型（PSSH）對中間產物與最終產物進行資料擬合。 綜上所述，本研究成功利用純石墨與廢棄石墨進行石墨烯-TiO2材料之製備，並成功將該材料應用於CO2還原反應，更進一步針對反應機理與動力學進行深入探討。

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複合光觸媒製氫及機理分析

本研究選取鱗片石墨作為光催化複合半導體材料的部份原料，應用Hummers改良法合成以石墨烯為基礎的多種具有較高關注度的含碳材料，後經過不同步驟的還原反應，與主要選取的硫化鎘及氧化鎢光催化劑進行披覆，合成多種用於產氫的光催化材料。 製成的半導體材料通過FTIR、XRD、SEM、EDS、UV-Vis等儀器對複合半導體進行表面分析，確認所製成材料的性質從而探討影響其光催化效率的原因。并探討最佳觸媒投加量；Gr/CdS複合材料中Gr的最佳重量比；N-Gr/CdS、Gr/CdS兩種不同石墨改質材料光催化效果的比較及分析；Gr/CdS與WO3分別投加及Gr/CdS/WO3合成材料直接用於光催化反應效果的影響；光催化反應及其對應反應機制的探討，以及三種不同犧牲劑對反應產量的影響。 結果表明，通過物化分析，Graphite oxide、N-graphene、Graphene以及其他光觸媒複合材料都被成功的合成，且有較理想的晶體形態及催化效果。實驗結果證明N-graphene/CdS並未表現出預計的催化效果。而Gr/CdS相比之有更好的光催化產氫率。在0.4 g光觸媒投加劑量下，以Na2S/Na2SO3做為犧牲劑，4 wt%Gr/CdS/WO3複合材料在可見光照射下可達到最佳催化效果，產氫在5小時後量達611μmol·h-1。 本研究結果可作為對光催化領域進一步研究的參考，石墨烯複合的光催化材料具有較理想的研究潛力。在此研究基礎上，可進一步探討材料合成的改進條件及其對產氫可能產生的理論影響。

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以鎂合金廢棄物回收尿液中磷之研究

由於人類活動的介入，使得磷循環無法平衡磷礦資源的消耗，所以磷可視為一種有限資源，因此取代開採磷礦石，使用替代性磷源例如廢水、尿液，就顯得極為重要。為了加速磷資源的循環，我們以化學沉澱法將廢水中的磷回收為可直接再利用鳥糞石，當鎂添加到尿液中，便會和尿液中的磷酸根及銨根反應，形成 鸟粪石沉澱。電化學沉澱法是利用電解鎂電極，使其釋出鎂離子，取代傳統的加藥的方式，其操作較傳統方法簡便。 本研究利用鎂合金製程的廢棄物作為鎂源，以電化學沉澱法回收合成尿液中之磷，研究反應過程中pH、去除效率以及產物純度的隨時間的變化，實驗結果表明，高攪拌速度有利於磷酸根的去除，但如果攪拌速度不夠快，則會造成層流效應，其去除率反而比不攪拌來的低。在初始pH 8時具有最佳的最終去除率，pH 8-10之間具有最佳的去除效率，但由於鎂電極腐蝕剝落物的影響，在最佳去除條件下，產物的最終純度只有30%~40%。為提高產物純度本研究設計一反應裝置，利用電極剝落物和鳥糞石重量的差別，有效分離電極剝落物和鳥糞石，使最終產物純度提升至70%~80%，換算為P2O5含量超過23%，代表回收的鳥糞石不須經過其他的處理過程，可直接作為肥料使用。電化學沉澱法由於成本較低、產生具有經濟價值的產物，且其反應過程中pH隨沉澱物的產生而提升，這個特性有利於工程應用中監控處理的效果，所以電化學沉澱法處理尿液，是一種具有經濟價值和工程潛力的方法。

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水泥與砂石的都市代謝分析

都市代謝是指因都市各式產業活動，以及居民居住、工作、飲食育樂等活動，所帶動的各種物質以不同貨物的型式流動，其中流通量最大量也造成對應環境負荷的是營建材料，係用於居住、工商服務、與公共建設，有需要系統性的視野來，分析這些物質如果經過生產、消費、轉換後再從都市釋出的過程。台灣已近1/3人口居住於大台北地區，都市代謝隨著都市成長的脈動而變化，隨著都市建設與人口成長需求，更加倚賴從外地供應的資源，亦累積大量的物質，未來將成為廢棄物或新的資源。都市代謝分析需要一個系統性的框架，以量測和解析資源投入的趨勢，對於都市消費、廢棄物處置、與都市社會經濟的永續發展有何關聯性。 本研究以台北市及新北市十年間之水泥與砂石相關之物質流的變化描繪動態的都市代謝現象，並探討與相關都市社會經濟活動的關係，代謝標的物質為水泥及砂石兩種物質，調查的系統範圍含蓋各式營建工程，包括公共工程（包含道路、橋樑、防洪、管線、捷運工程）及建築工程兩個子系統，盤查各系統程序的物質流，並解析都市代謝趨勢與過去都市政策、社會經濟因子的關係。另外，運用指標比較兩都市，兩物質的代謝密集度，並計算水泥、砂石在都市建設的二氧化碳排放當量。 結果顯示兩市之水泥砂石代謝，以建築工程為主要驅動力，其次為道路改善維護工程，另一方面平均每年產生447噸之營建混凝土廢棄物。回顧過去的發展政策與社會經濟趨勢，建築工程建案會受到如全球金融風暴、歐債危機及政府都市政策影響，而道路工程會因建設、選舉前夕及路平專案計畫等，使工程數量增多。在環境面，都市水泥砂石代謝所導致的材料製程碳排放以建築工程為大宗，主要來自水泥生產過程。未來營建廢棄物處置將是一個問題。建議政府針對改變建築結構、提高閒置空間再利用率、檢討道路政策、共同管道設置、營建廢棄物處置問題等，以提升都市代謝效率的永續性。

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基於局部線性嵌入和支持向量機的藻類識別

本研究目的在於利用局部線性內嵌(locally linear embedding, LLE)和支持向量機(support vector machines, SVMs)建立有效的藻類識別系統。 總體上，之前的研究顯示，藻類識別系統的準確率大約是90%，但是對於不規則形狀藻類，辨識的準確率會較低。本研究希望延續楊格年代的研究，有效提高系統對不規則藻類的識別率。本系統軟體部分由Matlab 語言開發，用局部線性內嵌提取特徵值，並利用支持向量機進行自動識別。雖然本系統對於雜質部分的識別率較低，但是在不考慮雜質部分的情況下，系統對於非團聚（包括單胞藻、某種未能確認藻種的非團聚的藍綠藻、扭曲單殼縫藻、盤星藻、星鼓藻、柱胞藻）藻類的識別效果令人滿意，識別率都在80%以上。雖然對於未能辨別藻種的團聚的藍綠藻、平裂藻和微囊藻識別率較低，相比於楊格所開發的系統，識別率均有提高。其次本方法分類精度值κ係數為0.8099，也說明它是一種精度較高的方法。再次，利用計算統一設備架構(compute unified device architecture, CUDA)開發的局部線性內嵌的運行速度可提高約一倍。因而，利用基於計算統一設備架構的局部線性內嵌和支持向量機開發的藻類識別系統確實能有效識別藻類，並且比傳統方法更能節約時間。 本系統依然可以進一步改進。首先，在識別藻類之前去除雜質可有效提高識別精度,這極有可能是因為雜質所對應的點並不構成流形。其次，改進局部線性內嵌也有可能提高識別率。第三，在獲取藻類影像的時候應調整合適的景深和視野以提高影像清晰度。第四，稀釋水樣以避免藻類影像重疊。第五，樣本數量過大時，利用局部線性嵌入計算特徵值是非常耗時的，這時利用計算統一設備架構進一步加速局部線性內嵌的計算速度就是必不可少的。

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碳酸化電弧爐渣應用於水泥取代之研究

CO2對於溫室效應的影響是無法忽視的，如何減少更多的二氧化碳排放進入大氣中以及減緩全球暖化的發生，是個非常急迫性的課題。在日常生活中實行節能減碳雖能有效的降低能源的消耗，並減少CO2的排放，但是要有更顯著的效果，應該要針對CO2排放的最大來源─化石燃料業著手進行改善。鹼性固體廢棄物碳酸化程序係根據高鹼度的固體廢棄物溶出鈣、鎂等鹼土金屬離子做為吸附質，並且與CO2 氣體溶解於異體內的碳酸根離子結合形成固態碳酸鈣，同時達到CO2 的捕捉以及安定廢棄物的目的。影響碳酸化效率主要為反應時間(1-60分鐘)、溫度(20-70˚C)、旋轉床轉速(700-1200rpm)以及固液比(20-40)。本研究目標為：（一）以電弧爐還原碴作為吸附材料，利用超重力旋轉填充床進行CO2捕獲；（二）利用反應曲面法評估各種不同參數條件下捕獲CO2的效率；（三）利用碳酸化反應後的爐渣進行水泥取代試驗，以檢測碳酸化電弧爐碴作為水泥取代材料之可行性。