臺灣大學環境工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
全氟化物為良好的介面活性劑，具有熱穩定性和化學穩定性之化學特性，並常被用於工業產品中，許多文獻證實長碳鏈全氟化物全氟辛酸 (Perfluorooctanoic acid, PFOA) 與全氟辛烷磺酸 (Perfluorooctanesulfonic acid, PFOS)對環境與人體具有危害性，已被許多國家限制使用，故轉而使用短碳鏈全氟丁烷磺酸(Perfluorobutanesulfonic Acid, PFBS)，作為長碳鏈全氟化物的替代化學品，現今許多環境水體中已測出PFBS，因此開發有效的PFBS處理方法勢在必行。 本研究利用UV/亞硫酸鹽系統光催化誘發水合電子，以還原降解PFBS，並探討不同實驗參數對UV/亞硫酸鹽系統降解PFBS之影響。由結果顯示，濃度20.0 mg/L PFBS溶液之最佳降解參數為亞硫酸鹽濃度0.02M，初始pH值為11，系統溫度45℃，攪拌速率300rpm，於系統反應360分鐘後，可達到去除率79.2 %、脫氟率58.3 %，且生成短鏈全氟羧酸和氟離子，而PFBS去除之反應速率常數為0.33 hr-1，脫氟之反應速率常數為0.21 hr-1。PFBS處理效能與初始pH值和反應溫度呈正相關，曝氮氣呈負相關，而系統中亞硫酸鹽濃度過高，會抑制PFBS之處理效能。由中間產物分析結果表明，水合電子還原降解PFBS主要有三種降解途徑分別為脫磺酸反應、H/F交換反應以及C–C的斷鍵反應。 本研究以最佳參數降解PFOA與PFOS，利用反應動力學比較PFBS、PFOA與PFOS三者，其結果顯示擬一階降解的反應速率常數PFOA > PFOS > PFBS，而降解之反應活化能(Ea)分別為90.2 kJ/mole、319.4 kJ/mole與364.6 kJ/mole。PFBS、PFOA與PFOS三者之去除與脫氟的反應速率會與官能基、氟烷基鏈長度與C–F鍵低鍵離解能的位置和數量有關。同時本研究開發二階反應模型，可準確預測UV/亞硫酸鹽系統在15℃ ~ 45℃之溫度範圍下，PFBS、PFOA與PFOS於各反應時間下之去除率與脫氟率。
- 學位論文
異丙醇(Isopropyl alcohol, IPA)為半導體製程廠廢水中廣泛常見的污染物，因此本研究利用微波強化高級氧化處理(Microwave-enhanced advanced oxidation processes, MW-enhanced AOPs)並結合過氧化氫(H2O2)，比較在微波催化劑對異丙醇降解效率的影響。在 MW/H2O2 系統中反應90 分鐘內可將IPA完全降解，相較之下，單獨使用微波照射、單獨使用H2O2氧化，或以加熱(Thermal, TH)合併H2O2的系統，其去除IPA的效率分別為4.8%、6.1%和68.2%。IPA降解動力學在MW/H2O2和TH/H2O2系統中遵循擬一階動力反應，而其他系統為擬零階動力反應。在特定H2O2劑量下，降解效率隨著H2O2劑量增加而上升，過量的過氧化氫會捕捉氫氧自由基 而抑制IPA的氧化。MW/H2O2系統降解IPA的中間產物包含丙酮與短鏈有機酸等分別進行定性與定量分析，並以總有機碳的質量平衡來進行確認降解途徑。 對於此微波異相催化氧化系統，H2O2和活性碳(AC)的角色分別為氧化劑和微波吸收劑。本研究另外對於操作參數(過氧化氫濃度-[H2O2]、IPA初始濃度-[IPA]i、催化劑量- AC dosage)對 IPA 礦化的影響以Design-Expert® software version 12設計最佳化操作並以反應曲面方法論（Response surface methodology, RSM）進行優化。本研究所獲得最佳設計條件為：[H2O2] = 0.132 M, 活性碳劑量 = 108 - 123 g/L, [IPA]i = 36.82 - 100 mM, 照射時間= 4 min和照射溫度= 80°C，結果顯示活性碳劑量和初始 IPA濃度為主要去除IPA的影響因子。反應變化曲線中回歸線的R2 = 0.9948 和調整後的R2 = 0.9902顯示模式符合二次式適配。以MW/AC/H2O2組合反應系統相較於其他組合系統去除IPA效率最高和最快。最後，本研究針對高濃度IPA污水設計一上流式連續流微波催化反應器。
- 學位論文
循環經濟是近年各國政府的重點發展目標，許多政策討論和研究計畫圍繞著此議題進行。循環經濟有賴系統性設計，而文獻指出區塊鏈技術能夠在循環轉型的過程中扮演輔助的角色，提升經濟環境的資源效率。本研究首先以主題分析釐清商業模式的循環轉型過程，以及許可制和非許可制區塊鏈網路在其中的潛在應用。本研究基於以太坊區塊鏈智能合約開發去中心化的資源共享工具，此工具設計為出售和出租閒置物品所用。本研究認為，非許可制區塊鏈中的市場機制可能阻礙此種資源共享工具的經濟可行性。 區塊鏈網絡記帳或記錄保持的能源消耗是其最主要的環境衝擊來源。本研究使用生命週期評估和定量水能鏈結分析進行環境影響評估闡明營運區塊鏈網絡的環境衝擊，並指出其對水系統的潛在影響。此外，本研究亦研擬衝擊減緩策略，鎖定區塊鏈網路的機房設施濕式冷卻塔為對象進行循環改造，成為能夠回收水資源與鹵水資源的零排放模式。此減緩策略能夠減少13%的營運區塊鏈網路所需的用水量，並可望降低部分能源需求。本研究亦討論了其他區塊鏈融入循環經濟的挑戰，並根據研究結果提出監管的政策建議。
- 學位論文
在台灣，隨著都市化及工業化的發展，越來越多人會居住在道路旁或是工業區附近，這使得民眾對於自身空氣污染物的暴露風險評估也越來越重視。而排放因子作為暴露風險模擬的輸入參數之一，計算最符合實際污染狀況的排放因子就極其重要。 根據污染源本身的特性可以分為固定污染源以及移動污染源，固定污染源主要關注工業區的人為排放，而移動污染源主要就是交通源。過去對工業區料堆的排放因子主要參考EPA AP-42裡面的經驗公式，這個經驗公式只能以近似的狀況計算人為因素產生的揚塵而忽略自然因素，所以必須建立另一種方法來計算料堆排放因子來更符合實際的逸散量。過去對交通源排放因子的研究認為移動量測是最符合實際道路污染狀況的方法，然而，過去多是以單一排氣管量測的結果來換算為整條道路的車隊排放因子或是進行隧道量測這類封閉空間的量測，這些方法與實際道路狀況也有許多差異，所以計算實際開放道路的車隊排放因子也有其必要性。 本研究針對固定污染源利用高雄S工業區內部的固定測站的資料來進行分析，位於上游的A測站作為背景測站，而下游的C測站為受到逸散源影響的測站。從排放因子與風速之間的關係來觀察，PM2.5~10的排放因子具有兩種不同的揚塵行為，兩種都與風速呈指數遞增的關係，於是推測兩種行為皆是由風力所主導的揚起行為。然而，另一種揚起行為只出現在低風速的情況，透過其與CO通量的相關性可以推測這種行為除了自然因素揚起以外，人為擾動也有參與這類的揚起行為，而且相比於同風速的排放因子，這個情況的排放因子明顯較高，所以本研究認為這種行為是造成下游空氣品質劣化的主因。最後，由AP-42估計的排放因子與本研究比較，經驗公式並無法體現與天氣因素的變化，表示經驗公式存在某些限制而有辦法正確的體現實際的排放狀況。 針對移動污染源本研究使用實際的道路移動監測來計算台灣大道的車隊排放因子，並且以蒐集所有車輛排放的方式來對實際道路的車隊排放因子進行研究，並且透過量測的時間序列方法來估計背景濃度。本研究也透過二氧化碳的結果來分辨交通排放的煙流，並分析每縷煙流的黑炭、數目濃度以及NO的車隊排放因子。本研究計算的黑炭排放因子約為100~300 mg/kgfuel、數目濃度為5~32 1014#/kgfuel，NO約為4~17 g/kgfuel，之前的研究通常只分析單一因素與排放因子之間的關係，而本研究將所有可能的因素共同進行因子分析，以期找出造成污染的熱區以及時段的原因。經由因子分析的結果可以看到，所有污染物共同發生的熱區及時段都是在早上的山區，發生的原因也都與卡車這類重污染車輛的上坡行為導致，雖然屬於低機率事件，但是對整個排放因子的影響非常大，所以可以初步評估如果要改善台灣大道的交通排放，可以從大型重污染車輛的駕駛行為著手。
- 學位論文
揮發性有機物(Volatile organic compound, VOC)為近年來中央及各地方主管機關在空氣污染管制上的重點物質，而其光化學衍生物也對環境生態以及人體健康有短期和長期的影響，如何限制和控制VOC的排放就成為了空氣污染防制中一個極其重要的課題。 球狀活性碳(Beaded activated carbon, BAC)由於其高機械強度、高比表面積及高度流動性等特性，因此成為可被應用於VOC控制之吸附材料，且特別適合被應用於流體化床技術中。而活性碳吸附法除了可以去除低濃度VOC外，也具有回收有價值之蒸氣的潛力。 本研究使用商用球狀活性碳，吸附去除甲苯(TOL)及丁酮(MEK)，並搭配電熱再生技術(Electrothermal Swing System, ETS)，在惰性氣體環境中對活性碳通電以加熱球狀活性碳並使吸附質脫附，達到活性碳再利用的目的。 由氮氣吸脫附結果顯示材料之BET比表面積介於1135.69－1277.81 m2 g-1，孔體積介於0.473－0.522 cm3 g-1。經過一次吸脫附後球狀活性碳其比表面積與微孔體積有略為減少，而經過循環吸脫附試驗後之球狀活性碳，其微孔表面積與微孔體積有顯著的下降，此下降現象也反映在吸附容量上面。 研究以電熱方式對吸附TOL及MEK至飽和之BAC在120、140、160oC三種不同溫度條件下進行再生，吸附TOL之BAC (TOL-BAC)脫附效率介於54.83‒79.68%，而吸附MEK之BAC (MEK-BAC)脫附效率介於84.67‒89.88%之間，兩者均呈現隨著溫度升高，脫附效率也越高。而在循環吸/脫附試驗當中，經過6個循環後，吸附TOL及MEK的BAC吸附容量均有減少，而TOL-BAC相較於MEK-BAC，其影響更為顯著，第二循環之吸附容量已經減少至約原始吸附容量的一半，而MEK-BAC還有著約7成的吸附容量，較低的吸附效率可能源自於活性碳再生過程中孔洞結構的塌陷降低表面積及孔體積。整體而言，本研究探討了電熱系統對於TOL及MEK之脫附效率以及應用於球狀活性碳上之可行性。
- 學位論文
隨著經濟的快速增長，生產過程中使用了許多不同的化學物質，這導致化學和電子工業產生了大量的揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）。因此，這項研究以親水性高，濃度高的氣相揮發性有機化合物作為本研究的方向，然後使用不同的化學藥品和不同的操作參數去找出理想的條件。期望達到低成本、佔地少，並能高效率去除VOCs，本研究以四種方法去設計，例如：吸收、氧化、先氧化再吸收和先吸收後氧化。發現三甲胺(Trimethylamine, TMA)的去除效率受氣液比的顯著影響。例如，當氣液比低於 20 時，觀察到三甲胺的去除效率為 80-85%。其中，最佳實踐是通過引入二氧化氯作為三甲胺高達99.96%，其中超重力因子為9.56、氣液比為14.29。另外，本研究將會以半導體常使用有機溶劑-異丙醇(Isopropyl alcohol, IPA) 摸擬實場的排放約10000ppm的濃度系統的空氣流量為15 LPM，並透過超重力旋轉填充床進行吸收和氧化.並達到煙道排放標準400ppm以下為目標。並發現異丙醇透過吸收法，該去除效率在80-92%的範圍內。加入氣相氧化劑後，去除效率高達96.52%，可達到400 PPM的排放標準。異丙醇和三甲胺總傳質係數都可以利用無因次分析，建立經驗公式，預估誤差分別約為 ±25% 和 ±12%。最後本研究提出 Pcap 針對能源消耗和去除效率做鏈結，並以其實驗計做出成本分析。
- 學位論文
自工業革命以來，科技與經濟活動蓬勃發展，大幅的改善與提高的人們的生活品質，然而伴隨著空氣污染物的排放，過去易被忽略的環境與生態問題也逐一浮現，其中，氮氧化物為指標性空氣污染物之一，對於環境與人體的傷害日益受到重視，政府部門所訂定的氮氧化物排放標準逐漸加嚴，也使科學家開始發展更有效率的氮氧化物去除技術。應用超重力旋轉床去除氮氧化物為相當具有潛力的空氣污染控制技術，透過離心力使反應器內產生高質傳的特性，可於一般常溫下操作，也大幅縮減傳統氧化吸收的濕式洗滌法所需要的設備體積。 本研究為利用超重力旋轉填充床進行化學氧化吸收程序去除氮氧化物，過程中包含測試各式氣相與液相藥劑、旋轉床操作條件與高中低濃度污染物負荷於氧化吸收程序中的去除效率。研究結果顯示以一氧化氮為主要成分 ((NO)⁄(NO_X≈0.9)) ，總濃度為200 ppm的氮氧化物，於氣液比20、超重力因子86、氣相氧化劑為二氧化氯與液相吸收劑為亞硫酸鈉的操作條件下，氮氧化物的總去除率達98.99 %；當污染物濃度提高至750 ppm時，以相同的操作條件，氮氧化物的總去除率仍可維持在98 %以上，且尾氣濃度也符合法規排放標準。此外，本研究中也對系統質傳係數進行因次分析，並建立相關的數學模式；另一方面，為了考量此技術於未來實務操作的可能性，對系統進行簡易的能耗評估與成本分析。期盼透過本研究的模組實驗、數學模式與能耗成本分析，提高此技術於實廠中應用的可行性。
- 學位論文
抗生素抗藥性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)於近來年開始被視為一種新興汙染物(emerging contaminants)，由於人類的大量使用，導致抗生素抗性基因已於各種環境被檢測到，特別是水生環境中。抗生素抗藥性基因可能會透過水平基因轉移增強抗生素抗性於非抗藥性細菌菌群中的傳播，因此如何去除水中的抗藥性抗性基因便成為一大研究課題。本研究將使用紫外光結合自由餘氯之高級氧化處理程序，評估其對於所選定之目標基因–帶有四環黴素及氨芐青黴素抗性的質體pWH1266的降解效果，以探討使用不同紫外光波長做為高級氧化處理之紫外光光源下對於細胞外抗生素抗性基因之降解效果，以及自由基在降解抗生素抗性基因中的貢獻度，並透過即時聚合酶連鎖反應偵測抗生素抗性基因在經過高級氧化處理後基因之完整性以定量抗生素抗性基因以及使用塗盤培養法測試基因在受到損傷後的自然轉形能力是否受到抑制。透過批次式實驗的結果可以發現不論是以處理程序最終可達成之log reduction還是一階反應動力常數k，LPUV (254 nm)/Chlorine對於抗生素抗性基因降解之效果優於UV-C LED (275 nm)/Chlorine，表示在本研究中波長254 nm之紫外光更適合做為UV/Chlorine AOP的紫外光光源；當在UV/Chlorine AOP中添加scavenger以去除系統中的ROS或RCS後可發現LPUV/Chlorine和UV-C/Chlorine對於降解抗生素抗性基因的效果在短擴增子中兩者皆下降了20%，在長擴增子則分別下降了20%及25~30%，且ROS對基因降解佔了大部分的貢獻度，RCS則只佔了小部分的貢獻度；而於自然轉形抑制實驗中則可發現抗生素抗性基因完整性的破壞確實可以抑制自然轉形的發生。
- 學位論文
塑膠微粒目前已廣泛存在於環境水體中，其對於生態環境的影響及衝擊為國際間高度重視的議題之一。環境中的塑膠微粒在陽光照射下會逐漸老化，導致表面物化特性改變，間接影響環境水體中其他汙染物的宿命。然而，老化塑膠微粒的光化學反應及對環境水體中共存之新興汙染物的影響至今卻很少被提及與研究。因此，本研究選用環境中分布廣泛的聚苯乙烯塑膠微粒，利用紫外光加速老化，探討不同老化時間 (0-7 天) 聚苯乙烯塑膠微粒對水中新興汙染藥物──希每得定 (cimetidine) 光降解的影響與機制。研究結果顯示，在模擬陽光 (強度 700 W/m2) 照射兩小時下，99%以上cimetidine 能被老化五天的聚苯乙烯塑膠微粒加速降解，而未經老化的聚苯乙烯塑膠微粒僅造成 8%的 cimetidine 降解。老化後聚苯乙烯塑膠微粒能促進 cimetidine 的光降解與老化過程中含氧官能基 (C=O, C-O) 增加及吸收峰紅移有關，使其光反應性上升，進而產生環境持久性自由基 (environmental persistent free radicals)、氫氧自由基、單氧自由基和激發三重態聚苯乙烯等活性物種。然而，進一步研究發現系統中僅有單氧自由基和激發三重態聚苯乙烯能促進cimetidine光降解，其中又以單氧自由基的貢獻較多。本研究同時發現易受間接光解影響的新興汙染藥物──嗎啡和可待因與老化五天聚苯乙烯塑膠微粒共存時可分別在 4 和 5 小時的陽光照射下被完全降解 (>99%)。因此本研究結果顯示，老化聚苯乙烯塑膠微粒在環境中能扮演光敏劑角色，進而提升水中共存新興汙染藥物的光降解行為。
- 學位論文
地下水污染整治一直以來都是維持永續水資源的重要課題，利用現地的方式處理地下水污染是較經濟且對環境較友善的方法。透水性反應牆（permeable reactive barrier, PRB）和現地化學氧化 (In-situ chemical oxidation, ISCO)為現地處理地下水污染的方法。本研究使用氧化銅(CuO)作為透水性反應牆之反應介質，結合過二硫酸鹽作為氧化劑，以現地透水性反應牆化學氧化方式評估在固定流量條件下，2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚及五氯酚的降解效率，並探討不同水質參數包含氯離子、硝酸根、硫酸根、碳酸氫根及腐植酸對五氯酚去除率的影響。追蹤劑實驗結果顯示，架設的實驗系統為重力流，在定流量的條件下（4.8 mL/min），整體水利停留時間為60-75分鐘，而流經CuO透水性反應牆的時間約為10分鐘。三種氯酚類目標污染物在去離子水為基質下的去除率皆可達到99%以上，在含有各種離子的水質條件下，去除效率則有以下的趨勢：2,4,6-三氯酚 > 2,4-二氯酚 > 五氯酚。針對五氯酚在不同水質參數下的降解，實驗結果顯示氯離子和硝酸根對去除效率沒有太大影響，當硫酸根及碳酸氫根濃度分別提高至1.04 mM及10 mM，其去除率仍維持在約90%，較高濃度的腐植酸( 5 mg C/L）則使五氯酚的去除率從96%降至68％，結果顯示腐植酸可能會覆蓋在氧化銅的表面上並有消耗自由基的作用，進而影響五氯酚的降解。