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以超重力程序去除多種空氣污染物之模式與評估之研究

目前發展同步去除多種空氣污染物之新穎技術實為研究發展的新趨勢，且必須同時考量其能源效率、經濟可行性以及可能的環境衝擊；超重力技術是由傳統填充塔改良為旋轉式填充床，進一步減少能源消耗、提升氣液質傳效率，可作為同步去除多種空氣污染物以及二氧化碳礦化與再利用之創新技術。本研究主要探討以超重力技術進行多種空氣污染物去除，以及都市焚化爐飛灰進行二氧化碳礦化之效能、質傳與動力學模式，以及環境衝擊與經濟成本評估等研究；本研究目前各研究目標之工作項目與重點成果，簡述如下： (1) 評估超重力技術同步淨化多種空氣污染物之績效：本研究於國內重點產業建立整合式超重力技術空污防制技術示範，探討煙道尾氣之多種空氣污染物（包含：硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳與懸浮微粒）去除績效評估，使用含高濃度鈣離子與高pH之飛灰水洗液作為吸收劑，臭氧作為氧化劑，評估不同操作參數之影響（包含：超重力因子，液固比與氣液比），實驗結果發現，SO2、NOx與PM之最高去除率分別為96.3±2.1%、99.4 ± 0.3%、95.9 ± 2.1%與83.4 ± 2.6%。此外，反應後吸收劑可回收高純度碳酸鈣，其平均孔隙直徑、BET比表面積以及孔隙體積分別為7.76 µm、2.796 ± 0.096 m2 g-1與0.8377 cm3 g-1，品質可與一般工業用碳酸鈣產品相比。另外藉由圖像法整合不同實驗數據平衡系統能耗與空污減量之關聯性。此外，本研究引用半理論模式與水滴-液膜之懸浮微粒蒐集模式分析懸浮微粒於超重力旋轉填充床內的去除機制，了解水滴、液膜以及填充材對於懸浮微粒去除效率之影響。 (2) 建立超重力系統中對於多種空氣污染物去除之質傳模式 本研究基於雙模理論分析超重力旋轉填充床中NOx-SO2-CO2 氣液質傳行為，基於理論模型與實驗數據，計算各項污染物的氣項質傳係數(KGa)、液項質傳係數(kL) 、以及單位質傳高度(HTU)，並推估由化學反應貢獻於去除績效的增進因子(E)，同時評估不同操作條件下各別污染物的單位能耗，最後整合模式分析、實驗數據與能耗分析結果，推測三種污染物在同一系統中的各別增進因子；研究結果表明，SO2之KGa 遠高於CO2與NOx之KGa，在高鹼度與高鈣離子濃度的吸收劑作用下，且超重力因子較低的情況下，CO2與NOx的吸收貢獻主要來自於化學反應（即增進因子E），隨著超重力因子提升，質傳係數會被提升並抵銷化學反應的貢獻度且HTU也會下降，；此外，本研究分析單位污染物去除能耗，其中各別污染物最佳能耗為0.103 kWh/t-NOx、0.047 kWh/t-SO2以及134.62 kWh/CO2，可對應出NOx、SO2與CO2的KGa分別為1.25 1/s、1.08 1/s與1.7 1/s，其操作條件為超重力因子233.8、氣液比69.5以及，最後以圖解法得到NOx、SO2與CO2的增進因子為1.8、5.9與1.6，可進一步說明本研究SO2去除是來自於化學吸收而非受高質傳作用。 (3) 評估超重力技術結合二氧化碳礦化對於都市焚化飛灰穩定化效果 利用實驗室規模超重力旋轉填充床進行都市焚化飛灰穩定化，結合碳酸化以及水洗程序，探討不同液固比與超重力因子對於飛灰礦化與可溶性氯鹽脫除之效果，結果發現氯鹽萃取率隨著液固比減少而有些微提升，最高氯鹽萃取率為36.35 %，CO2礦化則隨著超重力因子提升而上升，最大單位補碳量為258.5 g-CO2/kg-FA；XRD與SEM結果表明，反應前MSWI-FA主要成分為 KCl、CaClOH、CaSO4與NaCl，經過水洗與碳酸化處理可將反應後飛灰轉化為CaCO3沉澱，且飛灰經碳酸化與水洗後可去除84%的總氯鹽含量；此外，透過能耗與水耗分析發現，當液固比為30時，可獲得最佳的單位補碳與脫氯之能耗0.11 kWh/kg-CO2與1.08 kWh/g-Cl，以及脫氯耗水量1.13 L/g-Cl。 (4) 建立二氧化碳礦化與飛灰中鈣離子溶出行為之反應動力式 本研究分析以超重力旋轉填充床進行MSWI-FA 泥漿的碳酸化與鈣離子濃度於常溫常壓下之反應動力式，使用表面覆蓋模式預測碳酸鈣轉換率"δ" _"Ca" 與反應常數ks，使用史崔特-費普士方程式 (Streeter-Phelps formula) 描述碳酸化期間鈣離子溶出與沉澱行為的反應動力，探討不同液固比與超重力因子對於反應常數之影響，並比較文獻中不同與鹼性廢棄物（如精煉渣、轉爐石、副產石灰、粉煤灰以及焚化飛灰）之動力學反應變化；研究結果發現，"δ" _"Ca" 與ks會隨著超重力因子提升而增加，表示飛灰顆粒可被反應物覆蓋之表面會逐漸減少，當液固比降低時，kp會有些微的上升，且MSWI-FA之kp高於其他廢棄物，說明MSWI-FA有著較多的表面覆蓋率；此外，本研究使用史崔特-費普士方程式描述碳酸化期間，鈣離子溶出與沉澱為競爭行為，當反應剛開始時，因超重力場可提升加速碳酸化反應，使鈣離子濃度會急速消耗，此時沉澱反應常數kd會大於溶出反應常數ka，當pH值降至中性時，此時水中碳酸離子為優勢種，進而降低碳酸鈣沉澱反應，並導致鈣離子濃度再度上升。 (5) 從工程面、環境面與經濟面建立系統最佳化與最適化操作情境 本研究依據超重力對於多種空氣污染物去除以及焚化飛灰穩定化成果，結合技術經濟評估(TEA)與環境衝擊評估(LCA)，同時運用決策分析工具的TOPSIS方法分析其工程面、環境面與經濟面之綜合效益，本研究以國內某焚化廠安裝超重力技術為例，設計兩種操作情境與現有的濕式洗滌塔系統（即BAU情境）進行比較，超重力系統主要可貢獻的效益包含直接與間接的碳權收益（透過鹼性廢棄物補碳）、飛灰穩定化與再利用、及純碳酸鈣產品等；結果顯示，超重力系統可提升空氣污染物的去除效益，同時可兼具飛灰再利用，可同步降低環境衝擊與提升經濟效益，從TOPSIS的結果可提出超重力系統優先操作方案，提供未來超重力技術規模放大之參考。

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城市水系統之動態生命週期評估—以金門為例

生命週期評估 (Life Cycle Assessment, LCA) 是常見的環境衝擊評估方法，用來量化產品於原料開採、製程、使用及廢棄階段對環境的影響。傳統的LCA著重於產品的環境衝擊比較、環境衝擊熱點分析，以供決策者改善建議。然而對於長壽命設施之使用會隨著時間變化，傳統LCA缺乏時間因子，無法呈現隨時間而異的盤查分析及相對應之衝擊變化，因此本研究導入考量時間之動態生命週期評估方法(Dynamic Life Cycle Assessment, DLCA)，量化具有長期使用年限特徵之城市水系統，分析供水及污水處理的環境衝擊。相較於傳統LCA，DLCA記錄時間軸上城市水系統操作之能源與資源使用狀態，追蹤環境衝擊變化。本研究以金門縣水系統為案例，以DLCA方法評估各個水處理設施之長期衝擊動態變化，在技術進步、節水、能源政策、政治風險等情境下，城市水服務之衝擊變化，比傳統LCA更可看到設施環境衝擊變化之趨勢。 　　傳統LCA的衝擊評估結果指出，衝擊最高為紅山淨水場(標準化數值2.18E-11)，一般來說衝擊最高為海水淡化(標準化數值2.41E-12)，其次為再生水(標準化數值2.75E-13)、淨水(標準化數值2.39E-13)，最低是境外引水(標準化數值1.88E-14)，但這之中，紅山淨水廠能源效率和基礎建設使用率都低，使紅山淨水場的衝擊為所有設施中最高。傳統LCA結果於多個水處理設施中低估或高估了衝擊，主要原因可能來自於傳統LCA方法，挑選某一年做為評估基準，而該年度代表了設施壽命的水處理衝擊結果。 　　DLCA分析了城市水系統隨時間變動時對環境衝擊的影響，並展示不同水處理設施每1m3衝擊變化趨勢，淨水廠衝擊與供水量穩定度有關，而污水處理處理水量逐年增加，其處理效率上升使衝擊經攤提而降低。DLCA計算城市水系統服務1m3水之動態的衝擊變化結果，基礎情境境外引水為主要供水水源，平均環境衝擊之標準化值為4.16E-13；水再生技術發展情境之平均標準化數值為4.39E-13，相較於基礎情境，增加水處理設備使衝擊增加22%，但是可以為工業提供了更高品質的再生水；節水情境中，設定每人每日用水量降低10%，平均環境衝擊之標準化值為4.16E-13，儘管節水可以降低能源與藥品等資源使用量，但是此供水量降低使供水設施的使用效率並且改變了城市水處理設施的服務比率，相較於基礎情境每噸水增加了0.4%衝擊，若計算壽命總衝擊時則是衝擊最低的情境；能源政策情境對整體結果相較於基礎情境小於0.1%，在能源衝擊的管理上，優先考慮降低能源耗用；考慮金門面對政治風險而無法使用境外引水的情況下，政治風險情境之平均標準化衝擊數值為7.03E-13，儘管2019年污水廠擴建，提高再生水使用在此情境中些微降低衝擊，但隨著逐年增加之用水需求，對於海水淡化的依賴越高。整體而言，DLCA提供了時間維度的環境衝擊結果，使衝擊量化可以隨著不同時間給予實際狀態之評估結果，發展為具有長期時間維度之衝擊管理工具。

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串聯微分電移動度粒徑分析儀和單顆粒感應耦合電漿質譜儀以粒徑維度分析水中金屬奈米顆粒

因人類活動而產生釋放至環境中的人造奈米顆粒可能會對人體健康及環境造成傷害，其中奈米顆粒的特性及毒性和其大小、濃度及元素組成具有高度相關。此篇研究中使用了一套串聯霧化器(atomizer, ATM)、微分電移動度粒徑分析儀(differential mobility analyzer, DMA)和單顆粒感應耦合電漿質譜儀(single particle inductively coupled plasma mass spectrometry, spICP-MS)之系統藉以分析環境樣品中奈米顆粒之大小、濃度及元素組成。透過在霧化器後連結一個管狀高溫爐可提升該ATM-DMA-spICPMS串聯系統的表現，並通過標準金奈米顆粒的驗證。同時，也能以該系統分析得到金核/銀殼奈米顆粒的真實粒徑及元素組成。這套ATM-DMA-spICPMS串聯系統應用於分析自來水中的鐵及鉛奈米顆粒。結果顯示，串聯系統的分析可獲得奈米鐵和奈米鉛顆粒之大小及濃度，且粒徑分析結果和掃描式光學顯微鏡相符合。然而，樣品中的溶解態金屬離子亦被發現會對顆粒數目濃度之結果產生些微影響。總結來說，ATM-DMA-spICPMS串聯系統相較於單獨使用spICP-MS可更精確地提供水中金屬奈米顆粒的粒徑、濃度及元素組成的分析結果，對於了解環境中奈米顆粒的特性及毒性具有重要意義。

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臺灣化學品管理績效指標框架之研究

雖然國際間通過以國際化學品管理策略方針(Strategic Approach to International Chemicals Management，SAICM)作為推動全球化學物質安全管理的國際政策架構，由於化學管理推動績效尚未有一致性的衡量方式，因此在溝通化學品管理推動成果易產生概念抽象模糊，亦不易掌握全球環境現況及環境問題相互影響。 由於國際間尚未產出標準化的化學品管理績效衡量方法，但可從現行各國使用的績效指標中發現共通性原則及整體管理趨勢，因此本研究藉由文獻回顧，蒐集包含加拿大、澳洲、經濟合作發展組織(Organization for Economic Cooperation and Development，OECD)、歐盟及聯合國(SAICM)化學品管理績效指標；並運用綜合研析方式，分析指標組成、影響評估方式及指標架構，並以汞管理績效指標作為實證分析，以檢討修正解析內容，最後與我國化學品管理績效指標分析比較，提出臺灣化學品管理績效指標框架之建議。 依據研究結果，可將化學品管理績效指標組成分為計畫階段的「投入、活動、產出」指標，以及影響階段「結果指標、影響指標」，並利用PSR(Pressure壓力，State狀態，Response響應)因果鏈，建立管理績效指標框架及情境模組；另外依據我國與美國、加拿大及日本的指標分析比對結果，則提出臺灣化學品管理績效指標框架及建議評估項目，以及未來指標發展建議。

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以超聲波連續流裝置同時去除水中異丙醇與過氧化氫之研究

過氧化氫 (Hydrogen peroxide, H₂O₂) 與異丙醇 (Isopropanol, IPA) 大量用於半導體製程中，且為了不額外產生污泥與擴大處理設備，提出在原有的設備中加裝超聲波，本研究為在連續流反應器中以超聲波搭配臭氧 (US/O₃) 去除過氧化氫與異丙醇，作為未來放大規模之前導實驗的參考。 本研究使用頻率20 kHz與功率500 W的超聲波，以批次實驗研究降解過氧化氫與異丙醇之反應動力學與自由基反應，探討在US/O₃連續流系統中進流量、氨氮、pH值、過氧化氫及異丙醇的初始濃度對去除率之影響，並觀察系統中氨氮變化與異丙醇之副產物，最終將US/O₃連續流系統應用在實場廢水中。 根據聲化學中空蝕現象 (Acoustic cavitation)，本系統降解過氧化氫與異丙醇的主要反應機制，過氧化氫為空蝕氣泡中熱裂解，異丙醇為氣泡的液氣界面處被氫氧自由基氧化。結果發現在鹼性環境中氨氮透過鹽析作用 (Salting out) 使過氧化氫有利於進入空蝕氣泡中熱裂解，產生更多氫氧自由基，在pH值為10中247 ppm的氨氮比0 ppm的氨氮，其過氧化氫與異丙醇去除率提升41.81%與36.74%，結果相比過去的研究，能更有效去除水中過氧化氫。將本系統應用在半導體廠廢水，在水力停留時間為33分鐘時，廢水中過氧化氫與異丙醇之去除率為80%及70%，證明本研究成功建立US/O₃連續流系統處理實廠廢水。

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利用靜電紡絲固定及保存菌種去除水中塑化劑 (鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯)

近年來塑膠產業興盛，為了工業需求時常需添加塑化劑增加塑膠的柔軟度，其中，鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 (Di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP ) 為世界上使用較大量的塑化劑，因結構中含有苯環及較長碳鏈造成其性質安定不易分解，故廣泛存在於環境中且易累積造成生物毒性，近年來處理被DEHP污染的場域便是當務之急。其中以生物降解DEHP的方式較為有效、成本低且對環境友善，而當中能夠快速降解DEHP之菌種需特別由環境中分離純化，在利用微生物降解污染物上，如何保存菌種以及維持其活性便是很重要的環節。 本研究主題為將具有降解DEHP能力之菌種保存以及固定於以靜電紡絲技術製作出之奈米纖維膜中，此兩株菌分別為能將DEHP分解成中間產物鄰苯二甲酸 (phthalate acid, PA)的Acidovorax sp.，以及將後續PA降解為無毒最終產物的Thauera sp.，在 4℃下保存於纖維中數天後再進行後續降解水中DEHP之試驗。因靜電紡絲之纖維具有高比表面積及材料多樣等特性，故須先進行纖維材料優化，經共軸及單軸進行方法可行性評估後，發現共軸之穩定性較低，無法長時間收集纖維達到一定菌量，較不利於應用，而非水溶性纖維其溶劑通常對微生物有毒性，無法維持其活性，而以單軸形式製作出水溶性纖維較適合固定及保存菌種來降解DEHP，因此進行電紡製作出聚乙烯醇 (Polyvinyl alcohol, PVA) 纖維。 為了確認菌種經過電紡以及在纖維保存數天後是否仍具有降解DEHP之能力，本實驗設計不同保存天數再將纖維溶解於無氧培養基中以HPLC檢測水中DEHP及中間產物PA之濃度。由實驗結果可知，兩株菌種經電紡後保存於PVA纖維中21天內能將水中至少 90 %之1 mM DEHP在無氧狀態下完全降解，因DEHP為塑化劑，會被水中PVA進行吸附，但菌種仍能代謝吸附於高分子中的DEHP，且因菌種均為脫硝菌，同時也能將10 mM之硝酸根去除至少50 %以上。最後由共軛焦螢光顯微鏡顯示菌種確實被包覆於纖維內部，綜觀以上結果可得出本研究之優勢為：(1)以纖維保存菌種在存放以及運送上相比於液態均較為方便。(2)纖維中可存放大量菌種，於水中能快速溶解將菌種釋出且不需事先活化，能夠有效降解DEHP。 (3)可將水中硝酸根去除變為對環境較無害之氮氣。(4) PVA為環境友善之高分子，於環境中可被自然分解。

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以水熱法進行污泥資源化的研究

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校園新建築自來水中鉛溶出之調查與鉛奈米顆粒流體行為之研究

自來水鉛污染是一長期被忽視的問題，其中從含鉛管材釋出之顆粒鉛對於自來水偶發性高濃度的鉛污染有很大的影響。然而，目前針對顆粒鉛，尤其是奈米等級鉛顆粒的釋出與傳輸尚未有詳細的研究。現今，鉛仍被廣泛做為黃銅管材的添加材料，因此，即使是新建築中的自來水也可能有鉛污染的問題。本研究針對國立臺灣大學內四棟新建築(屋齡<5年)中的13個水龍頭進行為期一年的水質監測。另外，針對其中一採樣點進行不同流況下(1.1, 3.3, 7.0, 13.3 L/min)鉛奈米顆粒的釋出之偵測，並搭配計算流體力學(CFD)模擬鉛奈米顆粒在水龍頭中之流體行為。新建築採樣監測中，以第一時間採樣(first draw sampling)與日間隨機採樣(random daytime sampling)總共採集了309個自來水樣本，搭配0.22 μm孔徑濾膜過濾，使用單顆粒式感應耦合電漿質譜儀(spICP-MS)檢測溶解鉛、總鉛及鉛奈米顆粒和其他金屬包含銅、鋅、鐵，以探討鉛與銅、鋅、鐵之間的相關性。實驗結果顯示，有3.2%的樣品總鉛濃度超過台灣飲用水含鉛量規範(10 μg/L)。在第四棟建築當中，溶解/總鉛濃度與溶解/總銅、鋅和鐵都呈現正相關。另外，第二棟建築中鉛奈米顆粒與銅奈米顆粒的粒子質量濃度上有最強之正相關性。第一時間採樣所得之鉛、銅、鋅奈米顆粒相較日間隨機採樣而言有較大的平均粒徑，推測原因為第一時間採樣之樣品於管線中之滯留時間較長，有較多較大粒徑鉛顆粒的累積。另外，於較高的流速下，採集到的鉛奈米顆粒有較高的粒子重量濃度與平均粒徑。CFD模擬結果顯示於紊流下(13.3 L/min)，更多的鉛奈米顆粒被沖刷並流出水龍頭。

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應用機械學習預測污水廠放流水之氨氮

廢污水中的氨氮是水體常見污染物，也是現今污水廠需要去除的主要物質之一。透過預測放流水氨氮，可用於輔助工作人員之最佳化操作，降低污水廠運作成本。因此，本研究將使用機械學習模型對放流水水中的氨氮進行預測，計算預測結果與實際量測值差異，選擇最適合的模型。 本研究使用迪化污水處理廠 2020 年一月至十月之每小時水質數據，使用氫離子濃度指數、水溫、導電度、化學需氧量、氨氮及懸浮固體為原始資料，經由特徵值篩選後，透過 XGBoost、梯度提升機模型、LightGBM、隨機森林模型、極度隨機樹五種機械學習模型，分別對十一月第一週放流水之氨氮進行預測。得到訓練結果後進行參數調整以優化模型，最後將訓練集和驗證集數據整合，得到最終模型。結果顯示，五種模型之準確率分別為 84.8%、40.8%、70.8%、85% 和 40%，其中 XGBoost 和隨機森林模型具有較好的預測準確率，梯度提升機和極度隨機樹模型的評鑒指標與前二者差距不大，但預測結果並不理想，推測與輸入數據的雜訊有關。此外，峰值的預測上，XGBoost 模型有更好的效果。研究表明，使用 XGBoost 等機器學習模型可在一定程度上預測放流水之氨氮濃度。

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電子煙氣膠對動脈硬化的影響：粒徑分佈和化學成分的作用

近年來市面上流行一種新興菸品電子煙，其原理是將金屬加熱芯通電產生熱能，加熱電子煙油產生煙霧。由於非透過燃燒方式，使用者認為其比傳統煙草香菸健康。然而，含有甘油、丙二醇及人工香精的電子煙油成分會在加熱過程中分解，產生有害副產物並被使用者吸入。此外，電子煙的加熱芯是由金屬零件所構成，已被證實其金屬成分會隨著霧化過程排放。這些有毒物質在人體呼吸道中的沉積會受到粒徑分佈的影響。因此，為了識別傳統香煙和電子煙的健康危害差別，本研究分析了這兩種菸品煙霧的物化特性，包含粒徑分佈、金屬及多環芳烴 (PAHs) 成分，並利用多途徑粒徑沉積模式 (MPPD) 模擬出顆粒沉積於人體呼吸道機率及區域，應用於增量終身致癌風險 (ELCR) 來評估兩種煙品的致癌風險。另一方面，由於吸入傳統煙草煙霧已被證實會造成動脈硬化發展，本研究利用人體主動脈內皮細胞 (HAECs) 及 ApoE-/- 小鼠暴露實驗，來觀察電子煙對動脈硬化的影響。 化學成分結果顯示，電子煙煙霧中的金屬鉻、錳、鎳、釩，以及香菸煙霧中的鎘、錳、鎳皆超過美國毒性物質及疾病登記署 (ATSDR) 規範的吸入最低風險值 (MRL)。由於電子煙是透過加熱方式霧化煙油並非燃燒，因此其產生的多環芳烴量遠低於香煙。氣膠物理特性結果顯示，電子煙與香菸產生的總顆粒濃度都為107 #/cm3。顆粒吸入人體後，兩者皆以沉積在肺泡區域為主，基於質量的總沉積機率電子煙為18.60%，香菸為15.44%。根據化學成分及肺部沉積劑量結果，電子煙的增量終身致癌風險值低於香煙。 細胞實驗方面，HAECs 暴露於電子煙油24小時後，觀察到活性氧物質 (ROS) 量顯著上升，mRNA 表達結果其差異與控制組相比皆未達到統計意義，但有觀察到劑量依賴性的現象。因此推測煙油中的成分可能會使內皮細胞功能受損並引起發炎反應。然而，在氣膠萃取物暴露組沒有觀察到清楚的效應，推測與用濾紙收集氣膠方式有關。濾紙收集為顆粒物質而非氣相污染物，此外，收集到的顆粒可能因其揮發性而損失。動物暴露結果方面，ApoE-/- 小鼠經短期及高劑量電子煙暴露後，頸動脈斑塊面積比例及內皮mRNA表達量與非暴露組相比皆未達到統計意義。