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環境保護:觸媒與空氣污染

空氣是環境的重要組成要素,人的生存必須依靠空氣。因此,空氣品質的優劣,直接影響整體生態。因此空氣污染的研究,是當前重要的環境課題之一。
 
 
 
人的生存必須依靠空氣,成年人平均每天約需一公斤的糧食和二公斤的水,但對空氣的需求則多達13.6公斤(約10立方公尺)。不僅如此,如果三者同時斷絕供應時,首先致死的原因會是由於「空氣缺乏」。此外,空氣污染對人的影響通常比水污染或土壤污染的範圍較廣,世界上已發生的重大「公害事件」,大多是空氣污染造成的。當然,空氣污染的原因不只是人類的活動,也有森林野火或火山爆發等天災事件。不過,後者在大氣污染問題的研究中屬於次要影響,而且也超出人類的控制能力。

空氣污染是什麼

空氣污染就是空氣中的物質含量足以產生臭味、危害環境及人體健康或影響視覺景觀。許多污染物是由於人類活動而進入大氣環境中,但這些活動和生活水準是息息相關的,減少活動會導致生活水準的降低。

空氣品質會受到路上的車輛和工業所排放的污染物所影響,當我們吸入這些污染物時,會感到不適並對健康造成不良的影響。一旦這些污染物在空氣中的含量超過特定標準時,我們便宣稱:空氣正受到污染。

空氣污染的來源

空氣污染的來源主要是由工業、汽車、家居及火山所造成的,而空氣中主要的污染物有氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳、臭氧及光化學氧化物、總懸浮微粒及可吸入的懸浮微粒等。

氮氧化物主要來自於高溫燃燒,例如發電廠及汽車引擎操作時。其中一氧化氮是燃燒過程中產生的主要氮氧化物,可轉化為二氧化氮。而二氧化氮是一種腐蝕性及氧化能力強的淺咖啡色氣體,濃度高時會有刺激性酸味。在陽光下二氧化氮可和活躍的有機化合物生成臭氧,因此二氧化氮是城市中生成光化學煙霧的主要成分。

二氧化硫是一種無色、且活性甚強的氣體,在低濃度時無臭,但在濃度極高時卻有刺激性酸味。其主要來源則是燃燒礦物燃料的發電廠及工業鍋爐。

一氧化碳是無色、無臭、無味的氣體,是碳在不完全燃燒的情況下產生的副產品。另外,工業程序也會增加一氧化碳污染濃度,但在大部分的市區,例如在香港,一氧化碳的主要來源則是汽車。

臭氧並非由市區或工業區某些特別工業程序所直接產生並排放在大氣中的,因此只能視為一種次生污染物。臭氧及其他光化學氧化物,是由太陽的紫外光與氮氧化物產生光解作用而形成的,它們的生成與否和濃度高低與初生污染物種類及紫外線有直接關係。在揮發性有機化合物存在時,會產生高濃度的臭氧。

總懸浮微粒以固體物質、液體點滴或凝結蒸氣的形態懸浮在空氣中,來源可能是天然的,例如由海風吹送的海鹽及由風揚起的土壤粒子;或人工的,例如柴油車、建築活動或工廠。總懸浮粒子包括大小不同的粒子,最粗的直徑是50~100微米,而最微細的直徑有小於10微米的。

另外,總懸浮微粒包括多類化學粒子,可能是無機纖維、微量金屬,或多種有機物質,它們可源於燃燒所產生的碳氫化合物,或是在排放二氧化硫或二氧化氮時所形成的硫酸鹽及硝酸鹽。粒子經吸入後,較大的會被上呼吸道篩濾而不能進入,較細粒子中,直徑小於10微米的部分則可深入肺部。

現今工商社會,每個人在室內辦公的時間越來越多,因此室內空氣品質的優劣,會影響到工作品質及效率。事實上經研究證明,室內空氣污染物濃度往往超過室外好幾倍,顯示長期在屋內工作的人,未必呼吸到乾淨的空氣。

一般而言,「室內」的場所包括住宅、辦公室、工廠、學校,以及餐廳、戲院等建築物內部,或是汽車、火車、飛機等交通工具內部,其中,尤以住宅以及辦公室、工廠和人們的日常生活息息相關。因此,這種場所內的空氣品質特別值得關注。至於影響室內空氣品質的因素可以根據污染源不同歸納出以下六點。

燃燒 烹飪與取暖是室內最普遍的燃燒行為,來自瓦斯爐、電爐、暖爐、壁爐等設備的空氣污染源主要是一氧化碳、一氧化氮及二氧化氮。

抽菸 抽菸除了會釋放尼古丁、一氧化碳、二氧化碳、乙醛、丙酮、焦油等有害物質外,更是室內浮塵微粒的主要來源。

建材與裝潢材料 水泥、磚塊等建材本身含有放射性氡,會隨著時間而漸漸釋放出來。室內裝潢的合板與隔板,因使用含有甲醛樹脂的接合劑,會刺激皮膚及黏膜。此外,過去廣為使用的石綿也是一個大污染源。

揮發性的有機物品 使用殺蟲劑、特殊清潔劑、髮膠、油漆、立可白等用品,都是室內揮發性有機污染物的來源。

室外受污染的空氣 室外的空氣可藉由自然通風或機械通風而進入室內,使室內空氣品質受到不同程度的影響。

其他 在室內,病人呼吸排出的病菌、室內盆栽植物產生的花粉、人體或寵物掉落的毛髮、體垢及皮屑,或呼吸所產生的二氧化碳都會造成室內空氣污染。

觸媒的應用

所謂觸媒就是催化劑,是一種化學物質,能降低化學反應的能障,促使反應的發生或加速反應的速率,但本身在反應前後沒有改變,也不會減少。更奇妙的是同樣的反應物,若使用不同的觸媒,卻可以得到不同的產物,也就是觸媒可以引導反應的進行路徑,改變化學反應的選擇性。譬如在丙烯的氣相氧化中,以鉬酸鉍為觸媒時,生成丙烯醛的選擇性是95%;以含有過量氧化鉬的鉬酸鎳為觸媒時,則生成丙烯酸;以鉬酸鈷或鉬酸錫為觸媒,在低溫反應時,則生成丙酮;以氧化鉍為觸媒則生成己二烯;以磷酸鉍為觸媒則生成苯。

一般人大多認為,觸媒只應用在石油化學或特用化學品的工業製程中,事實上,觸媒已廣泛地應用在生活中,來改善居住環境的空氣品質。

汽車觸媒轉化器

汽車排放的廢氣中,除了氮的氧化物及未燃燒的碳氫化合物外,另含有相當數量的一氧化碳。即使是精密設計的引擎及慎選的燃料,也無法使廢氣中的這些污染物降低到可以接受的程度,因此在把廢氣排放到大氣之前須先把這些成分移除,一般汽車就使用觸媒轉化器來進行這項工作。

這些污染物在觸媒活性物質表面上發生一連串氧化及還原的化學反應。基本上,碳氫化合物、一氧化碳與氧在觸媒表面上發生氧化反應,產生水及二氧化碳,而氮氧化合物則被碳氫化合物、一氧化碳及在觸媒轉化器中產生的氫氣還原成氮氣。由於轉化器中的觸媒必須具備能同時轉化碳氫化合物、一氧化碳及氮氧化合物的功能,所以被稱為三元觸媒。

觸媒焚化處理技術

在工業製程排放廢氣的處理中,觸媒焚化處理技術是最常用的污染控制技術,它的主要原理是利用觸媒把廢氣中的有害氣體(揮發性有機物)氧化成二氧化碳和水。

焚化器觸媒床中的觸媒,通常設計成金屬網狀、陶瓷蜂巢狀、球狀或粒狀等以獲得最大表面積。廢氣在進入觸媒床前常用預熱器預熱,或和處理過的廢氣進行熱交換,但須避免觸媒床過熱而使觸媒失去活性。此外,廢氣中要有適量的氧氣供給燃燒,否則必須補充空氣。目前大多數商業化觸媒焚化設備都以95%的去除效率為設計標準,對更高的去除效率,因要較大量的觸媒或更高的操作溫度,觸媒焚化法會不符合經濟效益。

觸媒焚化器的重要設計參數有:

觸媒床入口的操作溫度 為達到一固定去除效率所需的操作溫度,通常是由廢氣中所含的揮發性有機物(VOCs)的種類及濃度和所用觸媒種類來決定。

觸媒床的升溫值 觸媒床上的溫差或上升溫度值是VOCs氧化的直接證據,也是觸媒焚化器的基本效率指標。

充分氧氣供應下的空間速度 在固定空間速度下,提高觸媒床入口操作溫度,可提高去除效率。在固定操作溫度下,降低空間速度(即增加廢氣在觸媒床中的滯留時間),也可提高去除效率。觸媒床上的壓力差可做為觸媒體積的指標。

觸媒焚化器的處理效率與觸媒床上的溫差及壓力降有非常密切的關係,為了確保觸媒床操作正常,一般都會連續監測觸媒床上的溫度上升及壓力降變化。由於觸媒會隨操作時間而降低活性、流失或被遮蔽,導致觸媒床處理效率下降,這時觸媒床會出現溫度及壓力的反常現象,使用者必須立即反應以便維護改善,通常製造廠商大都建議每二到三年更換觸媒一次。

什麼是光觸媒

光觸媒是一種會和光產生催化作用的物質,但其本身不會被分解。植物的光合作用就是個很好的例子,葉綠素就是天然的光觸媒,在光合作用中促進空氣中的二氧化碳與水合成為氧氣和碳水化合物。

光觸媒技術能有效處理液相污染物中的氯苯有機物、氯酚化合物、氰化物、金屬離子等污染物質;在空氣污染方面,光觸媒技術也能有效處理氮氧化物、硫氧化物等污染物。由於光觸媒在反應中僅扮演催化劑的角色,本身並不會消耗掉,又因為是低耗能的反應,所以成為防制空氣及河川污染的綠色尖兵。

光觸媒反應的基本原理

光觸媒一經光照,原料二氧化鈦中的電子便會從價電帶躍遷至導電帶,在光觸媒表面形成電子—電洞對,帶負電的電子與氧結合產生負氧離子(O2),帶正電的電洞與水結合產生氫氧自由基(‧OH),這兩者在化學上都是極不穩定的物質。當有機物質,如碳氫化合物,接觸到光觸媒表面時,便會分別和負氧離子及氫氧自由基結合,重新組合成二氧化碳和水。這一連串的反應,學理上稱為「氧化還原反應」。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物,分解後大部分會變成無害的水及二氧化碳,因此可以達到除污及滅菌的目標。

目前市面上光觸媒的主要原料是二氧化鈦,藉由紫外線照射所提供的能量來進行催化反應。由於二氧化鈦是安全性甚高的無機化合物,可以當作食品、化妝品、纖維、紙張、塑膠、油墨、塗料……等的添加物,所以二氧化鈦光觸媒是當前對環境造成負面影響最小的清潔性材料。

工研院化工所的資料指出,光觸媒適用於處理空氣中低濃度的有害化學物質,具殺菌、除臭、防油、抗病毒及防暈等多種功能,可把一些物質的分子或細菌分解,且殺菌時不會釋出有害物質,目前熱門的「奈米化」技術使得光觸媒產品能夠商品化。奈米技術不僅提高了二氧化鈦對光的反應效率,也可以讓二氧化鈦有效附著在各種材質的表面上,在光照射時發揮預期的潔淨功能。

工研院的資料也指出,由於日本投入相關技術的研究較早,所以是目前全球申請光觸媒相關專利最多的國家,約占全球的90%,在發展二氧化鈦光觸媒問題上具有絕對優勢。

目前市面上常見的光觸媒產品,有空氣清淨機、冷氣機的濾網……等,兼具滅菌、防霉、除臭、清淨等功能,還有奈米光觸媒滅菌催化液、奈米光觸媒生化科技口罩和光觸媒清淨機。然而奈米級二氧化鈦加工的口罩或空氣過濾材,必須有紫外線的照射,方可發揮活化功能。其他正在開發的產品有光觸媒滅菌濕紙巾、光觸媒布料、光觸媒鍵盤、滑鼠等。此外,光觸媒還可以應用在建築體內外的施工,甚至於潔白牙齒上,未來發展實在是不可限量。
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