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對抗污水 漂亮出擊

氮化學物質迄今被國際水協會認為是自來水中最嚴重的污染之一,一般地下水硝酸鹽的含量以氮來表示的標準,須在每公升10 mg(10 ppm)以下。
 
 
 
氮化學物質迄今被國際水協會認為是自來水中最嚴重的污染之一。自然界動物的排泄物或動植物的屍體分解,本來就會產生氮化合物,現今則因添加大量的氮肥,而增加了土壤中硝酸鹽(NO3)的含量。由於硝酸離子是負離子,而土壤表面的顆粒也帶負電,因此氮化物容易流失、穿過土壤而進入地下水。地下水含氮化合物的量過高,對大陸型的國家影響很大,因為那些地方 70 至 90% 是以地下水為主要水源。

一般地下水硝酸鹽的含量以氮來表示的標準,須在每公升 10 mg(10 ppm)以下。超過這標準時,對成人的危害還算輕微,因為成人的胃酸會抑制硝酸鹽還原菌的生長,不會把硝酸鹽還原成亞硝酸鹽。但是嬰兒因為攝取的水量相較於自身體重的比率來說較高,且其胃酸的分泌並未正式開始,硝酸鹽會還原成為亞硝酸,比氧還更容易與血紅素結合,一旦循環到了胃時,血紅素輸送氧的能力就降低。這會造成嬰兒臉色發青的「藍嬰症」,嚴重時甚至造成死亡。

臺灣目前除了山區偏遠地方以外,飲用地下水的比率比較少,但乾旱的時候仍可能需要飲用地下水,因此平常還是要做好監控,萬一水庫水受污染時才能遞補無虞。土壤中的動植物屍體經由微生物分解後,有機氮會轉化為氨,而硝化細菌也會把氨氧化為硝酸鹽,進而污染水體。國內一般採用加氯的方式處理,但又可能會產生其他的致癌物質,至今仍無良好的解決方法。

從十幾年前開始,臺灣大學環境工程學研究所駱尚廉教授為自來水公司化驗時就發現,國內的地下水幾乎都不合標準,因此他了解這問題的嚴重性。最近幾年在二氧化鈦光觸媒技術逐漸成熟之後,便著手進行「選擇性轉化水中硝酸鹽為氮氣之研究」,以雙金屬技術及以二氧化鈦為光觸媒,探討數種可以進行光催化降解水中氮化物的金屬的轉化率。

反應分為兩個部分,第一是以雙金屬觸媒把水中的硝酸鹽還原;第二部分則是把含氨的水引導流入修飾型氧化鈦奈米鈦管,藉由可見光的光催化反應把氨轉化為氮。

在第一部分,駱教授測試後發現鈀(Pd)/鋅(Zn)可以完全還原水中的硝酸鹽,同時提升氮氣的產生率達到 60%,這是目前文獻中最高的產率,曾有國外學者表示這樣的結果令人難以置信。然而駱教授並不自滿於這個數據,他還掛心著 40% 的殘餘氨使這技術略顯為德不卒,因此參考其他學者有關二氧化鈦光觸媒的催化降解反應在廢水處理上的應用,用它來處理氨。

駱教授製作的是選擇改良型的奈米材質,上面披覆著觸媒,而受測的觸媒有鎳、鉑與鈀。研究結果顯示披覆鎳的比率增加時,效果越來越差,這可能是因為產生遮蔽的效應。而披覆鉑和鈀的,則會隨著披覆的比率升高而有較好的產生氮的結果,甚至達到將近 100% 的轉換效果。不過使用鈀會有相當的比率轉化成為硝酸鹽與亞硝酸鹽,唯有 30% 鉑的披覆比率才會有極少的硝酸鹽和亞硝酸鹽的產生,比較符合處理水中氨氮污染的預期效果。

對於這樣的結果,駱教授感到很滿意。第一,這個方法成功解決水中含硝酸鹽與氨的問題;第二,實驗中光觸媒的波段是在可見光而非紫外線範圍,因此設備比較不會耗能;第三,對不同類型的金屬在反應中的影響的探討,有助於發展相關的理論。
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