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燃燒科技:燃燒與空氣污染

燃燒各項燃料是人類取得能源的主要方式之一,但是不當的燃燒行為所產生的空氣污染物也會對人類、動植物及生態造成威脅。
 
 
 
「陽光、空氣、水」是人類賴以生存的三大要素。一般人可以連續數天不進一滴水仍能維持生命,但是卻無法在連續數分鐘不呼吸仍能存活下來,由此可見空氣對人類及動植物的重要性,尤其是污染的空氣對人體健康的影響更是重大。

自地球形成以來,空氣中的組成分子就隨著時空在改變。目前,大氣中的空氣成分主要有約78%的氮氣及21%氧氣,賸餘的氣體則由一些微量的氣體,如二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氧化亞氮、臭氧、甲烷、氦、氖、氬、氪、氙和水等所組成。影響空氣組成變化的因素,除了地理環境和大自然本身的活動,如:火山爆發、森林大火外,最大的因素就是人為的活動。尤其在人口數量逐漸增加、工業革命之後所造成的人口集中化、都市化,各種人為活動,所產生的空氣污染物對空氣品質影響更是巨大,尤以燃燒各項燃料產生能量為最。

燃燒所產生的空氣污染物

在自然界中,不管是動物、植物或者是承載這些生命體的環境都是由各種元素所組成。其中形成動、植物等生命體的主要元素包括了碳、氫、氧、氮、硫及各類微量元素,當然我們所使用的各式各樣燃料中也包含了這些元素。

在一般環境中,燃燒現象的形成必須要有燃料與助燃劑的存在,再加上適當的方式使其產生氧化反應。而各類燃料或物質經過氧化還原反應之後,其元素即會因完全燃燒或不完全燃燒而轉化為其他化學物質。如燃料中的碳經過完全燃燒後會形成二氧化碳,經過不完全燃燒會形成一氧化碳或碳粒。又如許多塑膠製品皆含有氯的成分,經過完全或不完全燃燒之後會排放出像氯化氫、戴奧辛之類的化合物。

當燃燒之後所產生的各種粒狀物或氣態物排放至大氣中的量超過大自然所能涵容與自淨的能力後,就形成空氣污染現象。依現行標準與歷年之監測結果,造成我國空氣品質不良的主要污染物為懸浮微粒和臭氧。懸浮微粒除了主要來自道路行駛揚塵,也有部分是來自燃燒不完全所形成的碳粒和排放氣體凝結而成。至於臭氧則是燃燒產物中的氮氧化物與碳氫化合物經日光照射後所產生。

空氣污染現象及對人類、生態和環境的危害

由於自然界的各種物質經過燃燒之後所釋放出來的粒狀污染物以及氣態污染物,可以經由大氣的傳輸而流動到其他地區,因此空氣污染不僅僅是地區性的問題,也是全球性的共同議題。目前因空氣污染物所產生的各種空氣污染現象非常多,所引發的危害也不盡相同。茲僅就其影響範圍較為廣泛且需急迫解決的問題加以敘述。

酸雨

由於大氣中含有二氧化碳,溶於雨水後會使正常雨水略帶酸性,其酸鹼值約為5.0,當雨水的酸鹼值小於5.0時即稱為「酸雨」。其實其正確的名稱應為「酸沉降」,它可分為「濕沉降」與「乾沉降」兩大類。前者是指所有的氣狀污染物或粒狀污染物隨著雨、雪、霧或雹等降落到地表者,後者則係指在沒有下雨的時候,大氣中的微粒沉降至地表中所夾帶的酸性物質。造成酸雨的空氣污染物主要有硝酸根(NO3)、硫酸根(SO42-)、氫(H)、氯(Cl)等離子,主要來自工廠、發電廠以及各種交通工具燃燒化石燃料,燃料中的硫、氮、氫、氯分在燃燒過程中經高溫分解後排放至大氣。

酸雨降至水體中,會使水中生物的攝氧能力及吸收維持生命的養分及鹽分都受到影響,甚至產生畸形和死亡。酸雨落到農作物上,其葉子的組成會受到破壞而無法行光合作用。酸雨降至土壤中,會使礦物質溶解而流失,植物因此無法吸收到足夠的養分而枯萎死亡。當酸雨以乾沉降的形態呈現時,硫酸鹽、硝酸鹽、碳氫化合物等物質會形成煙霧而影響了大氣的能見度,並進一步造成交通上的困擾及太陽與地球之間的能量傳遞。而當酸性粒子沉降到石灰石或金屬表面時,也會造成建築物、橋梁、鐵路、飛機、雕像或文化藝術品的腐蝕。

溫室效應

地球表面是由大氣層所包覆,其功能就像溫室所採用的透明玻璃一般,防止地表溫濕度的散失,使地表年平均溫度可保持在攝氏15度左右,此現象即稱為「溫室效應」。若無此溫室效應,照射到地表的太陽能會很快地經由地表再釋放回去,地表溫度也將降到攝氏零下16度左右,使地球上大多數的動植物無法適應而滅絕。

造成溫室效應的氣體主要為大氣中的二氧化碳,以及來自燃燒化石燃料如燃煤或燃油,或由一些工業產品逸散洩漏所產生的氣體,包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化物、全氟碳化物和六氟化硫。其中原本可藉由樹木行光合作用來吸收大量的二氧化碳,但是因為人類過度開發,破壞了森林,使得溫室效應的程度日益嚴重。

溫室效應會造成全球氣溫節節升高,使冰山融化、海面上升、地表面積減少,並使氣候產生不同於以往的變化,進而引發動物遷徙以及各種疾病的蔓延。

戴奧辛

目前所知,戴奧辛約有210種,包含75種多氯二聯苯戴奧辛及135種多氯二聯苯呋喃(PCDFs)。其來源包括燃燒未受污染的木柴、森林火災、木柴防腐劑與除草劑的製程副產物、金屬冶鍊、紙漿漂白、燃油或燃煤火力發電廠的廢氣排放、廢棄物焚化爐的不當操控、香菸的煙霧、汽柴油引擎等交通工具的排氣,以及燃燒含氯的有機物質如露天燃燒垃圾、廢電纜、廢五金等。

人類接觸到戴奧辛的機會可來自一般環境、意外暴露以及特殊職場的暴露。其中一般環境的暴露超過90%以上都是經由日常飲食中的食物攝取而來的,即含戴奧辛的殺蟲除草劑經由農作物吸收再進入人體,或由空氣傳輸到蔬果、穀物、牧草後再經由食物鏈進入人體,或水中的戴奧辛經由生物濃縮後再經由食物鏈進入人體。

戴奧辛對人類的影響最常見的症狀為氯座瘡、肝臟損壞、免疫系統破壞、酵素的功能受到影響、消化不良、肌肉關節疼痛、孕婦易流產或產下畸胎、男性荷爾蒙減少、色素沉澱、皮膚易脆弱、出疹、長水泡、視力受損及膽硬脂血症。目前,美國環保署及世界衛生組織已將戴奧辛列為人類可能的致癌物,而國際癌症研究中心已於1997年將2, 3, 7, 8–四氯戴奧辛列為人類確定的致癌物。

防治之道

由於目前造成空氣污染有很大的部分都是因為人類為了獲取能源或商業產品而燃燒各類燃料所引起的,因此為了減少或降低因燃燒行為所導致的空氣污染,我們可經由幾個途徑來達成。

減少能源的需求或改用其他替代能源,如加強用電管理,以減少用電;燃料淨化,藉由洗煤、燃料脫硫/脫硝等手段,將燃料中的硫氮等成分事先抽離,可避免經燃料燃燒之後再排放至大氣造成污染;開發替代能源和可再生能源,如開發燃料電池、生質能、太陽能、地熱,以及利用風力與水力。

影響燃燒效率高低和污染排放量多寡的因素,除了燃料種類和其品質外,最主要的因素包括燃燒溫度的高低、燃料和助燃劑攪拌是否均勻,以及停留時間是否夠長等三點。因此,可藉由改變燃燒器的設計、材料的更新及各項操作條件的控制,以提升燃燒效率並進一步減少能源的需求與污染的排放。立法禁止露天燃燒垃圾、廢電纜、廢五金等行為,和禁止使用含高污染成分的燃料;加強垃圾分類的實施,除了可以降低焚化爐需求量之外,同時也可提升焚化爐的效率以減少毒性物質。

另外,亦可加裝空氣污染物控制設備,針對不同形態的污染物,運用不同的方式加以轉化或去除。譬如對粒狀污染物,可依粒狀物之粒徑分布、特性、法規標準和成本考量選用適當類型的控制設備,一般常見的有旋風集塵器、文氏洗滌塔、濾袋集塵器以及靜電集塵器。

隨著全球人口的增加與都市化,日後對能源與各項資源的需求也勢必更加熱切,因而產生的各類污染物也將隨之遽增。我們必須及早開發新能源、研發更有效率的燃燒技術,以減少因燃燒行為所產生的空氣污染量。另外,我們也應藉由調整生活習性及加強推行法令,以因應國際上日益嚴格的各項環保公約。       
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