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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術 光學透視,有氣體無所遁形

文/魏茂國

2008年12月,高雄縣大寮鄉陸續發生四次空氣污染事件,使得當地潮寮國中與潮寮國小多名師生中毒送醫,當地民眾群起激烈抗爭,引起全國關注。在被指為污染來源的大發工業區裡,歷經數天調查檢驗後,才確認污染源。

有害物質若是隨風飄散,所經之處都會受到影響。尤其台灣地狹人稠,住宅區與工業區缺乏緩衝隔離,加上因應生產製造的需求,工廠類型與化學物使用種類也愈來愈多,當不慎發生氣體逸散時,所造成的衝擊就更為嚴重複雜,清查起來往往曠日費時、事倍功半,成為民眾生活的隱憂。

因此,能夠確實監測分析空氣中含有的物質成份,並找出污染來源,就成了極為重要的防範關鍵,這也是OSIS(Optical Sensing and Imaging System)先進遠距型有害空氣污染源監測技術具備的優勢。工研院能源與環境研究所水科技與環境分析技術組微污染分析技術研究室研究員張寶額指出,過去數年相較於異味污染的陳情件數,實際遭到處分的比例卻不到1%,因此必須要有更客觀有效的空氣檢測技術來因應。

以光學遙測循線偵查

OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術所採用的光學遙測方式,是利用FTIR(Fourier Transform InfraRed Spectrometer,傅立葉轉換紅外光譜儀)的原理,依應用目的不同分為主動式與被動式。以主動式為例,透過主機發出紅外光並搭配反射鏡,當空氣中的污染物質經紅外光通過時,就會產生不同的吸收反應與振動頻率,形成獨特的光譜變化,便可依此分辨污染物的種類與濃度;再配合風向儀使用,就能進一步找出污染的源頭。

張寶額表示,此項技術的特點,在於能夠涵蓋大面積的範圍,或從污染源數百公尺外進行遠距監測;因分析儀器與主機結合,可同時採樣與分析,10分鐘之內就能立即得知結果;可連續監測,避免單點與單一時間採樣的缺點;可量測有機與無機等多達八千種以上的污染物,靈敏度達ppm以下。

由於每一種物質都有獨特的光譜表現,在OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術下,除了能快速比對單一化合物質外,即使是多種化合物混合,也能經由分析系統如剝洋蔥般將各化合物抽離或扣除,找出隱藏其下的物質到底是什麼。另外,還可以結合無線傳輸功能進行遠端監控,隨時了解監測現場的空氣狀況。

為延伸應用OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術,尋找不明的空氣污染源,工研院還特別發展出「漸進式污染源搜尋法」(Stepwise Source Searching Method)。以台中一處工業區附近的服務案件為例,第一步先分析陳情區的異味成分與來源方向,並逐漸界定污染區域,縮小調查範圍,最後根據污染源資料庫,以及鄰近工廠製程特性和污染物的比對,確認出真正的元兇。

「指紋」比對創造實際效益

「FTIR技術在國外,被視為是化學物質的fingerprint,」張寶額經常以「指紋」來形容化合物在光譜中的獨有形狀及位置,當污染物分子濃度愈高,所吸收的紅外光能量也就愈多;經過OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術的分析,不但可循線查出「嫌疑犯」,更可了解其「涉案程度」。

事實上,早在1950年代,FTIR技術就被運用於探測外太空星球表面的氣體組成,之後在60至70年代陸續應用於化學分析與環境氣體監測;隨著電腦技術與運算的進步,也為FTIR技術開創更多應用的可能性。於是環保署在1994年與清華大學合作引進,後來轉移至工研院持續研發,特別是在控制、分析、數值解析等軟體的改進,提高量測與分析品質,當然還有應用端的開發。

張寶額表示,FTIR技術本身的成熟度雖高,但應用面仍有待發展,這是他當初接手研究時的最大挑戰。國外就將FTIR儀器設置於工業區或工廠的周界,以固定形式當成監測站使用,如果再與軟體程式整合,當污染物質濃度過高時就可發出警示。位於美國的台塑、杜邦(DuPont)、英特爾(Intel)等企業,都在廠區架有FTIR設備,美國所有的水泥廠,也都規定必須安裝FTIR設備來對煙囪進行連續監測。

多年來,台灣一直存有空污公害情事,在法令規範之外,若能更有效監測空氣品質,對於環境的掌控及提升會有極大的幫助。2001年新竹湖口工業區的福國化工廠,因鍋爐爆炸而引發火災,並造成氣體外洩;可是一時之間,所有搶救單位都無法確認空氣中是否含有對人體危害的物質,不敢貿然進入現場,只能在現場待命,以一般檢測方式經採樣送回實驗室,至少要耗上六、七個小時,緩不濟急。

在接獲環保署的緊急求援後,張寶額帶領團隊前往現場,從尋找地點、建立測線等作業開始,僅30分鐘就檢測完成,讓救難人員得以安心進入搶救。這讓當時的環保署長郝龍斌稱許FTIR是「養兵千日,用在一時」,此後環保署也規定所有毒災應變諮詢中心(Emergency Response Information Center,ERIC)都必須配有FTIR設備。在高雄潮寮事件後,工研院也不斷接到各縣市環保單位的委託案件,委託進行空氣污染的監測分析。

協助製程管理與改良

除了政府部門外,也有許多民間企業委請工研院協助檢測,包括半導體廠、光電廠、面板廠等,像是廠房內外部是否有污染氣體的逸散,或是從外部進入的空氣是否含有污染物等。另外,在室內空間裡的應用,也可以改用抽氣分析的方式,例如將抽氣筒置於工作區,就能得知室內空氣會否造成人體傷害。

因FTIR技術具有連續監測的特性,可以了解污染物出現的時間分布與趨勢,進而找出氣體逸散的原因,協助製程管理與改良,這是一般化學分析技術很少能做到的功能。張寶額以一座光電廠房連續三日的監測結果為例,顯示空氣中的物質濃度變化,在每天早上九點都會出現高峰,並隨特定時間有所起伏。後來經過現場的觀察,才知道是外包清潔公司的上工時間,並使用酒精類的清潔劑擦拭地板,中午休息時濃度隨之下降。

還有一家三班制作業的工廠,廠外監測得知污染氣體濃度會準時在早上八點、下午四點、晚上十二點等三個時段攀高,原因就在於每當換班時,污染物就隨大門打開而飄出。也有工廠因此觀察到瞬間突發的氣體濃度升高,才了解在化學品的裝載過程中,管線卸裝時會造成氣體逸散,因而改換快速接頭來減少排放。

逸散的化學物,對外界或是污染,但對於廠商而言卻是原料;如果能減少逸散,就等於是節省成本。在工研院服務的案例中,有家位於高雄的石化廠,其購自中油的原料經由地下管線輸送至廠內;但經過監測,卻發現原料在輸送過程中有洩漏的情形,原本廠商還不相信,追蹤了三年才獲證實,因而省下龐大的成本。另一家中部石化廠也是經由FTIR的氣體監測調查後,獲知製程前端反應器觸媒設計上有操作設定的問題,進而花了新台幣九百多萬元改善;但從節省的原料損失來估算,每個月反而可倒賺數十萬元,可說是相當值得的投資。

FTIR技術的應用,除了能消極地找出污染源,更可藉由氣體的監測分析,從製程中找到減少浪費、提高效率的調整依據,對產業帶來更積極的作用。目前和工研院合作的廠商,包括中油、台塑、茂德等企業,其他像是碩傑、利得等儀器代理商,也透過技轉方式,在FTIR產品中整合工研院的軟體技術與介面,提升產品價值與市場接受度。利得並將整套設備輸出至中國,近來與上海市政府合作,規劃在2010年於石化專區設置FTIR監測網。

從線到面持續革新

相較於可主動發出紅外光的主動式FTIR,被動式的FTIR不需反射鏡,而是利用環境中的紅外光對氣體進行監測,提高了使用操作的多元性,目前的應用包括戰爭時的生物戰劑監測、遠距火山氣體監測、外星氣體探測,或是不明廢棄物污染土地開挖等。但被動式FTIR較容易受到環境因素的影響,對於溫度差別的靈敏度也有待提升。

此外,針對至今全世界都未能對傳統高架廢氣燃燒塔(flare)的氣體排放進行採樣驗證的情況,工研院利用被動式FTIR技術,以「廢氣燃燒塔處理效率評估方法」(OSIS/TRS,光學遙測與成像系統/追蹤氣體釋放系統)投入應用研究。除了改採更適合的地面廢氣燃燒塔,以提高燃燒破壞率,減少外界干擾與景觀視覺的困擾外,並特別在內部各氣體主要流通點進行追蹤量測,外部則搭配氣體影像成像儀,監測廢氣燃燒塔的排氣口狀況,以分析氣體經燃燒後的成分與濃度,確認是否達到所需的燃燒效率。

未來在整體OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術上,工研院還將持續發展二維污染源的搜尋模式,也就是從目前單一測線的一維監測,擴大為二維的「面」監測,並開發FTIR圖譜自動判讀技術,以減少圖譜分析的專業人力需求與訓練成本,縮短污染來源的追查及分析時間。

張寶額指出,雖然總是在發生意外時,OSIS先進遠距型有害空氣污染源監測技術才顯現功效,但是能夠真正找出問題,提高環境監控,減少因環境抗爭而耗費的人力物力與社會成本,並保障民眾的生活品質及權利,兼顧產業發展,確實是一項不容忽視的重要技術。



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