高效濾網於機台排氣粒狀物減量之運用

前言

眼睛好癢…天空灰灰的…咳嗽…噴嚏…過敏…，以上種種的現象是不是一再的發生於身邊周遭甚至是自己身上，其實不是你生病了，“是空氣生病了”。根據「世界衛生組織」(WHO)在2013年提出，研究發現在「空氣品質及環境」中使用人員有「病態建築症候群」(Sick Building Syndrome)的症狀發生，包括眼睛乾或癢、喉嚨乾或痛、氣喘、過敏反應、咳嗽、打噴嚏，甚至頭痛、注意力不集中、昏睡等症狀。環境的空氣污染物除了臭味氣體外，一般人體是無法察覺，但身體的健康卻在不知不覺中受損，對身體器官系統的傷害，間接的影響到人體的反應能力…、精神意志和工作效率。

現在戶外有更嚴重的空氣汙染源“PM2.5”(Parti-culate Matter, PM)。“PM2.5”，中文名稱『細懸浮微粒』，是指懸浮在空氣中，氣動粒徑小於等於2.5微米粒子(PM2.5)的固體顆粒或液滴的總稱。這些細小顆粒，肉眼無法看到且可在空氣中漂浮數天。由於其粒徑極小，這樣的小粒子會穿透肺泡，並且跟著血液循環全身。而細小的懸浮微粒，在大氣中飄散，有可能是硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽等有毒物，通過呼吸系統，透過肺泡與動脈血液交換進入體內，長期在這樣的狀況下，不僅會引起嚴重過敏甚至會引發氣喘，嚴重時還會增加心血管疾病、肺部疾病的機會 圖1。為提昇環境品質及維護國人健康，環保署預告修正空氣品質標準，增訂PM2.5空氣品質標準，將其納入管制。依據世界衛生組織(WHO)指出，各國訂定空氣品質標準，應考量當地空氣品質對於人體健康風險、切實可行技術、社會及經濟發展等相關因素。環保署比照目前國際間最嚴格之美國和日本標準，將細懸浮微粒24小時值訂為35µg/m³、年平均值訂為15µg/m³。該署訂定細懸浮空氣品質標準後，初步也設定約以10年為期，於2020年達成細懸浮微粒濃度年平均值15µg/m³之目標 圖2。

PM2.5主要對呼吸系統和心血管系統造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導致慢性支氣管炎、心律失常、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死。發表於《美國醫學會雜誌》的一項研究表明，PM2.5會導致動脈斑塊沉積，引發血管炎症和動脈粥樣硬化，最終導致心臟病或其他心血管問題。當空氣中PM2.5的濃度長期高於10µg/m³，就會帶來死亡風險的上升。濃度每增加10µg/m³，總的死亡風險會上升4%，心肺疾病帶來的死亡風險上升6%，肺癌帶來的死亡風險上升8%。如果空氣中PM2.5的濃度長期高於10微克/立方米，死亡風險就開始上升。濃度每增加10微克/立方米，總的死亡風險就上升4%，得心肺疾病的死亡風險上升6%，得肺癌的死亡風險上升8%。PM2.5極易吸附多環芳烴等有機污染物和重金屬，使致癌、致畸、致突變的機率明顯升高。最小的懸浮粒子（直徑小於等於100奈米，合0.1微米）帶來的危害更為嚴重。

粒狀污染物概述

雖然自然過程也會產生PM2.5，但其主要來源還是人為排放。人類既直接排放PM2.5，也排放某些氣體污染物，在空氣中轉變成PM2.5。直接排放主要來自燃燒過程，比如化石燃料（煤、汽油、柴油）的燃燒、生物質（秸稈、木柴）的燃燒、垃圾焚燒。在空氣中轉化成PM2.5的氣體污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發性有機物。其它的人為來源包括：道路揚塵、建築施工揚塵、工業粉塵、廚房煙氣。自然來源則包括：風揚塵土、火山灰、森林火災、漂浮的海鹽、花粉、真菌孢子、細菌。PM2.5的來源複雜 圖3，成分自然也很複雜。主要成分是元素碳、有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽。其它的常見的成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、砷、鎘、銅等主要源自人類污染的重金屬元素。

粒狀物主要來源及種類

空氣中粒狀污染物的主要來源可分兩大類。

自然產生

火山爆發噴出之火山灰微粒；自然火災如森林與草原之意外大火產生的煙霧，以煤煙、未燃燒碳化氫類、一氧化碳、氮氧化物及灰燼等形態生成大量污染物；土壤侵蝕(Soil erosion)產生的土塵微粒經常存於大氣中，濃度隨地區與季節而變動。

人為產生

以燃料燃燒、工業製程、交通排放、廢棄物燃燒、逸散性排放或經由氣體的化學反應而形成。人為粒狀污染物的種類可依其來源及形成機制概分為：物理研磨及傳播、燃燒灰燼、同相核凝、異相核凝、液滴揮發後殘留不純物及酸鹼氣體混合產生鹽類結晶等。受到地形及氣候的影響，經一段時間混合後，在大氣中會發生化學變化而改變其形態及組成。如二氧化硫(SO₂)、氮化物(NOx)等一次污染物與大氣中的物質經化學或光化反應，形成二次污染物，如臭氧、燻煙、酸雨等，這些細小的固態顆粒及液滴組成的懸浮微粒(Particulate matter, PM)，又稱為氣膠（Aerosol）。

粒狀污染物之特性

懸浮微粒的粒徑大小有別，小於或等於2.5微米(µm)的粒子就稱為PM2.5。PM2.5的生成機制可分為兩種，皆可能由自然界或人為產生，如 圖4。

原生性(Primary)

是指在大氣中未經化學反應的微粒，主要來自物理破碎、風蝕逸散或人為污染所直接產生，包括海鹽飛沫、裸露地表揚起的粉塵、鍋爐及機動車輛引擎燃燒過程排放之微粒等。

衍生性(Secondary)

是指排放到大氣中的化學物質(稱為前驅物，可能為固體、液體或氣體)，經過複雜的化學變化與光化反應後生成，PM2.5前驅物包括：硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、揮發性有機物(VOCs)與氨(NH₃)，在大氣中反應生成硫酸鹽、硝酸鹽及銨鹽等微粒組成PM2.5。

半導體業白煙粒狀物生成機制

FSI-Orion type tool應用於Caro's 製程，因製程特性需同時使用高溫SPM+SC-1，造成exhaust排放時硫酸與氨氣酸鹼中和，產生大量硫酸銨結晶半導體業製程所產生的粒狀污染物，通常為排氣中酸鹼氣體混和而生成白色鹽類細微粒狀污染物，至煙囪排放出去就會產生白煙。例如：硫酸(H₂SO₄)與氨(NH₃)反應由銨離子和硫酸根離子產生離子化合物硫酸銨(NH₄)₂SO₄，化學反應式如下，這類酸與氨反應之化合物統稱為銨鹽。

NH₄OH + H₂SO₄→ (NH₄)₂SO₄ + H₂O

鹼+酸→銨鹽結晶(白色粉末)

針對排放煙道對PM2.5進行採樣及分析，陽離子部分以銨根離子之濃度最高，陰離子部分則以硫酸根離子濃度最高，由數據推測採樣之管道此二種離子來源應為硫酸銨鹽類。

粒狀污染物防制技術

粒狀物控制設備通常依粒徑尺寸、特性及處理風量不同而選定適合之集塵方式，較進步的作法大致可分為濾袋過濾式、靜電式、濕式洗滌等，其中先進方向之粒狀污染物防制技術包括袋式集塵器(FF)、靜電集塵器(ESP)、濕式洗滌塔(Wet Scrubber)等三種，以去除排氣中的細微粒狀物，其各種技術原理簡述如下。

袋式集塵器(FF)

袋式集塵器(Fabric Filter, FF)是收集微粒最常用的方法之一，應用纖維透氣的特性，使用濾布收集廢氣中的粉塵微粒。微粒被乾淨濾材收集的最主要機制有：慣性衝擊、直接截留、布朗擴散、靜電吸引四種(如 圖5)，除塵的方式大致可分為以下三個階段進行，即所謂的「深層過濾」。

• 當廢氣夾雜大小不同的粒狀物通過纖維時，小顆粒仍能穿透，而大顆粒者則在纖維表面堆積。
• 接著廢氣再由大顆粒之間隙穿過而中等粒徑的塵粒則被大顆粒所攔截，最微小粒徑的顆粒則可通過。
• 廢氣不斷通過，纖維表面將堆積一層粉塵餅，由於顆粒的粒徑越小其間隙也越小，則微小粒徑的顆粒也會被攔截。此時濾布的過濾效率越來越好；相對地，風車出風量會越來越小，運轉耗電量越來越高。

濾布纖維孔隙(布目)大小約為50~75µm，當過濾進行時，粉塵微粒被濾布纖維捕集、架橋、堆積形成初附著層，由於此層之存在，比布目還小之0.1µm以下微粒能予以捕集，此時「濾餅效應」便成為最主要的微粒收集機制(如 圖6)。而被收集的微粒則需定期清除，脈衝噴氣法是濾袋清洗最常用的方法，高壓的空氣經由濾袋上方的文氏管由上往下噴出形成壓力波，濾袋遇此壓力波時膨脹，附著於其外的濾餅隨即破裂掉入漏斗之中。壓力波到達濾袋底部再折回之時間約0.3-0.5秒，由於沒有可動的機械零件，同時清洗時間很短暫，此方法廣受歡迎，但須考慮濾布之抗壓力波衝擊強度。袋式集塵器通常的使用時機為：除塵效率要求高、具有經濟效益的粉塵回收、氣體溫度可降至攝氏200℃以下或粉塵不具黏著性。

袋式集塵器之優缺點比較：袋式集塵器利用過濾作用(直接截取)原理來收集直徑大於0.3µm之粉塵，去除率>99%。廢氣通過袋式集塵器前需將廢氣降溫，可利用廢氣稀釋、輻射冷卻及蒸氣冷卻作為前處理。袋式集塵器的優缺點如 表1。

靜電集塵器(ESP)

利用靜電力沉降微粒之靜電集塵器(Electrostatic Precipitator, ESP)已成功的應用在燃煤發電鍋爐、水泥窯、紙漿及造紙廠、酸液廠、燒結廠、PVC膠布廠、乳膠或 PVC手套廠及其他工業製程之排氣粉塵或油霧污染防治。ESP對小1µm微粒的控制效率頗佳。靜電集塵器是藉由靜電吸引作用將粒狀物自氣流中分離而去除(如 圖7)，除一些機械設備外尚需電力設施配合。ESP收集微粒原理與過程包括下列四個步驟(如 圖8)。

電暈放電(corona discharge)

放電極線之電壓加高產生電暈放電，碰撞空氣分子並使之游離而形成帶電的離子，若再與其他空氣分子高速碰撞，又產生額外的正離子及自由電子，這個過程不斷的產生，稱為雪崩相乘效應。

微粒充電

空氣陰離子與微粒接觸而使之帶電。充電的主要機制有電場充電(field charging)及擴散充電(diffu-sion charging)兩種。電場充電主要對粒徑大於1.0µm之微粒有效；擴散充電則對小於0.3µm粒徑之微粒有效。

集塵板收集

帶電微粒往與放電極板電性相反之收集板方向運動而被收集。

除灰

當收集板上之粉塵餅累積至0.08-1.27cm，厚度太厚粉塵可能變成絕緣層，使電場無法建立。因此需定期由敲擊器(乾式)或噴水(濕式)震落，由底部之漏斗收集及儲存，並定期排放。

靜電集塵器之優缺點比較 表2：一般而言，靜電集塵器係利用塵粒帶電性加以收集直徑大於0.3µm之塵粒，去除率達>99％。ESP常使用在濕式集塵器不適用場所。常用在燃煤發電廠、初級及二級煉製廠等。靜電集塵器通常的使用時機為：除塵效率要求高、具有經濟效益的粉塵回收、高溫廢氣除塵或廢氣及粉塵不具爆炸性。

濕式洗滌塔(Wet Scrubber)

濕式洗滌塔是利用液體(通常為水)去除微粒或有害氣體的設備。除塵原理是強使氣體通過水膜或薄片狀之水霧中，使微粒與直徑50~500µm的水滴接觸，這些含微粒之大水滴藉著重力、與擋板衝擊或離心力自廢氣中分離。濕式洗滌器的設計彈性比其他污染控制設備大，但是它會衍生出一些其他的問題，譬如對除塵效率要求高時則壓損太大、操作成本較高、空氣污染問題可能轉化成水污染及工廠需要有廢水處理設備等。濕式洗滌塔通常的使用時機為：氣體需要降溫、可燃性及爆炸性粉塵、欲同時去除粉塵及氣狀污染物或工廠有廢水處理設備時。

濕式洗塵器之優缺點比較 表3：濕式洗塵器利用慣性衝擊(液體吸收)來收集直徑大於0.3µm之微粒，增加氣體速度或液滴流速，收集效率亦會增加。該設備常使用在處理特殊工業廢氣。

未來導入方向 ─ 濕式靜電集塵器(Wet EP)

利用直流電源對極線施予負電性 (negative)高電壓，在放電極線與接地集板之間建立起電場，氣流中的自由電子經過極線附近的強力電場時，被加速而得到足夠大的動能去撞擊氣體分子，產生一個正電性的離子與另一個新的自由電子，在撞擊時會產生藍色光暈(Corona)。而新的自由電子又被加速去撞擊另一個氣體分子，產生另一個正離子與自由電子，依此原理可產生大量的正離子與自由電子 圖9。

當自由電子群離開電暈區之後，一旦與氣體分子碰撞，便附著在氣體分子表面而形成大量的負離子。當粒狀污染物通過電暈區時，與正離子結合而帶正電，會朝帶負電性的極線移動而附著在極線上；若粒狀污染物通過電暈區之外的區域，則與負離子結合而帶負電，並朝帶正電性的集板移動而附著在集板上。

由於電暈區極小，主要是利用負離子與粒狀污染物結合而達到收集污染物的目的。利用水將極線與集板收集到的污染物帶走 圖10。

廠內粒狀物防制技術檢討與改善

目前廠區現況與改善

FSI機台裝設水渦流機。後續導入目前廠內處理硫酸銨微粒之新式設計「水渦流機」，水渦流機為獨特離心氣旋裝置，藉由風機牽引氣流及桶槽存水產生氣旋水霧，進而使水霧化與空氣有效率接觸混和，提供較佳的液、氣混和效果及粉塵捕捉效率。取代傳統灑水式洗滌塔。根據各Submain PM2.5質量濃度採樣分析結果顯示(如 表4，以FSI Submain測得之PM2.5濃度最高4508µg/m³，而其元素及離子佔PM2.5之83.8%，由此可知管道中PM2.5主要成分為FSI產生之硫酸銨鹽類。因此，水渦流機主要針對於高溫硫酸FSI機型之廢氣進行源頭削減。

由工研院使用電子式低壓衝擊器(Electrical Low Pressure Impactor, ELPI)進行管道之粒徑分析(如 圖11)，發現FSI產生白煙粒徑主要為0.4µm以下佔80%(藍色及綠色區塊)，比對水渦流機效率檢測結果(如 表5、圖12)，大於1µm粒徑其去除效率可大於90%，但對於0.3µm以下微粒處理效率不佳僅有60%去除效率，顯示水渦流機並無法完全去除FSI所產生之粒狀物污染物。

改善方式及後續研究發展

經過一年多的改善與努力，終於進入空污設備檢測階段。透過數據顯示，「氨氣」(NH₃)、「硝酸」(HNO₃)、「氫氟酸」(HF)、「鹽酸」(HCl) 四大指標排放物種確認獲得有效控制。但是「硫酸」(H₂SO₄)和「磷酸」(H₃PO₄)，卻需強化改善！

經檢討比對製程機台後，得出兩個結論：

• 硫酸(H₂SO₄)來源為高溫硫酸酸槽製程，由於此製程會產生大量硫酸銨鹽微粒，難以被濕式洗滌塔去除。
• 針對高溫硫酸產生的硫酸銨鹽，則提出：分流水霧、水渦流機、現址型高效率空氣過濾網(High Efficiency Particulate Air filter，以下簡稱HEPA)及水力薄膜四道關卡來破解 圖13、圖14、圖15。

HEPA技術是將所有細小的微粒全面攔截，但過去此類型應用始終礙於「材質腐蝕」及「堵塞產生壓差」兩種問題，遲遲未導入商用階段。然而，在新空污標準下，本研究導入「線上反洗再生式PVDF HEPA」裝置進行微粒減量實驗。

PVDF材質具有優秀的耐酸鹼特性，已廣泛用於硫酸管路之輸送，能確保不被硫酸銨微粒蝕穿。HEPA堵塞問題則透過硫酸銨鹽類易溶於水之特性，在系統壓差上升時至超過1600pa時進行注水反洗，成功將維護週期延長至1個月以上 圖16。

確保系統可行性之後，再邀請工研院進行HEPA效率驗證，證實此現址型HEPA針對所有銨鹽類微粒可達成總質量99.7%之捕集率，個別粒徑之效率可參照 圖17。

結論

近來空污議題所獲關注與重視，因著PM2.5此項污染物在反石化開發案中被模擬而產生健康影響的論述，更在環保、公民團體透過遊行運動等訴求發展下，帶起了空污的論述，不僅將工業廠區或發電廠等空污大戶問題拋出，同時也在民間針對此議題持續的滾動，成為政府推動政策的重要力量。本文以PM2.5危害健康作為始點，三個時程階段作為劃分，第一階段：水渦流機，第二階段：Das Salix水洗，第三階段：PVDF HEPA+水力薄膜，其中水渦流機對於0.3µm以下微粒僅有60%去除率，因此本研究 HEPA去除粒狀物防制技術，對於0.1µm以下微粒去除率可達95%。對於整理近年來的改善演進過程，許多的前輩多年經驗及辛勞，才能夠發展至今，達到預期的空品標準。

整體國家空污政策的演進下，空污改善的政策目標逐漸明確化，而空污議題已從過去針對「單一污染源」轉變為全面「空氣品質」的問題，今日空污的發生也不再侷限於某一地方縣市區域，而是全國性的議題與影響， 一直以來本著不斷虛心學習實驗新技術、導入檢測新手法，未來還會繼續前行，邁向仰望藍天、大口呼吸的天然美好環境！