廢氣中氣膠微粒深度淨化處理技術

前言

氣膠泛指大氣中粒徑介於0.01～10微米之間的固體或液體，在工業及科技蓬勃發展之際，各種空氣污染物隨之而生。近年來，粒狀污染物尤為矚目，台灣積體電路公司除了追求企業成長與突破，亦堅守綠色承諾，持續落實各項永續措施，減少廢氣中的氣膠排放必將成為重要目標。各縣市環保局亦紛紛將粒狀污染物列為空氣污染防制計畫的目標，以人體健康危害為主軸，推動細懸浮微粒及有害空氣污染物管制策略，呼應「空氣污染防制法」第一條之規定：防制空氣污染，維護國民健康、生活環境，提高生活品質。

台灣科學園區半導體廠量測煙道排放之懸浮微粒，在靠近酸槽區域之酸性氣體排放煙囪中測得總懸浮微粒達815.37μg/m³，為酸鹼氣體排放管道中的懸浮微粒主要排放源，其中粒徑介於0.1~1.0μm者佔總質量78%，為降低懸浮微粒之排放量，本研究於排放源進行改善，已知酸槽機台為廠內酸槽區域中懸浮微粒的重點排放機台，目前以水渦流機作為現址式尾氣處理設備，並串聯高效率空氣微粒子過濾網(High Efficiency Particulate Air，簡稱HEPA)進行微粒的補集，但HEPA濾網因壓損過大而無法有效利用，故本研究導入低壓損的深層式濾網，讓微粒深入濾網層中攔截，不阻塞在濾材表面，以期將廢氣完全導入濾材，達更佳的氣膠處理效率。

文獻探討

氣膠微粒之定義與特性

大氣懸浮微粒常指空氣中粒徑0.002~100微米之液體或固體，氣膠微粒泛指其中徑介於0.01~10微米之間的懸浮微粒。本研究之粒徑定義引用氣動直徑(Aerodynamic diameter)之定義：以單位密度(1 g/cm³)之圓球微粒的氣動特性為參考基準，無論微粒之形狀或密度，只要沉降速度相同，則微粒之氣動直徑視為相等^[1]。

粒狀物質(particulate matter, PM)其粒徑大小，將其直徑上限以微米為單位註記於下標，可概分為總懸浮微粒(Total suspended particles, TSP)、懸浮微粒(Suspen-ded particles, PM10)、細微粒(fine par-ticles, PM2.5)、超細微粒(ultrafine particles, PM0.1)。Whitby and Cantrell提出大氣中懸浮微粒之形成機制、來源、去除機制及粒徑分布如 圖1所示^[2]，並指出細微粒可由熱蒸氣凝結後，藉冷凝成核發展而來，亦可由低蒸氣壓之化學氣體勻相成核而來，最後靠雨水沖刷而去除。而PM1.0-10常見為原生性排放源產生，如塵土、工廠、汽機車、火山口等，並可藉由自然沉降移除。

氣膠微粒與健康危害

由於氣膠微粒直徑小，比表面積大增，在相同質量下，0.1μm之微粒其表面積則為1μm之微粒的10倍，故可攜帶更多的毒性物質^[3]。Adgate等人以無吸菸史的成人作為研究對象，指出懸浮微粒對健康有關鍵性的影響^[4]。當粒徑小於2.5微米時可被吸入肺部^[5-7]，且被吸入的細微粒對肺部疾病有決定性的影響^{[8, 9]}，如Schwartz等人在1966年發表研究美國六大城市的世代研究，當PM2.5平均值增加10μm/m³，死亡率便增加1.5%，且具有高度相關性^[10]。而Wilson亦研究流行病學與PM2.5的關聯性，指出當大氣中懸浮微粒的氣動直徑小於2.5微米時對健康影響更為嚴重^[11]。

圖2中Marianne Geiser整合其他學者之研究模型，並繪製不同粒徑之懸浮微粒在人類肺部的穿透模擬圖，清楚地表示了越小的粒徑可沉積在越深的肺部中，甚至可深達肺泡，微粒所夾帶的毒性物質更可穿透微血管至人類的循環系統中^[12]。

半導體製造業排放廢氣特性

半導體製造業使用各種化學原物料，經由製程所產生的空氣污染物可概分為四類^[16]，分別為：酸鹼廢氣、有機溶劑廢氣、毒性氣體及燃燒性氣體，如 表1所示。廢氣可能經排氣系統由煙囪排放至大氣，其中的酸性氣體與鹼性氣體可反應成鹽類並懸浮在空氣中，在飛行過程中，毒性物質亦可能累積於懸浮微粒上。

Tsai研究半導體廠製程之廢氣特性^[17]，指出濕式洗滌塔煙囪排放之懸浮微粒平均粒徑為0.1μm，但經由某些特定氣象條件下，水氣凝結在微粒上使之成長至0.1~1.0μm，由光線高散射作用使微粒成為可視白煙，其組成主要為Si⁴⁺、SiO₂、NH₄⁺及Cl^-，而氣狀污染物則以NH₄⁺及Cl^-所組成。

懸浮微粒濃度標準

1997年，美國通過國家環境空氣質量標準(National Ambient Air Quality Standards)，首次發佈PM 2.5之空氣品質標準，訂定出規範：PM2.5連續二十四小時平均值不可超過65μg/m³，三年平均值不可超過15μg/m^{3[18, 19]}。2006年及2012年參考諸多醫學研究結論進行修改，而現行公告限值已修正至：二十四小時平均值不可超過35μg/m³，三年平均值不可超過12μg/m³。

而台灣自82年建置空氣品質監測網後，對空氣品質標準不斷更新，現行規範於中華民國101年5月14日行政院環境保護署環署空字第1010038913號令修正發布，依空氣污染防制法第五條第三項規定訂定，各項空氣污染物之空氣品質標準規定如 表2。

未來將依國際管制趨勢，依世界衛生組織提出之空氣品質準則值：連續二十四小時值訂為25μg/m³、年平均值訂為10μg/m³，做為空氣品質改善目標。

懸浮微粒去除原理

不同直徑的懸浮微粒經各種機制被濾材補集，如 圖3所示^[20]，包括：擴散(diffusion)、攔截(in-terception)、慣性衝擊(inertial impaction)、靜電吸引(electrostatic attraction)以及重力沈降(gravita-tional settling)^[21]，通常越小的微粒較容易受擴散及靜電作用而被補集，慣性衝擊、攔截作用與重力沈降則常發生在較大直徑之懸浮微粒上 圖4，因此較大及較小的微粒相較下容易受到補集，但介於兩者中間的粒徑反而相對易穿透，如 圖5，此粒徑稱之最易穿透粒徑(the most penetrating size)或者是最小採集(collection minimum)。

深度過率裝置的過濾理論(depth-filtration theory)，由Lee and Liu結合單一纖維理論(single fiber theory)，整理出氣懸微粒貫穿率的關係式^[22]：

............公式(1)

P： 氣懸微粒貫穿率
(aerosol penetration)

V_f：濾材充填密度(packing density)

w：濾材厚度(filter thickness)

a_f：纖維半徑(fiber radius)

E_f：總單一纖維過濾效率(total single fiber filtration efficiency)

其中濾材的總單一纖維過濾效率 E_f 為各效率總合：E_d：擴散沈積(diffusion deposition)，E_r：攔截沈積(interception deposition)，E_i：衝擊沈積(impaction deposition)，E_g：重力沈積(gravitational set-tling)，E_p：介電力(dielectrophoretic force)，E_c,n：庫侖力(Coulombic force)，E_m：感應力(image force)。

計畫方法

系統架構

本研究所使用之深度淨化系統，主要以纖維狀的材料加工成為毛毯狀，纖維的直徑平均2μm，多為10μm以下，較細的直徑可達0.01 μm，深度淨化系統之纖維材料纏繞於支援架上，並使用加壓設備使其密合，使其均勻且有效固定支援架上，而支援架本體則使用可耐酸鹼之塑膠材質，其成品如 圖6所示。

深層式濾桶架構在水渦流機後方的濾網箱(Filter housing)中，一箱裝載四桶深層式濾桶，如 圖7。

採樣及分析

委託工業技術研究院進行採樣及分析，利用微孔均勻沉降衝擊器MOUDI (Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor)於深層式濾網箱入、出口端進行採樣，並測量各粒徑之重量分布，再利用離子層析儀法(Ion Chromatography, IC)做離子成分分析。氣相的測量則利用多孔金屬片進行氣體吸附，最後再以IC法進行濃度分析。

結果與分析

於酸槽之機台尾氣，經水渦流機處理後，串聯深層式濾網箱，委託工業技術研究院－空氣污染防治研究室進行檢測，於箱體入、出口裝設採樣儀器，其檢測結果如下。

懸浮微粒質量濃度

深層式濾網箱入口端總質量328568μg/m³ 圖8，其中以PM 0.4-1.0之濃度最高為219137 μg/m³，其次為PM0.1-0.4之88241 μg/m³。轉換為分徑百分比 圖9，則以PM0.4-1.0所佔之比例最高為67 %，其次為PM0.1-0.4之27 %。

深層式濾網箱出口端總質量124500μg/m³圖8，同樣以PM0.4 -1.0最高為74501μg/m³，其次為PM0.1-0.4之48170μg/m³。轉換為分徑百分比 圖9，則以PM0.4-1.0所佔比例最高為60%，其次為PM0.1-0.4之39%。

懸浮微粒之去除效率

各粒徑之去除效率如 圖10，總微粒去除效率為62.1%，其中PM1.0-18.0之移除效率均在90%以上。效率最高粒徑為2.5-10.0μm，而效率最低者為PM0.1。

總懸浮微粒酸鹼鹽類濃度

總懸浮微粒以離子層析儀分析其酸鹼鹽類濃度，於深層式濾網箱入、出口皆以NH₄⁺以及SO₄^2-為主要離子濃度，共佔總濃度之83.6%，如 表3所示，由數據可推測管道中懸浮微粒主要成分為硫酸銨鹽，且其處理效率皆大於7成。

酸鹼性氣體濃度分析

以多孔金屬片採樣，收集深層式濾網箱入、出口之各項氣體濃度，再以離子層析儀分析其濃度，參見 表4，入出口皆以NH_3(g)為主要酸鹼性氣體，入口端達783ppmv，經深層式濾網處理其效率達49.2%，其餘氣體濃度等級接近於ppbv，可能落於採樣誤差範圍內，其處理效率與濃度數值僅供參考。

結論

酸槽機台所使用之高溫硫酸液滴與氨氣化合成原生微粒，依 圖1 Whitby and Cantrell之研究，氣相化學物質勻相成核之粒徑應落於0.01-0.1微米，當微粒行經富含水氣之水渦流機時，與水氣接觸並凝結，將發展成0.1-1微米之懸浮微粒，此機制與本研究入口端的94%之PM0.1-1.0具高度相關性。

深層式濾網使用特殊編織法創造多孔過濾材質，將微粒補集於整個濾材中，而不僅只攔截於表層，故在阻塞前可承載更多微粒，帶來低壓損及生命周期較長等優點。本研究以IC分析總懸浮微粒主要組成即為硫酸根離子及銨根離子，佔總懸浮微粒質量的83.6%。硫酸銨鹽為高水溶性鹽類(74.4g/100g H₂O, 20℃)，處理過程中持續對濾網灑水，除可溶解微粒達濾網再生外，以灑水來模擬 圖1 的降雨洗淨過程(Rainout and washout)，將空氣中的懸浮微粒去除，最後達67%之總去除效率。由此可預期，若針對灑水霧滴大小、水量、角度等進行改善，將可在既有框架中進一步提升其去除效率，並透過公式(1)可得知，藉由調整濾網纖維密度、濾材厚度、纖維直徑，可在壓損與去除效率上找到更佳的平衡點。