第八章能源科技.ppt

1、第 九 章 能源與環境,9-1空氣污染9-2酸雨 9-3臭氧層破裂 9-4熱污染 9-5溫室效應與全球暖化,9-1空氣污染,空氣污染,空氣污染可說是能源應用首先遭遇到的環境問題。由於工業化的演進，隨著化石燃料消耗量的增大及能源消耗密集度的日漸提升，空氣污染已成為現今都會區與工業區的夢魘。事實上，空氣污染不僅是已開發國家所需解決之問題而已，更是開發中國家及第三世界所面臨的一大挑戰。,9-1空氣污染,空氣污染事件,9-1空氣污染,空氣污染,現今能源資源的應用與交易以化石燃料為大宗，化石燃料的利用以燃燒為主要方法與手段，而燃燒則是造成空氣污染最主要的因素。整體而言，空氣污染物 (air pollut

2、ants) 可分成氣狀污染物 (gaseous pollutants)與粒狀污染物 (particulate matters)兩大類，而氣狀污染物中的主要成分有一氧化碳 (CO)、硫氧化物(SOx)及氮氧化物(NOx)等。,9-1空氣污染,一氧化碳,一氧化碳是種無色、無臭而不易察覺的氣體，且其具有毒性，因此其造成的傷害往往令人出乎意料。一氧化碳的產生絕大部分是含碳化合物不完全燃燒下的產物，當中都市的一氧化碳則主要來自於機動車內燃機的燃燒，因此都市一氧化碳濃度往往和交通流量、地點及時間等有密切的關係。一氧化碳最為人所矚目乃對人體生理之影響，而人體所受危害的程度則由CO之濃度及人體的暴露時間所決定

3、。當人體吸入一氧化碳後，一氧化碳極喜愛和血紅素結合形成羥基血紅素 (carboxyhemoglobin)。一氧化碳和血紅素結合的能力約為氧氣和血紅素結合能力的200到250倍左右，換言之，如果吸入一氧化碳過多時將造成人體血液中輸氧量大減而產生嚴重的危害。,一氧化碳對人體健康的影響,血液中羥基血紅素 (COHb) 濃度對健康之危害程度,9-1空氣污染,硫氧化物,俗稱的硫氧化物包含了SO2及SO3二種，硫氧化物的產生主要來自於工業界的燃燒，尤其是化石燃料 ( 如煤及重油 ) 的燃燒，例如發電廠、煉鋼廠及精煉廠等皆是硫氧化物的重大來源，此係因化石燃料中含有硫份之故。二氧化硫是種無色、不可燃及不爆炸的

4、氣體，但空氣中的濃度如果達到即可感覺出，而0.5ppm 則可明顯嗅出。其在大氣中十分安定，約可停留4天左右，因此可飄至遠處。二氧化硫可和水直接反應成亞硫酸，如果二氧化硫進一步氧化成三氧化硫並和水反應，則形成硫酸，此即為大氣中形成酸雨 (acid rain)的部分原因。,9-1空氣污染,二氧化硫濃度對人體之影響,空氣中的二氧化硫對於眼睛及呼吸道黏膜皆具有刺激性，同時二氧化硫亦會引發呼吸短促、咳嗽、氣喘、支氣管炎及長期傷風感冒等症狀。若二氧化硫和空氣中其他空氣污染物共同存在，例如懸浮微粒或臭氧，則形成的協合效應將具有更大的傷害力。,9-1空氣污染,氮氧化物,NO及NO2二者合稱之氮氧化物(NOx)

5、。燃燒過程可說是產生的最主要來源，而燃燒過程則來自於移動污染源 ( 如汽機車 ) 及固定污染源 ( 如發電廠、煉鋼廠等工業爐 )。氮氧化物生成的來源並不像CO、SOx或碳氫化合物等完全來自於燃料，在高溫時NOx之形成有極大部分來自於空氣中的氮氣及氧氣之反應。因此就形成過程而言，NOx生成的來源並不會受到限制。 一般的燃燒設備中所產生的NOx，NO約佔9095%，而後於大氣中進一步氧化成NO2。整體而言，一氧化氮的生成可分成三類，其為熱式 (thermal)、瞬式 (prompt) 及燃料一氧化氮 (fuel )。,9-1空氣污染,二氧化氮濃度對人體之影響,人為產生的氮氧化物中，主要以一氧化氮的

6、形式排出，其為一種無味、無臭的氣體。一氧化氮於大氣中會再經化學反應而形成二次污染物，例如二氧化氮、硝酸鹽類、亞硝酸鹽類或硝化胺類。此外，氮氧化物的排放和光化學反應中臭氧的產生亦有密切的關係。一氧化氮對人體的作用猶如一氧化碳，其會和人體中血紅素快速結合而影響血紅素之輸氧功能。如果吸入的濃度過高，則會造成人體缺氧，進而引發中樞神經機能減退，甚至中風。二氧化氮則為一種紅棕色的毒性氣體，其具有刺激性臭味，會刺激眼睛、鼻及肺部等，若濃度過高或暴露的時間過長，則可能引發氣管炎、肺炎、降低抵抗力，進而促使呼吸器官受感染如感冒等。,9-1空氣污染,二氧化氮濃度對人體之影響,9-1空氣污染,粒狀污染物,微粒物質

7、廣泛地存在空氣中，不僅因自然界的生成，在人為工業的製程中亦會大量的產生。當這些微粒物質在大氣層中的含量超過某一限度時，則將造成光學上所謂的能見度降低而阻礙陽光的照射，進而可能破壞地球的溫度平衡。尤有甚者，這些微粒質常會結合其他氣狀污染而造成更嚴重的危害，此即協合效應 (synergistic effects)。例如微粒物質和酸氣結合而形成酸霧時，將會加速金屬及其他材料的腐蝕，而如果和其他活性較強的碳氫化合物結合而進入人體，則有可能增加致癌的機率。整體而言，大氣中粒狀污染物會影響人體呼吸，惡化既存之心血管疾病，並可能損及身體之免疫系統,9-1空氣污染,常見之粒狀物質及其尺寸分佈範圍,9-2酸雨,

8、酸雨,一般而言，空氣中含有一些酸性物質，其降落至地面而影響生態環境有二種途徑：由乾燥顆粒直接落至地面的現象稱為乾沈降 (dry deposition)，而透過雨水、降雪、霧或霜等方式則稱為溼沈降 (wet deposition)，其中酸雨即屬於溼沈降。 一般在正常情況下，因為空氣中含有二氧化碳，因此未受污染的雨水下降時之pH值約5.6左右，然而當空氣中含有為數不少的酸性物質時，其將造成雨水的pH值小於5.6。依據國內環保署的定義，當雨水的pH值在5.0以下時，其即稱為酸雨。,常見物質之酸鹼值分佈情形,酸雨的產生主要來自於工業上大量的使用化石燃料如石油及煤等，當此等燃料在高溫中經過劇烈的燃燒氧化

9、時，燃料中的硫份即會與氧結合，經過一系列反應之後乃成為硫酸而存在空氣中。除了硫酸外，部分移動性污染源 ( 如汽機車 ) 及固定性污染源 ( 燃煤電廠及鍋爐 ) 燃燒所排放的氮氧化物，其進一步反應為硝酸,9-2酸雨,酸雨的特點在於影響緩慢，但卻具有累積性、跨國性與洲際性，因為形成酸雨的前兆物硫氧化物及氮氧化物都能隨風從污染物源頭飄散到5公里甚至1000公里以外的地方。酸雨的危害在於當其數量累積到達某一程度時，將造成土壤及水質酸化 (acidification)，此時土壤中的養份及礦物質等極易被沖走，土壤貧瘠之下進而影響農作物和其他植物的成長及產量等。在水質酸化方面，pH值是水中化學反應及水生生物

10、生存的重要控制因子之一，當pH值改變，首當其衝的便是水中離子型態的改變，同時沈積於底泥中的金屬元素亦較易釋放出來而造成毒害。水體的酸鹼度降低，較敏感浮游生物和水生植物會迅速死亡，造成食物鏈的破壞而導致其它生物的危機。當pH值小於5時，魚類便會死亡，若pH值降至4.5時，魚卵便無法孵化，同時也會影響鰓的作用，此時連生命力較強的魚種都無法存活。,9-2酸雨,酸雨不斷降臨的結果亦會加速自然地理景觀的改變，例如石灰岩地形將會因酸雨的出現，經年累月之後而改變景觀。另外，酸雨對材料腐蝕的嚴重性亦會更甚於氣狀或粒狀污染物。空氣污染物對材料的腐蝕主要為金屬類，而其他橡塑膠類亦為常見。例如空氣中的硫氧化物及氮氧

11、化物經過一系列化學反應後轉變成硫酸及硝酸等，此類強酸將明顯地促使金屬產生電化學反應而腐蝕。又如光化學反應而產生的臭氧會引起橡膠、輪胎的龜裂而使其使用壽命減短。建築物中有許多物質是由石灰石及大理石等建材構築而成，而此類物質極易到受空氣中酸性物質的侵蝕 ( 如硫酸及亞硫酸 ) 而形成可溶解的硫酸鹽。除此之外，有甚多的藝術品如畫冊經常因暴露於外界而受到空氣污染物的侵襲。,9-2酸雨,為了減少酸雨的危害，最直接的方去便是降低對化石燃料的使用與依賴。通常，原油提煉的過程中具有一道脫硫的手續以減低石油中硫份的含量。此外，亦可嚐試改進脫硫的技術以減少燃料中硫份的含量，或直接使用低硫含量之燃料如環保煤，以降低

12、酸雨的危害。協合效應 (synergistic effect)即當兩種以上物質同時存在而作用時，其效力將大於各別物質存在而作用之和，以數學表示為1+12。例如微粒物質若和酸氣結合，則其破壞力將更大於二者各別危害效果的總和。,9-2酸雨,酸雨不斷降臨的結果亦會加速自然地理景觀的改變，例如石灰岩地形將會因酸雨的出現，經年累月之後而改變景觀。另外，酸雨對材料腐蝕的嚴重性亦會更甚於氣狀或粒狀污染物。空氣污染物對材料的腐蝕主要為金屬類，而其他橡塑膠類亦為常見。例如空氣中的硫氧化物及氮氧化物經過一系列化學反應後轉變成硫酸及硝酸等，此類強酸將明顯地促使金屬產生電化學反應而腐蝕。又如光化學反應而產生的臭氧會引

13、起橡膠、輪胎的龜裂而使其使用壽命減短。建築物中有許多物質是由石灰石及大理石等建材構築而成，而此類物質極易到受空氣中酸性物質的侵蝕 ( 如硫酸及亞硫酸 ) 而形成可溶解的硫酸鹽。除此之外，有甚多的藝術品如畫冊經常因暴露於外界而受到空氣污染物的侵襲。,9-2酸雨,9-3臭氧層破裂,臭氧層,約距地表20至35公里處為臭氧濃度最高之區域。臭氧層對於地球上的生命非常重要，因為臭氧能吸收外太空傳送到地球的紫外線，將這些短波長且有危險性的輻射線轉換成熱能。換言之，由於臭氧層的存在，使得只有極少量的紫外線能到達地表，因而避免人類本身、動植物乃至海洋生態遭受到極大傷害。近年來由於工業的發達，因而造成臭氧層的破裂

14、。臭氧層的破裂並非指真的破洞，而是指臭氧的濃度變的非常稀薄，結果太陽的紫外線可毫無忌憚地照射地表。,臭氧層破裂,臭氣層破洞的發現首先可回溯西元1985年。英國南極觀測站的科學家法曼等人從1977到1984年在南極郝利灣 (Halley Bay) 上空之觀測，其發現春季時的大氣臭氧含量大約減少了40% 以上，而其他研究團體也指出南極上空有一塊區域的臭氧量急遽，其面積甚至大於南極大陸，高度則是介於1224公里之間的平流層，而此區域即稱為臭氧洞。1985年以前，南極臭氧洞的大小和深度，大約以2年為消長周期。但從1989到1991年間，卻連續3年觀測到大規模的臭氧洞。另外，日本氣象廳發佈的資料亦顯示，

15、從1982到1991的10年間南極臭氧洞的面積擴大了10倍，深度增加了2倍，而被破壞的臭氧量則估計為過去的4.3倍。而且自1990年之後，南極上空臭洞的形成時間也開始提早。1992年，南極臭氧洞最大時範圍曾一度超過2,300萬平方公里，約為南極大陸面積的1.5倍。,9-3臭氧層破裂,臭氧消耗主因源自於氟氯碳化物 (CFCs) 的廣泛使用。氟氯碳化物是一種含有氟 (F)、氯 (Cl)、碳 (C) 的人工合成化合物，由於其化學性質非常安定，不可燃且無毒性，因而應用的範圍極為廣泛。過去以來，氟氯碳化物已廣泛應用於汽車和冰箱等冷凍空調的冷媒、電子和光學元件的清洗溶劑、化粧品等噴霧劑，以及PU、PS、P

16、E的發泡劑等。,9-3臭氧層破裂,CFCs的性質非常安定，一旦被釋入大氣，除非行光分解反應，否則會不斷地累積在對流層中。在CFCs未受管制之前，過去被排放到大氣中總量約在2,000萬噸，大部分仍留存在對流層中。CFCs非常安定，生命期長達40150年，因此會在大氣中不斷累積。當CFCs上升至平流層後，其將因受紫外線照射而分解產生氯原子，活潑的氯原子會與臭氧反應，使臭氧分解消失。平流層所能接納的氯相當有限，而且即使大幅降低CFCs的使用量，大氣也需要一段相當長的時間才能減緩臭氧的分解。CFCs所以會對臭氧層造成如此嚴重的傷害，主要關鍵就在其所含的氯原子。據估計，當CFCs釋出的1個氯原子，只要數

17、個月的時間，就能使大約10萬個臭氧分子消失。,9-3臭氧層破裂,整體而言，紫外線的增加將會對人體的皮膚、視覺與免疫系統、農作物及地球生態造成極大威脅。在皮膚方面，以皮膚癌最為人熟知，而且為害最廣，而在皮膚癌中，又以惡性黑色瘤最具危險性。由於紫外線會破壞包括DNA在內的生物分子，因而增加罹患皮膚癌和許多免疫系統的疾病。眼晴在強烈紫外線照射下，會使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結膜充血的結膜炎，最嚴重的則是白內障。白內障的病因是水晶體發生混濁，使視力逐漸衰退，雖然不會產生疼痛，但嚴重時有失明之虞。紫外線還會破壞免疫系統，減弱人體對病毒和病原菌的抵抗力。紫外線之所以會損害皮膚、眼晴及免疫系統，

18、是因為紫外線能破壞人體內的蛋白質和核酸,臭氧層破裂之危害,9-3臭氧層破裂,整體而言，紫外線的增加將會對人體的皮膚、視覺與免疫系統、農作物及地球生態造成極大威脅。在皮膚方面，以皮膚癌最為人熟知，而且為害最廣，而在皮膚癌中，又以惡性黑色瘤最具危險性。由於紫外線會破壞包括DNA在內的生物分子，因而增加罹患皮膚癌和許多免疫系統的疾病。眼晴在強烈紫外線照射下，會使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結膜充血的結膜炎，最嚴重的則是白內障。白內障的病因是水晶體發生混濁，使視力逐漸衰退，雖然不會產生疼痛，但嚴重時有失明之虞。據估計，大氣總臭氧量若減少10%，全世界將產生160175萬名新白內障患者。紫外線還

19、會破壞免疫系統，減弱人體對病毒和病原菌的抵抗力。紫外線之所以會損害皮膚、眼晴及免疫系統，是因為紫外線能破壞人體內的蛋白質和核酸,臭氧層破裂之危害,9-3臭氧層破裂,由於國際社會體認到氟氯碳化物等臭氧層破壞物質(ozone-depleting substances, ODSs)已對臭氧層造成嚴重破壞，以及臭氧層對地球生態環境的重要性，聯合國環境規劃署(UNEP) 遂於1985年召集世界各國共商對策，簽訂保護臭氧層的維也納協定 (Vienna Convention)，但該協定並不具強制性。而後，於1987年9月，共27個國家以維也納協定為基礎簽署了重要的蒙特婁議定書 (Montreal proto

20、col)。該議定書強制規定締約國至西元1990年時，CFCs的使用量必須降至1986年使用量的50%。之後，蒙特婁議定書的管制措施不斷修訂，管制範圍擴大且削滅時程縮短，同時締約國的數目也不斷增加。,蒙特婁議定書,9-3臭氧層破裂,9-4熱污染,將不想要或無法利用的熱能排放到環境中，尤指是到大自然的水域中即稱為熱污染。熱污染主要的來源是火力 ( 化石燃料 ) 發電廠與核能發電廠的冷卻系統排出的熱水，此係因渦輪機完成了蒸汽循環後，需有冷凝裝置並配合冷卻水以降溫，該裝置也可改善發電廠的效率。熱污染也包含了鋼鐵廠、石油、化工、造紙等工廠排出的生產性廢水。這些廢熱排入地面水體如湖泊或河流後，將使水體的水

21、溫升高。,熱污染,溫度是支配生命特性與變化之重要因素之一，水中魚類，其乃屬於冷血動物，溫度改變將對魚類的新陳代謝產生極大影響；換言之，當溫度升高時，動物整體的活動力將會升高，其溫度與新陳代謝速率大約呈現指數變化關係。一般而言，每升高10會加倍魚類的新陳代謝速率。新陳代謝速率的增加將導致魚類對氧氣需求的增加。然而，水中溶氧的濃度卻會與溫度成反比關係，例如當水溫從16變化到35時，水中溶氧的飽和濃度將從10mg/L降至7mg/L。正因為水體溫度的升高會增加魚類的新陳代謝速率，但卻會減少水體的溶氧量或飽和濃度，因而水中溫度高於某一臨界值時，將促使魚類生存上的困難。,水中動物的衝擊,9-4熱污染,電廠

22、出現時，溫廢水的排放將干擾水層混合的自然過程。電廠因自深水層取出冷水提供冷凝器之用，並將熱水排放至表水層，此舉將造成上水層溫度漸增，可能延長形成各水層的時間，因而造成較短的混合時間並減少供應底層生物所需的氧氣。再者，自底層取水同時亦會帶走養分 ( 如氮、磷 ) 隨後又將之排放至表水層，造成水面植物的快速成長，特別是容易適應溫度變化的物種。有一些水藻成長特別快速，形成整片綠藻或藻團覆蓋水面，這些水生植物僅迎合少許的物種而對其他物種有毒，且未提供額外食物給需要的動物。綜而言之，當水體中營養成分過多而引發大量藻類的成長，其即稱為優養化。,湖泊優養化,9-4熱污染,湖泊內各水層及湖水溫度分佈圖,9-4

23、熱污染,廢熱利用,若能將所排放的廢熱加以回收利用，其不但不會產生熱污染現象，甚至對於水產養殖有極大的幫助,9-4熱污染,熱島效應,當人口逐漸往都市集中，其造成諸多能量的消耗而產生了甚多的熱能排放至空中；此外，高樓與大廈等矗立的建築物及路上的柏油路也促使地球表面在都市較鄉村為粗糙，且吸收較多的太陽熱能。因而不論白天或晚上都市皆較鄰近的鄉村具有更多的熱量，此即形成所謂的熱島 (heat island) 。因為溫度較高，因此都市的熱空氣會上升，此時都市周圍的冷空氣則流向都市而造成一特殊的氣流循環系統。,9-4熱污染,熱島效應示意圖,9-4熱污染,9-5溫室效應與全球暖化,溫室效應與全球暖化,根據聯合

24、國跨國氣候變遷研究小組 (IPCC)在2001年1月上海的報告中，確認地球氣候變化加劇主要原因在於空氣污染，並警告可能有乾旱及其他天災發生。而該小組在同年2月於日內瓦一份多達千頁，名為2001年氣候變遷：衝擊、適應與可能傷害 的研究報告結論中則更指出，人為氣候變化主要的影響如下：1.導致出現更多如颶風、洪水及旱災等異常天災。2.受害最嚴重地區將出現大規模人口遷徙。3.可能導致大量人口死亡。4.蚊蚋會擴大棲息範圍，使得瘧疾等疾病發生率大為增加。5.生物棲息地遭到破壞，許多物種將告滅絕。,溫室效應說明圖,太陽表面溫度為6000 K時，其所對應高峰強度波長屬於可見光部分。至於地球表面溫度約295 K

25、，其所對應高峰強度波長屬於紅外光區域 。故太陽對地球能量的入射主要以可見光進行，而地球向外太空的能量放射則主要以紅外光輸出。當大氣中CO2、CH4、N2O及H2O等氣體的濃度增加時，其將使得地球外射能量部分被這些氣體截留，能量累積於大氣中而造成地球溫度的攀升，此即溫室效應,9-5溫室效應與全球暖化,溫室氣體之性質,目前國際上所認定的溫室氣體主要包括了二氧化碳、氟氯碳化物、甲烷、氧化亞氮、六氟化硫、全氟碳化物 (PFCs) 及氫氟碳化物 (HFCs) 等，其中前四項為聯合國界定之人為造成的溫室氣體。,9-5溫室效應與全球暖化,大氣中二氧化碳濃度之變化,9-5溫室效應與全球暖化,國際議題,聯合國

26、(United Nations, UN) 於1992年6月在巴西里約召開地球高峰會議 (The Earth Summit)，並簽署了氣候變化鋼要公約 (framework convention on climate change, FCCC)，原則性要求各國於公元2000年時將二氧化碳排放量降低至1990年水準。氣候變化鋼要公約有四項基本原則：1.彈性責任：成員可因能力不同而不同，強者責任較大。2.公平原則：對控制成本負擔高之成員給予特殊考慮，以示公平。3.防制原則：採經濟有效措施，以最低成本防制氣候變遷。4.經濟發展：尊重簽約成員有權促進持續性的經濟發展。,9-5溫室效應與全球暖化,京都議定

27、書,1997年12月於日本京都召開的第三次締約國大會，簽訂具有法律效力的京都議定書(Kyoto protocol)，明確規範工業國家溫室氣體的減量目標。京都議定所擬定的主要內容包括以下數項：1.管制國家；2.目標期間與削減量；管制氣體；4.吸收源；5.排出權。由於各國意見相左，造成溫室氣體減量之談判進展慢如牛步。直到2004年11月俄羅斯批准京都議定書後，國際間對於溫室氣體減量才獲得重大進展；最後，京都議定書於2005年2月16日正式生效，至此開啟後京都 (post-Kyoto)時代。但遺憾的是，基於自身經濟利益的考量，至今美國與澳洲尚未簽署京都議定書。,9-5溫室效應與全球暖化,因應溫室氣體

28、排放之發展歷程,9-5溫室效應與全球暖化,國際議題,聯合國於1992年6月在巴西里約召開地球高峰會議 (The Earth Summit)，並簽署了氣候變化鋼要公約 (framework convention on climate change, FCCC)，原則性要求各國於公元2000年時將二氧化碳排放量降低至1990年水準。氣候變化鋼要公約有四項基本原則：1.彈性責任：成員可因能力不同而不同，強者責任較大。2.公平原則：對控制成本負擔高之成員給予特殊考慮，以示公平。3.防制原則：採經濟有效措施，以最低成本防制氣候變遷。4.經濟發展：尊重簽約成員有權促進持續性的經濟發展。,9-5溫室效應與全

29、球暖化,二氧化碳減量技術,整體而言，二氧化碳的處理方式可分成物理、化學與生物方法三種。其包含： 1.吸收法：又分成化學吸收法與物理吸收法二種。2.物理吸附法：使用沸石、活性碳及分子篩等吸附劑將去除。3.氣體分離法：有薄膜分離法及深冷分離法兩種。4.複合系統法：利用前述各種方法的組合方式去除二氧化碳。至於生物方法，則可利用海洋生物或陸地生物，前者如海洋中微細藻類的利用及植物繁殖，而後者則有微生物的利用與樹木植物的光合作用等。,9-5溫室效應與全球暖化,碳隔離法,把二氧化碳灌進油田、天然氣田或煤層，或儲存於深海岩層及海洋深處等方式則稱為碳隔離法 (carbon sequestration)。 1.灌進油田及天然氣田2.灌進煤層3.儲存於深海岩層4.儲存於海洋深處,9-5溫室效應與全球暖化,二氧化碳注入海水中,當二氧化碳注入海水中時，可依二氧化碳注入的深度分成三類，即：1.淺海注入 中間深度釋放 深海隔離,9-5溫室效應與全球暖化,