HVOC 檢測訓練課程

HVOC檢測訓練課程 劉希平、劉耀仁輔仁大學公共衛生學系

HVOC檢測之主要目的 • 了解固定污染源HVOC排放情形，檢測品質之良莠攸關該檢測目標適法性或排放量之推估，作為環保單位管制依據或擬定環保政策之參考。 • 正確且具代表性之檢測結果除了可提供業者進行自我污染改善外，也是地方環保單位管制之重要依據。

課程內容 • HVOC檢測之理論基礎、監測原理、採樣程序與現場品管、樣本分析過程監控、最終數據計算與報告審查、整體採樣分析之品管品保情形等事項，配合常見檢測錯誤情形，提供檢測人員與查核人員對於HVOC檢測結果正確性判斷。

檢測目標 進行HVOC採樣前，必須先確定採樣目的及策略，採樣目的為檢測某煙道排氣污染物排放情形或監測目標區域的周界空氣品質等，進而擬定適當之採樣策略，包括採樣地點、分析方式、儀器組裝、人員配合等事項。如能預先了解空氣污染物在目標環境之濃度分佈或變化特性，則更能掌握採樣與檢測過程之進行情形，提高檢驗結果品質。

HVOC之檢測特性（一） HVOC與其他無機空氣污染物有著極大差異性，差異點在雖可攜回檢驗室進行詳實、重複地分析，但是必須顧慮HVOC之衰退、冷凝現象，往往在實驗室進行之分析結果均為低估情形。進而依據檢驗結果所求得之排放濃度與排放量亦為低估情形。

HVOC之檢測特性（二） • 理想的空氣污染物採樣分析方法應以自動監測設備進行連續監測與記錄，盡量減少化學方法進行批次式採樣分析，但是在干擾物、不同檢驗方法限制、檢驗方法交叉比對、兩種自動的監測設備交叉比對時，可用化學分析法進行批次採樣之輔助分析。

化學法批次採樣分析之優缺點 • 以化學法進行批次式採樣分析常受到分析靈敏度之限制，因為批次式採樣需要足夠之空氣樣本以供檢驗分析之用，因此長時間採樣限制使得無法獲得預定時間解析靈敏度。 • 以HVOC而言，如能於採樣現場，及時分析HVOC物種與濃度，應是最佳選擇。例如：開徑式或密閉式之FTIR。 • 若能以確認HVOC物種之氣相層析儀搭配FID或MS，更可立即在相關標準圖譜與濃度檢量線下，獲得及時資料。 • 對於極低濃度的毒化物而言，正確檢驗結果應優於短時間之靈敏度需求。

氣狀空氣污染物 • 碳氫化合物（Hydrocarbons）：碳氫化合物為含有碳和氫元素之化合物，碳氫化合物之種類繁多，依據揮發性在一般環境常溫狀況下可分為揮發性有機物（volatile organic compounds, VOCs）和半揮發性有機物（semivolatile organic compounds, SOCs）。 • 碳氫化合物並不會對材料造成明顯腐蝕性損害，但不完全燃燒之碳氫化合物之碳粒卻會污染材料表面，甚至阻塞燃燒器內燃油或氣體噴嘴，更加惡化燃燒現象，以柴油車產生大量污染最為明顯。 • 碳氫化合物主要來源為交通車輛不完全燃燒之廢氣、工業製程有機溶劑之揮發、石化工廠製程及元件逸散、固定污染源不完全燃燒之產物等。 • 碳氫化合物是臭氧光化前驅物質，所以管制碳氫化合物勢必成為未來環境管制之重點。

主要氣狀污染物之監測原理 HVOC為氣狀污染物，大多數之氣狀污染物會吸收不同光波波長，藉以提昇化合物外層電子之能階。所以氣體污染物連續自動檢測方式用幫浦抽取方式，使氣體樣本通過透光管柱，而後利用特定波長之光線以化學激光或吸收能量等方式，辨別污染物濃度與吸光值之相關性，進而判定污染物之即時濃度，多半之即時濃度均為體積/體積（V/V）濃度。

氣狀污染物之檢驗方法 • 傳統上大多數之氣狀污染檢驗方法都以化學吸收、吸附法為主，在採集適當氣體樣本後，攜回檢驗室進行分析，獲得目標化合物重量後，再除以採樣體積，便可獲得氣體濃度資料。 • 由於污染源變化情形與自動監測儀器之發展，近年來較常使用之氣狀污染物監測設備改為連續自動監測儀，此改變的優點為儀器經檢量校正後，可立即進行分析工作，可即時獲取短時間之檢測資料，不但有助於污染診斷與防治設備操作狀況調整，若配合資料擷取裝置之設置，長時間濃度變化趨勢與平均濃度處理均極為方便，更使得環境管理者隨時監督各地方環境污染物情形。

監測系統的分類與特點 • 監測系統主要分為 • 現址系統 • 抽取系統 • 遙測系統 • 空氣污染物潛在性衰退和不易保存 • 立即分析 • 現址採樣 • 定性定量

非散射性紅外線分光計（Non-Disperse Infrared, NDIR） • 非散射性紅外線是指用稜鏡、光柵或濾光鏡，將紅外線分散成不同波長範圍之特性紅外線，該特性紅外線具有一定波長範圍，以波長範圍較寬紅外線照射目標氣體樣本，在此波長範圍內可發現特定氣體之吸收波峰，進而判定為氣體種類。 • 使用NDIR之氣狀污染物包括CO、CO2、SO2、NOx等，由於不同氣體在NDIR照射下會呈現不同之吸光波長特性，藉尤其個別之NDIR吸光差異性，加以鑑別不同氣體之濃度，因此NDIR可同時分析多種不同之氣體，增加NDIR之分析效能。 • NDIR儀器之主要優點為價格較低、維護簡便、適用之氣體種類較多。

典型NDIR監測儀

全光譜紅外線吸收儀Infrared (IR)

IR鑑定VOC之需求 • 現場人員辨認VOC技術性 • 較高 • 可即時檢測 • 優點： • 即時 • 方便 • 高濃度之準確性高 • 缺點： • 易受水氣二氧化碳干擾 • 低濃度之靈敏性較差

延伸彎曲資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

遙測系統 • 遙測系統為近年來發展之重點測定方式。 • 以遠距離（數百公尺至數公里）紅外線進行單程或雙程的測定，紅外線通過目標煙道出口或汽機車排氣管之路徑，藉由排氣中特定空氣污染物吸收特定波長之紅外線，進而測定目標氣體中空氣污染物之物種與濃度。 • 優點：無須事先知會工廠或影響道路上行進狀態的車輛。 • 缺點：大氣變化及其他化合物同時吸收相同波長之干擾。 • 對於高濃度之汽機車排氣，遙測技術已達穩定水準，但對低濃度空氣污染物之檢測方面，仍有待技術突破。

吸光之基本原理比爾定律（Beer′s Law）

不同波長之光線及可見光之互補色 （280nm）（436nm） NO2 SO2

行進時汽車排氣之遙測

傅立葉轉換紅外線偵測法（Fourier Transfer Infrared，FTIR）

Photo Ionization Detector (PID) • 以高能量之紫外光，激化氣體樣本中有機化合物之內層電子，使其離子化，產生電流，在偵測其電流，作為總碳清化合物濃度之偵測。 • 優點為便宜、方便、容易操作 • 缺點為不易辨識VOC物種、不可檢測所有VOC

火焰離子化偵測法（Flame Ionization Detector） • 火焰離子化偵測法主要檢測氣體樣本中之碳氫化合物濃度： 1.排氣煙道：以加熱的採樣裝置將氣體樣品自排放源引導至火燄離子分析儀，以測定總有機氣體濃度。 2.周界空氣：可直接引入火燄離子分析儀加以分析。 • 氣體樣本燃燒時，粒狀物或不完全燃燒產物會阻塞燃燒頭，必要時需在入口處加裝玻璃纖維濾紙，過濾氣流中粒狀物。 • 火焰離子化偵測法可分析不同種類之有機性物質，經由氣相層析分離後，再以火燄離子分析儀進行目標物的分析。若配合質譜儀鑑定，更可提供污染有機物種之指紋鑑定。

氣相層析儀(Gas Chromatograph, GC) 資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

氣相層析樣本入口注射器 資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

氣相層析 • 利用不同氣體之沸點、極性與層析管柱內吸附劑分佈（Partition）的差異性，相混合氣體樣本中的不同化合物加以分離。 • 在輕質量的載流氣體（例如：氫、氦）中，利用層析管柱之吸附劑、昇溫程式控制與後方特性功能之檢測器，監測分離後之純化學物質。 • 由於部分化合物之沸點、極性相近，有可能兩種以上化合物同時析出層析管柱，此時，需要解析度較高之偵測器，進行後續之定性與定量。

氣相層析圖譜 資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

質譜儀（Mass Spectrometer） • 經由氣相層析後之純化學物質，進入接近真空狀態下之偵測腔 • 以高電壓之電子解離方式，將化合物破碎，形成帶電荷的離子 • 再藉由正、負極的四極棒，將帶有高於1個電荷之離子移出 • 最後進入質譜偵測器，測試此化合物之質荷比，亦即其質譜圖。

氣相層析儀至質譜儀 • 資料來源： • Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, • Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.27

質譜儀之離子產生器 資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.20

質譜儀之四極棒 • 資料來源： • Principles of Instrumental Analysis, • 5th Ed. • Skoog, Holler, Nieman, • Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.11

質譜儀之偵測器 資料來源： Principles of Instrumental Analysis, 5th Ed. Skoog, Holler, Nieman, Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.11

質譜儀之電子放大器 • 資料來源： • Principles of Instrumental Analysis, • 5th Ed. • Skoog, Holler, Nieman, • Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.11

資料來源： • Principles of Instrumental Analysis, • 5th Ed. • Skoog, Holler, Nieman, • Harcourt Brace & Co., 1998,Ch.20

空氣污染物之「品質管制」重要事項 • 生產操作之時間變化 • 污染控制設備特性 • 廢氣排放之測量技術與計算確認 • 檢測人員確實了解使用儀器之性能與實際狀況 • 正確與穩定之標準品配置與查核機制 • 廢氣排放空氣污染物標準 • 最終數據計算與報告審查 • 各種污染源之污染物排放情形須就單一製程相關設備進行瞭解，掌握此製程之生產流程、產品產能與污染排放情形、廢氣產生與收集狀況、污染防治設備之有效性、例行煙道檢測資料之查核與檢視，方可逐一將目標區域內之固定污染源空氣污染物排放狀況做通盤瞭解。

結果確認 • 隨著樣本自採樣至結果流程，完善監督機制與查核項目構成結果確認要素。 • 依據方法要求或合約規範的空氣採樣程序後，檢驗過程「結果確認」需合乎 • Precision （精密度） : 檢量線水準、樣本重複性 • Accuracy （準確度）: 標準查核樣本、各層次之樣本空白 • Representativeness (代表性）:結果符合計畫要求情形 • Completeness（完整性）:結果充分解釋計畫目的狀況 • Comparativeness（可比較性）：與其他類似採樣結果之比較性和適法性

雙重檢驗之必要 特定的污染物通常有多種檢驗方法，這是給予檢測單位對於檢測儀器與適用範圍較大之選擇空間。在不同檢測目標之氣體特性下，須以不同的檢驗方法進行檢驗，方可獲得較佳且較確認之結果。（例如：敏感之AIDS檢驗，便須在不同檢驗單位以不同檢驗方法，檢出陽性，方可認定其致病）因此必要時，建議不同單位使用不同方法進行VOC物種與濃度比對工作，方可提升VOC調查品質。

結果查核 • 結果查核為結果確認後，延伸標準檢驗方法、檢驗目的和合約規範之目標，評估結果之有效性。 • 根據分析目標物或樣本需求，評估檢驗結果之分析品質與代表性，決定檢驗結果之應用性與其價值。 • 透過品保人員之提升教育或檢驗室的外部稽核方式，了解HVOC之來源、成因、防治設備、同步比測、檢驗結果交叉查核等方式。 • 結果查核往往可評估不同檢驗室、專業人員之檢驗品質與分析水準，尋求潛在方法規範或人員執行之缺失，進而改進相關檢驗流程，提高檢驗水準與結果可用度。

VOC 分析之重點 • 採樣後即時分析為最佳選擇，以避免VOC冷凝與衰退，造成濃度低估情形。 • 氣體樣本之採樣與保存是影響VOC濃度之重大關鍵，針對高濃度VOC，宜現場立即分析，否則影響後續質量平衡之計算。 • 以FID做先期檢測，往往低估VOC濃度，主要原因為火焰離偵測器之校正。若以CH4作校正氣體，可能低估脂肪族與苯環族之燃燒轉化率，因此僅能作為質量平衡之先期檢測，不能作整體質量平衡計算之依據。

VOC監測之重要關鍵 • 採樣之紀錄 • 錄影紀錄最佳：同時紀錄聲音與影像 • 照片紀錄次之 • 聲音紀錄僅是用於噪音 • 文字紀錄僅供參考 • 分析之定性：眼見為憑. • 污染源與受測點之傳遞與擴散合理性 • 適當之監測頻率與對應之污染行為

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