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普考申論題 105年 [環境檢驗] 環境化學概要

第 二 題

📖 題組:
水中氨氮(NH3-N)可利用折點加氯法或氣提法進行去除,有一廢水的 pH 值為 7.5,同時含有 50 mg/L 的氨氮,請回答下列問題:
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (二)

利用折點加氯法欲達到 90%去除效率時,每公升廢水中需加入多少氯氣?(5 分)

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看到折點加氯法,應立即寫出其氧化還原總反應式:2NH3 + 3Cl2 → N2 + 6HCl。透過方程式找出氨氮(以 N 計)與氯氣(Cl2)的莫耳數比(2:3),計算出實際需去除的氨氮質量後,利用化學計量與分子量換算即可求得所需氯氣質量。

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【解題關鍵】寫出折點加氯法總反應方程式,利用化學計量(莫耳數比轉換為質量比)計算所需氯氣量。 【解答】 計算:

小題 (一)

請寫出此二種氨氮處理技術的反應式。(5 分)

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解答本題需掌握兩種處理技術背後的核心化學原理:折點加氯法為『氧化還原反應』,利用次氯酸將氨氮氧化為氮氣;氣提法為『酸鹼平衡與相轉移』,需先加鹼將銨根離子轉換為分子態氨再脫附。作答時除了列出核心反應式外,精確標註物質狀態(如 aq, g)能充分展現對環境化學原理的掌握。

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【破題】本題核心在於環境污染物氨氮(NH3-N)的去除機制。折點加氯法係利用化學「氧化還原」將氨氮轉化為無害氮氣;而氣提法則是應用「酸鹼平衡與相轉移」原理將游離氨吹脫出水體。 【論述】 一、折點加氯法(Breakpoint Chlorination)

小題 (三)

欲利用氣提法達到相同的去除效率,需將水體的 pH 值提升至多少?(銨離子(NH4+)的酸解離常數(pKa)值為 9.3)(5 分)

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考生看到此題應首先聯想到『氣提法(Air stripping)』的原理,即必須在鹼性條件下將水中的銨根離子(NH4+)轉化為氣態的游離氨(NH3)才能被吹出。接著使用 Henderson-Hasselbalch 方程式,因前一子題為『完全去除』(100%),需論述理論上 100% 轉換需要無限大的 pH 值,並以實務上 99% 或 99.9% 的去除率代入公式計算所需的 pH 區間。

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【解題關鍵】利用 Henderson-Hasselbalch 方程式推導氨氮物種分布比例,並結合氣提法原理將銨離子(NH4+)轉化為游離氨(NH3)進行計算。 【解答】 計算與推導:

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