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地特三等申論題 108年 [環保行政] 空氣污染與噪音防制

第 一 題

📖 題組:
活性碳可以用來去除固定污染源廢氣中的汞污染物。試回答下列問題: (一)為何通常活性碳的比表面積高於沸石。試敘述其理由?(5 分) (二)孔徑分布一般區分為三種,其中之一為「大孔隙(macropore)」,高比表面積活性碳的主要孔徑分布在那個數字範圍(以 nm 為單位)?(5 分) (三)為何活性碳可以成功地被硫化?(5 分) (四)為何經過硫化的活性碳,其脫汞效果會比未硫化的活性碳高?(5 分) (五)活性碳吸附有機污染物達到飽和後,一般如何再生?(5 分)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

為何通常活性碳的比表面積高於沸石。試敘述其理由?(5 分)

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看到此題,考生應直擊兩種吸附劑的「本質結構」與「製備過程」差異。思考關鍵在於:沸石是規則晶體結構,孔隙受限於晶格;而活性碳是非晶相結構,可透過高溫活化創造極大量且不規則的微孔(Micropore),微孔正是提供高比表面積的絕對主力。

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【破題】 活性碳與沸石的比表面積差異,主要源於兩者的「物質結構性質」與「孔隙生成機制(活化製程)」之根本性不同。 【論述】

小題 (二)

孔徑分布一般區分為三種,其中之一為「大孔隙(macropore)」,高比表面積活性碳的主要孔徑分布在那個數字範圍(以 nm 為單位)?(5 分)

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考生看到此題應立即聯想 IUPAC 對多孔性材料孔徑的三種分類標準(微孔、中孔、大孔)。接著連結「高比表面積」的物理意義,指出活性碳的極大比表面積主要是由微孔隙所貢獻,進而寫出正確的奈米(nm)數值範圍。

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依據國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)的分類,多孔性材料的孔徑分布區分為下列三種:

  1. 微孔隙(Micropore):孔徑小於 2 nm(< 2 nm)。
  2. 中孔隙(Mesopore):孔徑介於 2 nm 至 50 nm 之間。

小題 (三)

為何活性碳可以成功地被硫化?(5 分)

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解答本題應從活性碳的「物理結構」與「化學特性」雙管齊下。物理面思考其多孔隙如何提供容納空間;化學面則切入其表面豐富的官能基與不飽和碳原子如何與硫發生化學反應形成穩定鍵結。

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【破題】活性碳能成功被硫化,主要歸功於其特殊的物理多孔結構與表面化學活性,使其能透過物理吸附與化學鍵結將硫元素牢固附著。 【論述】 一、物理特性(發達的孔隙結構):

小題 (四)

為何經過硫化的活性碳,其脫汞效果會比未硫化的活性碳高?(5 分)

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看到此題應直覺聯想到汞(Hg)與硫(S)的強烈化學親和力。答題時需對比未硫化活性碳的「物理吸附」與硫化活性碳的「化學吸附(生成HgS)」,並強調化學鍵結對提升吸附容量與穩定性的貢獻。

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【破題】 硫化活性碳脫汞效果較高,主因在於其吸附機制由單純的「物理吸附」轉變為結合了強烈鍵結的「化學吸附」。 【論述】

小題 (五)

活性碳吸附有機污染物達到飽和後,一般如何再生?(5 分)

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看到「活性碳飽和再生」,應立刻聯想到物理吸附的可逆特性。解題時需依據破壞吸附平衡的原理(升溫、降壓或濃度置換),條列出實務上最常見的再生方法,如水蒸氣再生與高溫熱再生,並點出其適用情境。

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【破題】 活性碳吸附有機污染物(VOCs)多屬於物理吸附,可藉由改變熱力學條件(如提高溫度或降低壓力)破壞吸附平衡,使有機物脫附,進而恢復活性碳的吸附能力。 【論述】

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