高考申論題
114年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 二 題
📖 題組：
四、取水來源為地表水的某些淨水廠，有觀察到每日進流原水的 pH 值會發生震盪情況，白天最高可上升到 pH 8～9，到夜間可能降至 pH 6～7。（每小題 10 分，共 20 分） (一)請分析原水中可能涉及的生化反應以解釋此現象，並說明該淨水廠適合使用的消毒策略。 (二)下表是該廠使用加氯消毒的實驗數據量測結果，請計算此反應的反應速率常數並註明單位，並求出此反應的半衰期。 時間（hr） | 自由有效餘氯（mg/L） ----------|------------------- 1 | 5.0 2 | 3.0 3 | 1.8
四、取水來源為地表水的某些淨水廠，有觀察到每日進流原水的 pH 值會發生震盪情況，白天最高可上升到 pH 8～9，到夜間可能降至 pH 6～7。（每小題 10 分，共 20 分） (一)請分析原水中可能涉及的生化反應以解釋此現象，並說明該淨水廠適合使用的消毒策略。 (二)下表是該廠使用加氯消毒的實驗數據量測結果，請計算此反應的反應速率常數並註明單位，並求出此反應的半衰期。 時間（hr） | 自由有效餘氯（mg/L） ----------|------------------- 1 | 5.0 2 | 3.0 3 | 1.8
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (二)
下表是該廠使用加氯消毒的實驗數據量測結果，請計算此反應的反應速率常數並註明單位，並求出此反應的半衰期。
時間（hr） | 自由有效餘氯（mg/L）
----------|-------------------
1 | 5.0
2 | 3.0
3 | 1.8
時間（hr） | 自由有效餘氯（mg/L）
----------|-------------------
1 | 5.0
2 | 3.0
3 | 1.8
思路引導 VIP
看到濃度隨時間衰減的數據，首先應驗證反應級數，環境化學中餘氯衰減通常符合一階反應（First-order reaction）。可利用相鄰時間點的濃度比值取自然對數確認速率常數 k 是否恆定，確認為一階反應後，再代入一階半衰期公式求解。
小題 (一)
請分析原水中可能涉及的生化反應以解釋此現象，並說明該淨水廠適合使用的消毒策略。
思路引導 VIP
首先，觀察地表水 pH 日夜變化的特徵，應立即聯想到水中藻類及水生植物「光合作用（消耗 CO2）」與「呼吸作用（產生 CO2）」對碳酸系統酸鹼平衡的影響。其次，結合自由有效餘氯（HOCl/OCl⁻）解離常數（pKa ≒ 7.5），評估不同 pH 下的殺菌效率並提出改善策略。最後，觀察餘氯衰減數據，利用濃度的自然對數變化量來驗證反應級數（通常為一級反應），並帶入動力學公式求解 k 值與半衰期。
消毒反應動力學計算
💡 利用積分速率方程式驗證反應級數，並求解速率常數與半衰期。
🔗 一階反應動力學計算步驟
- 1 數據代入 — 將不同時間(t)與濃度(C)代入速率方程式
- 2 驗證級數 — 計算不同區間之 k 值，若相等則確證為一階
- 3 求解常數 — 確立反應速率常數 k 並標註正確時間單位
- 4 半衰期計算 — 使用公式 t = ln(2)/k 求得濃度減半所需時間
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🔄 延伸學習：延伸學習：二階反應的半衰期會隨初始濃度改變，需注意區分。
