環境汙染與防治：空氣汙染、工業廢水與優養化
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高中必修化學｜莫斯利自然科學
環境汙染不只是生活中的垃圾問題，化石燃料燃燒、工業廢水排放，以及清潔劑與肥料中的化學物質，都可能改變空氣與水體的性質。本篇依照莫斯利講義，整理空氣汙染物的來源、防治方法，以及工業廢水的種類與影響。
一、空氣汙染的防治
1. 常見空氣汙染物
汙染物種類 | 主要汙染物 | 主要來源 | 影響 |
碳的氧化物 | CO₂、CO | 化石燃料燃燒、內燃機的廢氣 | CO₂ 是溫室氣體，易吸收地表輻射的紅外線，使熱不易散失，造成地球溫度較高。CO 有毒性，與血紅素結合，使血液失去運送氧氣的能力。 |
硫的氧化物 | SO₂、SO₃、H₂SO₃、H₂SO₄ | 化石燃物中的硫化物燃燒後，氧化或遇水 | 生成有毒氣體、酸雨，對人體有害，使森林枯萎、建材腐蝕。 |
氮的氧化物 | NO、NO₂ | 內燃機高溫時，空氣中的氮氣和氧氣反應 | NO 有毒，與血紅素結合，使血液失去運送氧氣的能力；氮氧化物會加速臭氧層的破壞、形成酸雨，並與光化學煙霧有關。 |
烴類化合物及懸浮微粒 | 烴類化合物、直徑約 \(10^{-7}\)～\(10^{-2}\) cm 的塵埃 | 化石燃料的燃燒及工廠煙囪排放的微小顆粒 | 呼吸系統傷害甚大，並產生光化學煙霧。 |
氟氯碳化物 | CF₂Cl₂、CHCl₃ | 噴霧劑和冷媒 | 破壞臭氧層。 |
2. 空氣汙染的防治方法
碳的氧化物：減少使用化石燃料，改用低汙染能源；汽機車加裝觸媒轉化器，使 CO 轉變為 CO₂。
硫的氧化物：大型煉油廠、火力發電廠等排氣前先做脫硫處理，並使用含硫量低的燃料。
氮的氧化物：汽機車加裝觸媒轉化器，將氮氧化物還原為氮氣。
烴類化合物及懸浮微粒：以集塵器收集後，再集中處理。
氟氯碳化物：使用替代品，例如環保冷媒。
二、空氣汙染防治考題
範例 1：空氣汙染源的防治方法
題目：有關空氣汙染源的防治方法，下列敘述哪些正確？（應選 3 項）
(A) 汽機車加裝觸媒轉化器，可以減少硫氧化物的排放
(B) 改用環保冷媒，可以降低空氣中的氟氯碳化物
(C) 多使用再生能源，可以減少碳氧化物的排放
(D) 大型煉油廠、火力發電廠等排氣前先做脫硫處理，可以減少氮氧化物的排放
(E) 以集塵器收集工廠煙囪排放的微小顆粒，可以降低空氣中的懸浮微粒
解答：B、C、E
解析：
(A) 觸媒轉化器可減少 COₓ 及 NOₓ 的排放。
(D) 脫硫處理是減少 SOₓ 的排放。
範例 2：氮的氧化物
題目：氮的氧化物包括 NO、N₂O、NO₂ 等，是主要的大氣汙染物之一，下列有關氮的氧化物之敘述，何者正確？（應選 3 項）
(A) NO₂ 遇水形成鹼性物質
(B) 光化學煙霧中常含有氮的氧化物
(C) NO 在空氣中可與氧結合生成 NO₂
(D) 汽、機車排放的廢氣常含有 NO，是汽油燃燒不完全所產生的
(E) 汽、機車淨化廢氣所安裝的觸媒轉化器是要將氮的氧化物轉變為 N₂
解答：B、C、E
解析：
(A) NO₂ 遇水可形成硝酸等酸性物質。
(D) NO 主要是內燃機高溫下，氮氣與氧氣反應生成。
三、工業廢水
1. 汙染的種類及影響
種類 | 來源 | 影響 |
廢熱 | 工廠和核能電廠所使用的冷卻水 | 使得水溫升高、溶氧減少，進而改變生態，如珊瑚白化。 |
需氧廢料 | 動物廢料、腐敗植物與工廠有機廢水 | 溶氧減少，使汙水呈現髒臭的現象，並使水中生物缺氧。 |
清潔劑及植物營養素 | 清潔劑與農藥、生活廢水、工廠、肥料。  直鏈的易被分解（軟性清潔劑）  具支鏈的不易被分解（硬性清潔劑） | (1)清潔劑的碳鏈為直鏈時，稱為軟性清潔劑，可被細菌分解，但易降低溶氧量。 (2)清潔劑的碳鏈具支鏈時，稱為硬性清潔劑，難被細菌分解，且易造成泡沫汙染。 (3)含有磷酸鹽，為植物養料，導致水質優養化。 |
重金屬 | 砷（As）：來自地下水；鎘（Cd）：電鍍工廠、電池；汞（Hg）：日光燈、含汞藥漆、電池 | 砷會造成烏腳病；鎘會造成痛痛病；汞會造成水俁病。 |
2. 清潔劑與水質汙染
清潔劑可依碳鏈結構分為兩類：
軟性清潔劑：碳鏈為直鏈，較容易被細菌分解。
硬性清潔劑：碳鏈具有支鏈，較難被細菌分解，且容易造成泡沫汙染。
此外，清潔劑中的磷酸鹽可作為植物營養素，進入河川後可能促進藻類大量繁殖，造成水質優養化。
3. 有機廢水：BOD 與 COD
比較項目 | 生化需氧量（BOD） | 化學需氧量（COD） |
定義 | 1 atm、20°C 下，5 日為一時段，汙水內溶氧的減少，即嗜氧細菌在汙水中分解有機需氧廢料所消耗氧的總量 | 以化學方法氧化汙水中的有機廢料，依此計算需氧量 |
算法 | 消耗氧的總量／汙水的體積 | 需氧量／汙水的體積 |
單位 | mg/L | mg/L |
BOD 值愈大，表示水中需氧廢料造成的耗氧問題愈嚴重。
四、水汙染考題
範例 3：水汙染的敘述
題目：下列關於水汙染的敘述，哪些正確？（應選 3 項）
(A) 清潔劑的烷基碳數愈少，去汙力愈佳
(B) 含磷的洗衣粉與軟皂是會造成水質優養化
(C) BOD 值愈大即表示水中需氧廢料的汙染愈嚴重
(D) 臺灣南部海域之珊瑚白化，是因需氧廢料汙染而形成的廢熱
(E) 若水中含有機廢料，將引起細菌繁殖，用掉水中溶氧，以致水生動物死亡
解答：B、C、E
解析：
(A) 烷基碳數愈少，去汙力會下降。
(D) 珊瑚白化可由核能電廠產生的廢熱所引起。
範例 4：水質優養化
題目：排放大量含氮、磷化合物的廢水至河流湖泊中，會造成水質優養化，進而引起魚蝦貝類的大量死亡。這主要原因為何？
(A) 藻類大量孳生，消耗水中溶氧
(B) 藻類太多隔絕空氣，增加水中 CO₂ 濃度
(C) 綠藻轉變成毒藻，危害水生動物
(D) 含氮、磷化合物累積於魚蝦貝類的體內，經生物放大作用造成死亡
(E) 水中溶氧量增加所造成
解答：A
解析：氮、磷是植物營養素，因此藻類大量孳生，會消耗水中溶氧。
莫斯利提醒：環境汙染的必考觀念
CO₂ 與 CO 不同：CO₂ 是溫室氣體；CO 具有毒性，會影響血液運送氧氣的能力。
硫氧化物與氮氧化物：兩者都與酸雨有關，但防治方法要分清楚，脫硫處理是針對硫氧化物。
BOD 的判讀：BOD 值愈大，表示有機廢料造成的耗氧問題愈嚴重。
水質優養化：含氮、磷物質促進藻類大量繁殖，藻類及其他有機物分解會消耗水中溶氧，造成水生生物死亡。
清潔劑的差異：直鏈清潔劑較容易被分解；支鏈清潔劑較難被分解，容易造成泡沫汙染。
莫斯利自然科學｜高中必修化學，從汙染物的來源、影響與防治方法，建立環境化學的核心觀念。