第三章、 研究方法及內容
3.4 實驗儀器與設備
本實驗主要的內容是模擬洩漏氯氣，以水霧及細水霧系統進行噴灑，經 由不同的噴灑壓力與流量測試其吸收效率之差異，尋求設置之最佳化。整個 實驗設備主要是由實驗空間內將醋酸蒸發之加熱器及噴灑系統與採樣、監測 儀器所組成。以下將各項實驗設備作一簡單的介紹。
1. 酸氣即時監測器
本研究使用的酸氣即時監測器，為蔡春進教授實驗室設計的產品 (林 2006；Tsai et al., 2008, 楊， 2009) 【3】(如圖1、圖2)本儀器可自動採樣連 續分析，於每二十分鐘顯示一筆數據於連接之電腦螢幕。惟本實驗需同時分 析短時間醋酸濃度的變化情況，因此配合手動採樣並將樣本冰鎮保存，於噴 灑實驗後再以該儀器分析其濃度以求得時間濃度的變化及吸收效率曲線。而 現場進行實際測量前，必須先實施管線測漏、氣體流速、液體流速以及濃度 讀值的校正，以確保有效的採樣和分析。關於測漏的進行係打開抽氣泵並將 進氣口密封，確認浮子流量計浮標能否歸零。而氣體流速和液體流速分別以 校 正 後 的 浮 子 流 量 計 和 旋 扭 讀 值 確 認 其 流 速 分 別 在5 mL/min 以 及 2 mL/min。浮子流量計的校正係以泡沫流量計 (Gilibrator-2) 進行；旋扭讀值 係以定量瓶 (5mL容量，0.1㏄刻度) 進行。
圖1 酸氣即時監測器
圖2 酸氣即時監測器內部 2. 加熱器
實驗使用之加熱器為磁石加熱器(如圖3)，右鍵為調整溫度左鍵為調整 磁石攪拌速度；實驗時維持溫度60℃，並設定磁石攪拌速度為180 rpm，使其 產生穩定的酸性氣體。
圖 3 加熱器及燒杯
3. 電子式加壓泵浦
本實驗選用之加壓泵浦為大井泵浦TQ系列TQ1500H(如圖4)，此設備是 整合了泵浦、馬達、壓力桶及電子控制器的穩壓加壓機，可提供穩定的供水 壓力，馬力、揚成、流量之規格為2HP, H=37M Q=270L/min，電源為單相220 伏特，使用於水霧及灑水噴灑加壓。
圖4 電子式加壓泵浦
4. 高壓泵浦
實施細水霧噴灑時為達噴灑液體之霧化效果，即降低液體粒徑增加體 表面積，以提升吸收效能，因此，泵浦需具有較高的揚程(H)；而前述電子 式加壓泵浦無法達此功能，所以採用COMET-3000M型高壓泵浦(如圖5)，使 用於細水霧噴灑加壓。
圖5 高壓泵浦 5. 水霧噴頭
使受加壓之水通過此噴頭可產生霧狀液體微粒增加滅火效能，本實驗採 用之水霧噴頭為BETE 之 TF 系列 TF24 型，出水口徑 1/2”噴灑角度為150°，
流量計算GPM=K√PSI，流量係數 K=3.81【34】(如圖 6、圖 7)。
圖6 水霧噴頭 150° 圖 7 噴灑錐狀圖
6. 灑水噴頭
本實驗採用之灑水噴頭為彰得公司製造之 AHD 系列 CD15A 向下型，噴 灑半徑為2.3 公尺，流量計算 GPM=K√PSI，流量係數 K=5.6 或 LPM= K√P，
流量係數 K=80【35】，P 為灑水頭出口壓力 kg/cm2(如圖 8)。
圖8 灑水噴頭
7. 細水霧噴頭
本實驗所使用的細水霧噴頭(如圖 9)，為徐一量教授研發之專利產品，感 謝熱心協助提供使用，此顆細水霧噴頭設計為內外環狀及中心點共有 13 個 出水孔，外環設有7 個出水孔及中心點 1 個出水孔其直徑皆為 600μm，內環 設計為 5 個 400μm 之出水孔，霧化產生需求之最低壓力為 15 kg/cm2以上，
無流量係數提供計算，需採集噴灑之水量加以量測實際每分鐘流量。
圖9 細水霧噴頭 3.5 醋酸濃度的品保及品管
為校正醋酸的濃度讀值，需先配置檢量線以做為樣品濃度的定量依據。
検量線的製作係利用標準醋酸溶液配製11 種不同濃度的已知標準品 (5、
10、20、40、60、120、200、400、800、1200、2000 ppb)；配置的標準溶液 濃度需涵蓋待測樣品之濃度範圍；檢量線之迴歸係數 (R2) 需大於 0.995，才 可確保數值分析的可信度。經 IC 分析的結果如表 7 和圖 11 所示。在溶液 濃度為 5~2000 ppb 時，醋酸根離子和導電度訊號和時間之間存在的關係式 為 y = 0.5306 x2 ＋ 26.484 x，其中， y =溶液濃度、x =訊號的面積、 R2 = 0.9998。空白分析結果顯示，系統背景值為＜1 ppb。
表7 醋酸根離子檢量線的溶液配置濃度 離子 CH3COOH- (ppb)
標準液濃度 5 10 20 40 60 120 200 400 800 1200 2000 相關係數 (R2) 0.9998
回歸方程式 y = 26.484x + 2.0197
y = 26.484x + 2.0197 R2 = 0.9998
0 500 1000 1500 2000 2500
0 10 20 30 40
Area (uS/cm x time)
Solution Conccentration (ppb)
50
圖10 醋酸根離子檢量線 3.6 實驗操作步驟
1. 背景值量測
首先檢查監測實驗現場的背景值，本研究進行正式採樣前連續監測其背 景值醋酸濃度最高為2.6ppb 以下(如附件五)。
2. 實驗空間密閉性測試
實驗空間的密閉性之良窳直接影響吸收效率之精確性與實驗結果，因此 現場必須進行ACH(Air change per hour)換氣率量測，並參考陳春萬博士所著 整體換氣指標與換氣率ACH 關係之研究【36】，以確立本實驗空間密閉條件。
(1) 示蹤氣體之選定
決定採用二氧化碳作為示蹤氣體，除了考量實驗室現有偵測儀器及 經濟原則外，更因為二氧化碳作為示蹤氣體具備有下列之特性:
(a)具備與空氣相似之密度(Similar density to air) (b)不具備毒性(No toxicity)
(c)非爆炸性與可燃性(Neither be flammable nor explosive) (d)不易被其他物質吸收或吸附(Not easily be absorbed or sink) (e)室內外環境中不常存在(Not normally present in the atmosphere) (f)易於偵測與量測(Easily be detected at low concentration)
(g)具備可靠之低濃度量測精確性(To a good order of accuracy)
表8 常用示蹤氣體
品名 危險濃度 分子量
二氧化碳 5000ppm 44
六氟化硫 1000ppm 146
氧化亞氮 25ppm 44
氟氯化物 - 200~400
(2) 示蹤氣體量測方式
運用示蹤氣體評估作業環境整體換氣性能有三種方式:濃度衰減法 (Concentration-Decay Method)、定量釋放法(Constant-Emission Method)及定 濃度法(Constant-Concentration Method)，本實驗採用濃度衰減法來測定實 驗現場的密閉性，這是利用示蹤氣體量測換氣率及短時間內量測不同換氣 量 值 之 最 基 本 方 法 ， 本 實 驗 所 採 用 之 偵 測 二 氧 化 碳 濃 度 測 定 儀 器 為 TES-1370 型，偵測範圍(如表 9)。
首先測定實驗現場之二氧化碳濃度值為 316ppm，接著釋放一定的二 氧化碳氣體量並以風扇促使室內濃度快速均勻混合即關閉風扇，混合同時 以偵測儀器連續量測紀錄其上升之最高濃度值為 939ppm，實驗空間內之 二氧化碳氣體經過60 分鐘後其濃度衰減為 511ppm 實測數據(如表 10)。
表 9 TES-1370 型二氧化碳、相對溼度、溫度偵測範 二氧化碳CO2(ppm) 相對溼度RH 溫度℃
範圍 0~6000ppm 10~95%RH -20℃~+60℃
解析度1ppm 0.1%RH 0.1℃
準確度±3%或50ppm (101.1kpa,25℃)
30~95RH,±3% 10~30RH,±5%
5 .
±0 ℃
表9 示蹤氣體實際測量數據表
圖11 TES-1370 二氧化碳偵測儀器
圖12 現場偵測儀器連結電腦
表10 示蹤氣體實際測量數據表
通風量Q=ACH×V=0.61×28.71=17.51 m3/hr
經計算得知本研究實驗空間之通風量為17.51 m3/hr
1 2: 35: 33 1 2: 38: 50 1 2: 42: 09 1 2: 45: 28 1 2: 48: 45 1 2: 52: 04 1 2: 55: 23 1 2: 58: 44 1 3: 01: 59 1 3: 05: 18 1 3: 08: 39 1 3: 11: 54 1 3: 15: 13 1 3: 18: 34 1 3: 21: 50 1 3: 25: 09 1 3: 28: 28 1 3: 31: 45 1 3: 35: 04
測試時間,min
二 氧化碳濃度 (ppb)
圖13 二氧化碳 60 分鐘之濃度衰減曲線
3. 醋酸濃度之產生
以3000 mL化學實驗燒杯裝盛 2300 mL純醋酸溶液（99.5~100.5%、acetic acid、PANREAC）放置在磁石加熱器上，架設於距地面高度295公分位置(如 圖14)。
此期間實驗室保持密閉狀態，並以風扇促使室內濃度快速均勻混合，同 時以即時酸氣監測儀器連續量測，俟偵測濃度達4200ppb以上才進行水霧噴 灑吸收。然而，實際操作磁石加熱器蒸發醋酸欲建立相同背景濃度幾乎不可 能，只能經由多次實驗經驗累積多筆實驗紀錄，選取較接近背景濃度者相互 比較其吸收效率；所以，實驗時建立背景值濃度之過程有許多次背景值建立 是失敗不足以參考而必須捨棄重新建置，因此造成實驗相當耗時費日。
圖14 醋酸加熱蒸發位置
4. 採樣口高度之決定
實驗空間內架設有風扇當醋酸蒸發時能快速與空氣均 勻混合，經量測 呼吸帶高度(約距離地面150公分)及距離地面30公分二者濃度差異不大，前者 濃度略低於後者。復依「毒性化學物質應變器材及偵測與警報設備管理辦法」
第七條之規定：「偵測及警報設備設置地點應充分考慮各該毒性化學物質之 種類、比重、運作場所四周狀況…」，乃決定採樣口高度設於距離地面30公分 高度，採樣管以鐵氟龍材質設置避免影響採樣之樣本實際濃度(如圖15)。
圖15 採樣口架設位置圖
5. 噴灑時間長度及噴灑壓力之選定
經過實驗測試粗估效能與用水量適中之考量，噴灑時間選擇為10~25分 鐘，噴灑壓力則決定水霧系統為2.0 kg/cm2及2.5 kg/cm2，細水霧系統為20 kg/cm2、30 kg/cm2及50 kg/cm2等不同的組合，進行實驗以分析對污染物之吸收 效率評估。
6. 選定測定時間點
測定(採樣)時間點配合噴灑時間長度，選定為噴灑開始後之第5分鐘至噴 灑結束後30分鐘各測定五筆濃度資料，因本研究使用之即時監測分析儀器為 每20分鐘自動分析一筆濃度資料。所以，除了第20及40分鐘之外其餘皆須以 手動配合儀器採樣，且先將採樣樣本冰鎮保存，於噴灑吸收實驗結束後再以 該儀器分析樣本濃度以求得吸收效率曲線。
7. 樣本分析
噴灑吸收實驗結束後，將採樣樣本以該即時監測儀器分析其濃度以求得 吸收效率曲線，並加以比較各系統不同噴灑壓力、時間其吸收效率之差異，
以確認或修正其後續測試條件。
8. 噴灑壓力紀錄與流量量測
實施噴灑時同時紀錄泵浦輸出壓力與噴頭出水壓力值(如圖 16、17、18) 於計算流量時須以後者數值為正確，將於第四章中詳細列出計算結果。另流 量量測時，灑水頭及水霧噴頭可直接依據噴頭製造廠商提供之流量係數與其 末端出水壓力值計算即可，而細水霧噴灑流量則必須另行噴灑收集後以量杯 量測實際流量(如圖 19)。
圖 16 細水霧 50 kg/cm2噴灑壓力圖
圖 17 細水霧 30 kg/cm2噴灑壓力圖
圖18 細水霧 20 kg/cm2噴灑壓力圖
圖 19 細水霧 50、30、20 kg/cm2噴灑壓力採集量測實際流量
第四章、結果與討論
4.1 水霧噴灑結果與討論
由實驗數據顯示，水霧系統噴灑吸收效率介於77.3%~92.59%之間(如表 11、12、13)，水霧系統噴灑隨時間增長或噴灑壓力提高均會增加吸收效率，
且由數據發現，當噴灑壓力達2.0kg/cm2且噴灑時間長度達15 分鐘以上，其 吸收效率可達85.18%；而噴灑壓力達 2.5kg/cm2時噴灑時間長度達15 分鐘以 上更有90.45%的吸收效率(如圖 20、21、22)。推論設置水霧系統時末端噴灑 壓力至少要大於2.5kg/cm2並連續噴灑15 分鐘以上，才會有較佳吸收之移除 效率。
依據所使用 BETE 水霧噴頭 TF 系列 TF24 型之流量係數，K=3.81 計算 各壓力值之噴灑流量如下：
噴灑壓力 2.5kg/cm2
流量 LPM=K√PSI*3.7853=3.81(√2.5*14.22)*3.7853=86 L/MIN 噴灑壓力 2.0kg/cm2
流量 LPM=K√PSI*3.7853=3.81(√2.0*14.22)*3.7853=76.9 L/MIN
表 11 水霧系統吸收之移除效率監測分析統計
水霧噴灑壓力 噴灑時間 醋酸濃度(ppb) 時間紀錄 吸收之移除效率 末端噴灑壓力2.0kg/cm2 10 分鐘 4332.04
3607.01 5th min 16.74%
2312.37 10th min 46.62%
1566.03 20th min 63.85%
1566.03 20th min 63.85%