4.3.1 空氣中奈米微粒採樣方法開發空氣中奈米微粒採樣方法開發空氣中奈米微粒採樣方法開發 空氣中奈米微粒採樣方法開發
本研究已利用半導體製程製作出比 MSP 原廠 MOUDI 更平滑的噴嘴，並已 安裝至 MOUDI 採樣器上(如圖 4.29)，為了驗證裝上本研究此自行研發之多微孔 噴嘴的 NCTU MCI 也具有和 MSP 原廠 MOUDI 有相同的微粒分徑能力，本研 究也對其進行現場比對與實驗室校正。由於期中報告前的現場比對結果顯示 NCTU MCI 及 MSP MOUDI 的採樣濃度在前 6 階均十分相近，在第 7 階後才有 較明顯的差異，故本研究僅針對 7 至 9 階的衝擊器進行實驗室內校正，待確認 NCTU MCI 7 至 9 階衝擊器的收集效率曲現無誤後，再進行現場採樣比對。除 此之外，本研究也評估了奈米微粒在 NCTU MCI 及 MSP MOUDI 內部的損失，
結果也將在以下呈現。
圖 4.29 MSP 原廠(左)MOUDI 與本研究研發之 NCTU(右)大氣奈米微粒採樣器外 觀及噴嘴照片。
期中報告前的現場比對結果 期中報告前的現場比對結果 期中報告前的現場比對結果 期中報告前的現場比對結果
表 4.15 為 MSP MOUDI 及 NCTU MCI 於期中報告前現場比對的結果，圖 4.30 則為現場比對的粒徑分佈結果，表中數據為 NCTU MCI 與 MSP MOUDI 測 得質量濃度之比值，越接近 1.0 代表同階層效率越相近，大於 1 表示 NCTU 收 集到的微粒較 MSP 多，小於 1 則相反之。由結果可見第 0 階至第 6 階 MSP 與 NCTU MCI 所測得濃度的比值均介於 0.96-1.05 之間，顯示本研究使用傳統機械 加工製作的第 0-6 階噴嘴是可以使用的。第 7 階以下的質量濃度分佈就有明顯 的不同，第 7 階到終端濾紙間 MSP 與 NCTU MCI 所測得之質量濃度的比值介 於 0.60-1.66 之間，差異較大，雖然各階採集到的濃度不同，但檢查每次採樣的 數據發現兩台 MOUDI 第 7 階以下的階層的總濃度是相同的，由此可知可能是 第七階以下衝擊器對微粒分徑效果不同所致。第 8 階 NCTU MCI 與 MSP MOUDI 所測得濃度的比值則約為 1.36，但此情況無法單由微粒收集效率曲線的差異去 做解釋，還需考慮因第七階收集效率不同使得進入第 8 階微粒濃度不同等影響，
依此類推往下的第 9、10 及終端濾紙階層也是一樣的情況。由此可知，當某一 階微粒收集效率不同時，影響到的不只是該階收集到的微粒濃度，還會造成下 一階的入口濃度不同，使下一階收集到的微粒濃度不同。
0.01 0.1 1 10 100
果也可發現 MSP MOUDI 第 7、8 及 9 階的 dpa50分別較設計值小了約 10、8 及 3
%。當校正 NCTU MCI 時，為了使其dpa50和設計值相近，本研究也調整了各階 衝擊器的噴嘴-衝擊板距離(S)與噴嘴直徑(W)的比值(S/W)進行校正，結果顯示當 NCTU MCI 第 7、8 及 9 階的 S/W 值分別為 3.53 3.56 及 13.8 時，其dpa50分別為 96.5、181 及 319 nm。由此結果可知，相較於 MSP MOUDI，NCTU MCI 的第 7 至 9 階衝擊器的 dpa50更接近設計值。
Particle collection efficiency (%)
8thstage MSP NCTU
Marple et al. (1991) 7th stage
MSP NCTU
Marple et al. (1991)
9th stage MSP
Marple et al. (1991) NCTU
(a) (a)2011/11/10~11/11 中山，(b)2011/11/11~11/12 中山，(c)2011/11/18~11/19 竹東，
(d)2011/11/20~11/21 竹東 。
7 0.32 0.94 0.02
8 0.18 1.09 0.04
9 0.1 1.08 0.03
10 0.56 1.29 0.21
after <0.56 0.70 0.17
奈米微粒損失評估 奈米微粒損失評估 奈米微粒損失評估 奈米微粒損失評估
除了微粒收集效率的校正之外，本研究也分別評估了奈米微粒在 NCTU 及 MSP MOUDI 第 9 階之前的損失。圖 4.33 為粒徑介於 17 至 90 nm 的微粒分別在 NCTU 及 MSP MOUDI 第 9 階之前損失的情形。由圖可看出微粒的損失有隨著 微粒粒徑的降低而增加的趨勢，此現象主要是由擴散損失所造成。當微粒通過 MSP MOUDI 的進口至第 6 階衝擊器時，隨著微粒粒徑由 83 降至 17 nm，微粒 損失會由 5.9 升至 18.8 %，而在相同的情況下，NCTU MCI 的微粒損失則是由 2.8 升至 18.1 %。當微粒通過 MSP MOUDI 的進口至第 7 階衝擊器時，上述的 微粒損失則是由 6.6 升至 24.7 %，而 NCTU MCI 的微粒損失則是由 4.3 升至 20.7
%。當微粒通過 MSP MOUDI 的進口至第 8 階衝擊器時，上述的微粒損失則是 由 13.2 升至 30.5 %，而 NCTU MCI 的微粒損失則是由 10.15 升至 30.2 %。由 此結果可看出奈米微粒在 NCTU MCI 第 9 階之前的損失較 MSP MOUDI 低。
0 20 40 60 80 100
aerodynamic diameter, nm 0
10 20 30 40 50
loss, %
MSP inlet to 6th stage inlet to 7th stage inlet to 8th stage
NCTU inlet to 6th stage inlet to 7th stage inlet to 8th stage
圖 4.33 奈米微粒在 NCTU 及 MSP MOUDI 第 9 階衝擊器之前的微粒損失。
此外，本研究也推導計算奈米微粒在各個階層的損失的公式，以評估各階 層奈米微粒損失的情況。微粒由進口通過各階進到第 i 階的衝擊器的損失(LT,i)，
可由式(4.6)表示：
LT,i =1−(1−L1)(1−L2)(1−L3)L(1−Li) (4.6) 其中 Li為微粒在第 i 階衝擊器中個別的損失。將 LT,i減去 LT,i-1可得到式(4.7)：
LT,i −LT,i−1=(1−L1)(1−L2)(1−L3)L(1−Li−1)⋅Li (4.7) Aerodynamic Diameter, MMAD)約為 1 µm，若將整組 MOUDI 進行測試，大部分 的微粒在進入第 9 階衝擊器前均會被去除，如此將不易看出該階是否造成阻塞。
因此，本研究進行負荷實驗時，均將 MSP MOUDI 及 NCTU MCI 第 6 (dpa= 560 nm) 至 8 階(dpa= 180 nm)衝擊器移除，讓通過第 5 階(dpa= 1 µm)較大顆的微粒直接進 入第 9 階衝擊器，以加速噴嘴阻塞的情況。
圖 4.35 為 MSP MOUDI 及 NCTU MCI 同時採集高濃度粉塵時，第 9 階衝擊
器壓損變化的情形。由該圖可看出在經過 100 分鐘的高濃度微粒採樣後，MSP MOUDI 壓損上升的情況明顯高於 NCTU MCI，顯示其噴嘴受到阻塞的情況較為 嚴重。此外，在微粒負荷實驗後，本研究也以顯微鏡觀察兩者的噴嘴板阻塞的 情況，發現 MSP 噴嘴板上已有多個噴嘴受到阻塞，甚至有些噴嘴已完全阻塞，
如圖 4.36 (a)所示。反觀 NCTU MCI 的噴嘴板，僅觀察到少數幾個噴嘴內有微粒 附著的情況。由上述壓損變化情形及顯微鏡拍攝圖，可證明 NCTU 內部較平滑 的噴嘴能有效地減少微粒阻塞的情形。
0 20 40 60 80 100
Time, minutes
0 2 4 6 8
.P, cm-H2O
MSP NCTU
圖 4.35 MSP MOUDI 與 NCTU MCI 第 9 階衝擊氣壓差時序變化圖。
圖 4.36 MSP MOUDI 受到微粒阻塞的噴嘴。
4.3.2 各採樣點的微粒質量及數目濃度分佈各採樣點的微粒質量及數目濃度分佈各採樣點的微粒質量及數目濃度分佈各採樣點的微粒質量及數目濃度分佈
本團隊自今年 5 月起至 11 月底，每個月分別至國內 3 個空氣品質監測站進 行 2 次的大氣採樣，至期末報告前本團隊已完成共 44 次採樣，分別為新莊測站 16 次、中山測站 14 次及竹東測站 14 次，採樣次數已超過預計的 36 次採樣。這 44 次採樣分為 22 個時段進行，每時段進行 2 次採樣，每時段的第一次採樣時間 為下午 4 點，第二次為下午 5 點，採樣時間均為 24 小時，取得的數據為 MOUDI 的質量濃度與化學組成及 SMPS 的數目濃度與粒徑分佈。大氣條件參考溫度、
濕度、降雨量、風速及風向等五項因子，汙染物參考 PM10、PM2.5、O3 及 CO 四種汙染物，相關資料來源為環保署空氣品質監測網。由於本研究發現相同的
採樣點有相同的微粒粒徑分佈結果，因此以下就新莊、中山及竹東 3 處測站典 型的微粒數目及質量濃度與粒徑分佈做討論，並對單一次採樣所發生的特殊事 件進行個案分析，其它的採樣及監測數據放於附錄二。此外，本研究也分析了 三個測站各個 PM 濃度隨月份的改變，結果將在本節最後做呈現。
新莊空品測站 新莊空品測站 新莊空品測站 新莊空品測站
新莊空品測站位於新北市新莊區輔仁大學校內一棟 4 樓建築物的頂樓，採 樣點及周圍地理環境如圖 4.37 所示。在採樣點南方 200 公尺處的中正路及北方 700 公尺處的中山路均為交通流量較大的道路，在北方 3.5 公里處則是中山高速 公路，這三條道路在上下班時間車流會明顯增加，為主要的交通污染源。東方 1.5 公里處的新莊市區也有不小的交通流量，因此也被視為主要的交通汙染源之 一。此外，在新莊測站附近也有許多工業區及石化廠，分別為東北方 3.5 公里處 的五股工業區、北方 3.5 公里處的泰山工業區及西北邊 6 公里處的林口工二、工 三工業區，污染物可能會隨風向飄至測站，因此該測站除了考慮交通排放之貢 獻外，也必須考慮工廠排放造成的影響。
圖 4.37 新莊測站採樣點位置及周圍地理環境。
本團隊今年在新莊測站共進行 16 次的採樣，16 次採樣當中除了 5 月 3 日當 天因受大氣傳輸作用帶來微量沙塵使得微粒粒徑分佈不同外，其它各次採樣的 結果均相當類似，其微粒質量濃度均呈現典型交通排放源的雙峰分佈，PM0.1的 濃度均介於 1 至 2.5 µg/m3之間，此結果和本研究團隊過去在路邊採樣的結果類 似(Chen et al. 2010)。以下就 6/7-6/9 日典型的新莊測站 MOUDI 及 SMPS 所測得 的質量及數目濃度分佈做說明，並探討 5/3 採樣遇到的沙塵事件。
圖 4.38(a)及(b)分別為 06/07-06/08 及 06/08-06/09 新莊測站微粒的質量濃度 分佈結果。由圖可知，06/07-06/08 及 06/08-06/09 MOUDI 的採樣結果十分相近，
其 PM0.1的質量濃度分別為 2.05 及 2.18 µg/m3，兩日質量濃度分佈兩個峰值的 MMAD 分別為 0.34 和 5.35 µm 及 0.39 和 5.97 µm，此兩個峰值分別為累積模式 (accumulative mode)及粗微粒模式(coarse mode)。此外，由結果也可看出這兩天 的 PM2.5在大氣微粒中有很高的比例，其 PM2.5分別佔 PM10質量濃度的 62.6 及
68.1 %。
圖 4.39 則為 06/07-06/08 及 06/08-06/09 兩天新莊測站大氣條件及部分汙染 物的時序分析圖。其中左邊以虛線框起的部分為 06/07-06/08 的監測結果而右邊 以虛線框起的部分則為 06/08-06/09 的監測結果。一般來說，白天因交通流量大，
微粒質量濃度會較高，凌晨則反之，但結果卻顯示這兩天 PM2.5及 PM10的濃度 無明顯的日夜變化，推測原因為白天都會區因溫度較高，因熱對流的作用會使 鄰近市郊溫度較低地區的空氣流入而稀釋大氣中微粒的濃度，夜晚則是因為累 積作用的關係，使微粒濃度升高，白天微粒濃度降低夜晚微粒濃度升高的結果 即造成 PM2.5及 PM10濃度無明顯變化的情況。
臭氧(O3)主要由氮氧化物（NOx）與揮發性有機物（VOCs）經一連串光化 反應而形成，因此可作為光化反應現象的指標污染物，而影響 O3 的因子除 VOCs、NOx 外，還包含溫度、風速、日照強度、濕度..等氣象因子，通常在陽 光強、風弱、降雨少，就容易出現高濃度的 O3，一般產生時間約為上午 9 時陽 光出現時開始反應，到下午 1-2 點達最高值。由圖 4.39 可看出，新莊測站 O3
臭氧(O3)主要由氮氧化物（NOx）與揮發性有機物（VOCs）經一連串光化 反應而形成，因此可作為光化反應現象的指標污染物，而影響 O3 的因子除 VOCs、NOx 外，還包含溫度、風速、日照強度、濕度..等氣象因子，通常在陽 光強、風弱、降雨少，就容易出現高濃度的 O3，一般產生時間約為上午 9 時陽 光出現時開始反應，到下午 1-2 點達最高值。由圖 4.39 可看出，新莊測站 O3