民國114年 地方四等 環保技術 環境化學概要考古題
民國114年 地方四等 環保技術 環境化學概要收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
何謂螯合劑？乙二胺四乙酸（Ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA）為一
人工螯合劑，請說明當EDTA 釋放到環境後，可能造成之影響？（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、螯合劑（chelating agent）之定義：指同一配位基（ligand）以兩個以上配位原子，同時與同一金屬離子配位，形成環狀結構（chelate ring）的化合物。常見配位原子為胺基氮與羧基氧，多形成五員或六員環；環數愈多、熱力學穩定常數（stability constant, K）愈大，錯合物愈安定，可將金屬由沉澱態轉為溶解態。
- 二、EDTA 之結構與用途：EDTA（Ethylenediaminetetraacetic acid，乙二胺四乙酸）含四個羧基與兩個胺基，為六牙（hexadentate）配位基，與金屬多以 1：1 形成八面體錯合物；其陰離子 Y⁴⁻ 對 Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Pb²⁺ 等結合力強。工業上供無電電鍍、清潔劑、造紙、紡織、攝影定影與食品抗氧化，並用於硬度滴定及土壤重金屬淋洗整治。
- 三、環境影響（一）金屬移動性增加：被螯合之重金屬溶解度大幅提高，底泥中原本固定之 Pb、Cd、Cu、Zn 可能再溶出，隨地下水與地表水遷移，擴大污染範圍；應用於土壤淋洗（soil washing）時，若未回收螯合液，形同把污染搬移而非去除。
- 四、環境影響（二）不易分解與長距離傳輸：EDTA 生物降解性低（persistence），在污水處理廠去除率有限，吸附係數小，易隨水體長距離傳輸，進入淨水場後增加混凝加藥量，並可能與鐵、錳競爭而干擾氧化程序。
- 五、環境影響（三）健康與生態風險：EDTA 可置換管壁沉積之鉛、鎘，使飲用水重金屬濃度上升；亦可改變鐵、錳之生物可利用性而誘發藻華。對策包括源頭減量、改用可生物分解螯合劑（如 EDDS、GLDA）、廢液電解回收金屬，以及訂定放流水管制與總量管制。
水中之硬度會影響水的適飲性，請說明：
造成水中硬度之化學物質為何？何謂暫時硬度及永久硬度？（15 分）
某水樣中含有Ca2+：20 mg/L，Mg2+：12 mg/L，試計算水中之硬度
（mg/L as CaCO3）。（原子量：Ca = 40；Mg = 24）（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、造成硬度之化學物質：水中硬度（hardness）主要來自鹼土金屬離子 Ca²⁺ 與 Mg²⁺，另有少量 Sr²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺。其來源為石灰岩、白雲岩之溶解，以碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化物或硝酸鹽形態存在；硬度以 CaCO₃ 當量（mg/L as CaCO₃）表示，因其當量重 50 g/eq，換算方便。
- 二、暫時硬度（temporary hardness）：又稱碳酸鹽硬度（carbonate hardness），主要由 Ca(HCO₃)₂ 與 Mg(HCO₃)₂ 造成。此類鹽類煮沸即分解，生成 CaCO₃、Mg(OH)₂ 沉澱並釋出 CO₂，故可藉煮沸去除；其量受水中鹼度（alkalinity）限制，通常取硬度與鹼度之較小值。
- 三、永久硬度（permanent hardness）：又稱非碳酸鹽硬度（non-carbonate hardness），由 CaSO₄、MgSO₄、CaCl₂、MgCl₂、Ca(NO₃)₂ 等造成，煮沸不會沉澱。去除須採石灰蘇打法（lime-soda softening）、離子交換（ion exchange）、奈米過濾或逆滲透（RO）。
- 四、計算步驟：當量重 CaCO₃＝100/2＝50；Ca²⁺＝40/2＝20；Mg²⁺＝24/2＝12。Ca 硬度＝20 ÷ 20 × 50＝50 mg/L as CaCO₃；Mg 硬度＝12 ÷ 12 × 50＝50 mg/L as CaCO₃；總硬度＝50＋50＝100 mg/L as CaCO₃。
- 五、結果判定：100 mg/L as CaCO₃ 換算德國硬度約 100 ÷ 17.1 ≒ 5.8 °dH，依一般分類屬中度硬水（moderately hard，60～120 mg/L），口感尚可但肥皂起泡較差。若採 Mg 原子量 24.3，則 Mg 硬度約 49.4，總硬度約 99.4 mg/L，差異有限，答題時宜註明所用原子量。
一河川某一採樣點測得之BOD 為120 mg/L，已知河川之一階生物降解反
應速率k = 0.08 1/hr，流速為0.417 m/s。（一階降解反應公式：C=C0e-kt）
試求15 km 下游處之BOD 為何？（15 分）
請說明理論計算所得之BOD 與實際狀況是否會有差異？原因為何？
（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、水力停留時間：河段長 15 km＝15,000 m，流速 0.417 m/s，t＝L/v＝15,000 ÷ 0.417 ≒ 3.60×10⁴ s，換算 t＝3.60×10⁴ ÷ 3,600 ≒ 10.0 hr（約 9.99 hr）。此即污染物自採樣點流至下游 15 km 處所需時間，為代入一階反應之關鍵參數。
- 二、一階降解計算：C＝C₀e⁻ᵏᵗ＝120 × e^(−0.08×10.0)＝120 × e^(−0.8)＝120 × 0.4493 ≒ 53.9 mg/L。即下游 15 km 處理論 BOD 約 54 mg/L，削減率約 (120−53.9)/120 ≒ 55%。
- 三、與實際狀況之差異（一）物理作用：實際河川有延散（dispersion）、支流與地下水稀釋、蒸發、顆粒沉澱與底泥吸附，多使實測值低於理論值；反之底泥再懸浮與底泥需氧（sediment oxygen demand, SOD）會使測值偏高，故理論值僅為一維水質模式之簡化結果。
- 四、差異（二）生化與參數：BOD 僅代表可分解有機物之耗氧，未計氮氧化之 NBOD；難分解物質不參與 k；微生物有適應期（lag phase），初期降解較慢；水溫改變 k（k_T＝k₂₀θ^(T−20)，θ≒1.047）；且 BOD₅ 並非最終 BOD。實務上應以 Streeter-Phelps 模式配合現場追蹤與延散係數校正。
火力發電廠每天燃燒10 噸的煤炭，其使用的煤含有2%的硫（S）。
試計算該廠每天排放多少噸之SO2？（15 分）
試以化學式表示排放之SO2 如何形成酸雨？（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、硫量與反應式：每日燃煤 10 噸，含硫 2%，硫量＝10 × 0.02＝0.2 t/d（200 kg/d）。燃燒時 S＋O₂ → SO₂，莫耳比 1：1，質量比為 32：64＝1：2，故每噸硫生成 2 噸 SO₂。
- 二、SO₂ 排放量計算：0.2 t/d × 2＝0.4 t/d，即每日排放 0.4 噸（400 kg/d）SO₂。若考慮實際燃燒僅約 90～95% 之硫氧化為 SO₂、其餘留於灰渣，則排放量約 0.36～0.38 t/d；題目未給氧化率，通常假設完全燃燒。
- 三、酸雨形成之化學式：氣相 SO₂＋½O₂ → SO₃（或經鐵、錳催化及液相氧化），SO₃＋H₂O → H₂SO₄；SO₂ 亦可先溶於水 SO₂＋H₂O → H₂SO₃，再被氧化 2H₂SO₃＋O₂ → 2H₂SO₄。此即硫酸型酸雨（pH＜5.0）之主要來源。
- 四、其他途徑與影響：燃煤亦排放 NOx，經 2NO₂＋H₂O → HNO₃＋HNO₂ 形成硝酸型酸雨；酸雨使土壤酸化、鋁活化、湖泊酸化並腐蝕建材古蹟。控制對策包括低硫燃料、排煙脫硫（FGD，CaCO₃＋SO₂ → CaSO₃＋CO₂）、低氮燃燒與選擇性催化還原（SCR）。