碩士論文

1. 國立屏東科技大學環境工程與科學系碩士學位論文口試
半導體廠園區大氣粗細微粒水溶性離子特性
Water Soluble Ions in Atmospheric Coarse/Fine Particles
around a Semiconductor Science and Industrial Park
指導教授 : 謝連德 老師
陳瑞仁 老師
姓 名 : 王偉志
學 號 : M10431005
報告日期 : 2017年7月1日

2. 大綱
1

3. 環保署於2012年5月14日公告
修 正 空 氣 品 質 標 準 ， 增 訂
PM2.5 空 氣 品 質 標 準 ， 將
「 PM2.5 」 24 小 時 值 訂 為 35
μg/m3 、 年 平 均 值 訂 為 15
μg/m3。
鼻咽部
氣管及支氣管
肺泡
粒徑大於10μm 之微粒幾乎完全
沉積在鼻咽部，只有極少部分
有機會進入肺泡中，粒徑小於
2.5μm 的微粒約10%以下沉積在
支氣管，約有20~30%沉積在肺
泡中，而粒徑小於0.1μm 之微
粒主要沉積於肺泡組織中。
研究指出:細懸浮微粒(PM2.5)有較高穿透力，可
穿越細支氣管直達肺部，進而引發呼吸系統和
心 血 管 疾 病 的 併 發 症 嚴 重 影 響 人 體 健 康
(Villeneuve et al., 2002；Brook et al., 2010；
Mate et al., 2010)。 肺泡組織
微粒吸入人體之暴露途徑
inhalable
thoracic
respirable
3
前言(1/4)
微粒依其氣動直徑於呼吸道之穿透率 (行政院勞委會，2009)

4.  近年來政府為促進半導體相關技術發展，增進國內半導體產業競爭力，透過各
項計畫與方案延攬晶圓廠業者及精密儀器、設備製造商，共同努力以提高晶圓
設備自製率。半導體之蝕刻、清洗、顯影、擴散及離子植入等製程中常使用 HCl、
HF、H3PO4、C2HCl3、H2SO4 等酸鹼藥劑及揮發性有機溶劑等各種化學品，而此
化學品之逸散通常是半導體廠區附近空氣污染來源之一。
 研究已證實細懸浮微粒 (即PM2.5) 因其粒徑甚小而會直接或間接引起呼吸道與心
血管疾病等傷害，使患有氣喘、呼吸道疾病、心肺功能疾病患者及老人與小孩
等敏感族群產生嚴重的健康危害；甚至足以通過肺泡的氣體交換區而進入人體
之心血管循環系統隨血液再循環全身 (Donaldson et al., 2012；Torén et al., 2007；
Vincent et al., 2005)。
前言(2/4)
4

5.  懸浮微粒主要由呼吸作用進入人體，而人體呼吸道系統包括鼻咽、氣管、支氣管及
肺組織；其中肺組織由呼吸性支氣管、肺泡管及肺泡組成。粗微粒 (PM2.5-10) 會沉積
在上呼吸道，細微粒 (PM2.5) 則可深入肺部及末端之肺泡，此吸入性微粒對人體健康
影響之程度與微粒氣動粒徑大小、物化特性、所含毒性物質成分、在生物體液之溶
解性及暴露量有關 (Voutsa and Samara, 2002)。
 水溶性離子依其污染來源可區分為非人為及人為污染兩類。自然來源包括 Na+、Cl-、
K+、Mg2+、Ca2+、SO4
2- 及 NO3
-等，人為污染來源主要為 SO4
2-、NO3
- 及 NH4
+ 等衍
生性氣膠 (Mangelson, 1997)。
前言(3/4)
5
 研究指出，微粒中的酸性物質 (如硫酸根) 會降低肺泡巨噬細胞 (Alveolar
macrophage；AM) 吞噬能力，對肺部的防禦機制造成影響 (Maier et al., 1999)；酸
性氣膠的存在會增加氣喘患者發病的機率。(Hansell et al., 2004)。

6. 前言(4/4)
 為瞭解半導體為主之工業區排放空氣污染物對周界空氣品質影響，本研究於2015
年11月至2016年4月間在南部某工業區半導體廠樓頂以雙粒徑分道採樣器 (即
Dichot) 進行日夜大氣粗 (PM2.5-10)、細微粒 (PM2.5) 採樣，採得之微粒樣品分析微
粒上水溶性離子，以瞭解工業區內半導體廠周界大氣粗、細微粒水溶性離子組成
特性。
6
 半導體廠周界大氣微粒上之 F-、Cl-、NO3
-、SO4
2-、Na+及NH4
+ 可能來自半導體廠
廢氣洗滌塔排氣口直接排放；而半導體製程中亦常用到 K+ 之化合物(如氰化鉀、
碘化鉀等) (Tsai et al., 1997)。

7. 材料與方法(1/6)文獻收集
採樣規劃
石英濾紙前處理及秤初重 儀器校正
Dichot現場採樣
濾紙秤末重及計算
質量濃度計算 水溶性離子分析
數據整理及計算
結果與討論
氣象資料蒐集
研究流程圖
瞭解大氣微粒之粒徑
分佈概況。
有助於釐清污染
物排放來源。
7

8. 採樣規劃
定義：本研究將事件日定義為 PM2.5 日平均值高於環保署公告之法規值 (35μg/m3)。
採樣時間：2015年11月11日~13日 (第一次事件日期間，以下以 episode1 或 E1 表示)。
2016年1月18~21日 (第二次事件日，以下以 episode 2 或 E2 表示) 。
4月18~21日 (一般日期間，以下以 non-episode 或 NE 表示) 。
日間 (08：00~17：00) 與夜間 (17：00~翌日08：00)。
地點：南部某工業區
6m (A採樣點)、31.4m (C採樣點)
10m (B採樣點)、36m高 (D採樣點)
材料與方法(2/6)
測站名稱：楠梓測站：Nanzi (以下以 NZ 表示)。
左營測站：Zuoying (以下以 ZY 表示) 。
橋頭測站：Qiaotou (以下以 QT 表示)。
採樣點相關位置示意圖
8

9. Dichot (雙粒徑分道採樣器)
粒徑分選頭
虛擬粒徑分流器
材料與方法(3/6)
篩選氣動粒徑大於10 微米之懸浮微粒。
將經過分選之採樣氣流，分為粗、細兩道氣
流後，分別以石英濾紙收集粗、細微粒。
8

10. 氣象分析儀
本研究以 Davis Vantage Pro2 Weather
Stations MODEL 6152C 專業型有線氣象儀
進行採樣期間各採樣地點氣象資料收集，
Vantage Pro2 氣象監測系統主要由一整合式
氣象感測器所組成，其可完整即時記錄採樣
期間氣象資料 (包括時間、風向、風速、氣
溫、相對溼度、大氣壓力等)。
材料與方法(4/6)
9

11.  懸浮微粒質量處理
將採樣後之石英濾紙，攜回實驗室放入恆溼恆溫箱中，將其置於溼度
(40±5%) 及溫度 (23±3°C) 控制之恆溫恆濕箱中靜置 24 小時以上，再以微量天
平進行二重複之質量秤重，以確保數據之準確性。而所得之秤重數據依公式進
行微粒質量濃度計算。
材料與方法(5/6)
靜電去除器
10

12. 水溶性離子分析
Dichot 採得含粗細微粒之石英濾紙樣本，置入以去離子水 (D.I. water) 清洗過之
聚乙烯 (PE) 瓶中。加入5mL去離子水於上述含濾紙樣本之 PE 瓶中，將PE瓶置入超
音波震盪機中，注入水後開機震盪萃取120分鐘。震盪完畢後將溶液以醋酸酯纖維濾
紙 (pore size：0.2 µm) 過濾萃取液，過濾完之萃取液以離子層析儀分析微粒上之水溶
性離子成分，分析儀器為 Dionex-ICS3000 型之離子層析儀 (ion chromatography；IC) ，
分析物種包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+、NH4
+、F-、Cl-、NO3
- 及 SO4
2- 等9種水溶性離
子。
材料與方法(6/6)
流洗液
PUMP
管柱、抑制器、偵測器、導電度計
自動進樣機
11

13. 結果與討論(1/5)E1
PM(g/m
3
)
0
20
40
60
80
100
120
日
夜
PM
2.5
PM
2.5-10
PM
10
PM
2.5
PM
2.5-10
PM
10
PM
2.5
PM
2.5-10
PM
10
E2 NE
各空品狀態日夜採樣期間 PM 平均濃度
12
本研究工業區大氣 episode day 1、episod day 2及 non-
episode day 以 Dichot 日間採樣期間，其大氣PM2.5及
PM2.5-10之平均濃度均較其夜間值高。
與一般日 (即 non-episode day，NE) 相較，工業區兩事件
日 (即 E1 及 E2) 採樣期間其大氣日夜 PM2.5、PM2.5-10 及
PM10 濃度均增加。
推測此可能與白天時工業區
內製程操作及工業區內外交
通源排氣與車行揚塵之強度
均較夜間高有關。

14. 結果與討論(2/5)
13
PM2.5(g/m3)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
：Day本研究： EPA 監測站：：Night ：Day ：Night
35
1/18 1/19 1/20 1/2111/11 11/12 11/13 4/18 4/19 4/20 4/21
CA D NZ ZY QT B C NZ ZY QTC NZ ZY QT A NZ ZY QTA NZ ZYQT NZZYQT C NZZYQT D NZZY QT A NZZYQT A C D NZZY QT CB NZ ZYQT
Episode day 2
(2016)
Non-episode day
(2016)
Episode day 1
(2015)
空氣品質標準
各測點歷次採樣日夜大氣 PM2.5 濃度與監測站監測值比較 (NZ：楠梓站；ZY：左營站；QT：橋頭站)
PM2.5 24 小時值 = 35 mg/m3
21 站日中，有17站日PM2.5監測
值為日間>夜間
為主科學園區之中心地面測得日間時大氣 PM2.5 及 PM2.5-10 之
平均濃度亦均較其夜間值高。

15. 結果與討論(3/5)
14
Day
Calm：9.87 %
Calm：56.1%
Night
Calm：3.70%
Day
Calm：23.3%
Night
歷次採樣期間風瑰圖
E1 E2 NE
V : 1~2 m/sec
V : <1 m/sec V : >2 m/sec
Calm：2.50 %
Day
Calm：6.65%
Night
濕度：71.8%
溫度：27.8℃ 溫度：30.4℃
濕度：67.9%
溫度：24.8℃
濕度：84.3%
溫度：17.2℃
濕度：85.4%
溫度：25.8℃
濕度：83.1%
溫度：20.8℃
濕度：75%
平均溫度：日間(26.3 ℃) >夜間(22.6 ℃)
相對濕度：夜間(84.3%)>日間(71.6%)靜風率：夜間>日間
林信輝 (2009) 之研究亦指出：大氣懸浮微粒濃度大致上
與相對溼度成反比。
E1、E2 及 NE 日間採樣期間風速在 2 m/sec 以下 [在蒲福風級中介於軟風 (風速在
1~3 mph 或 0.44~1.33 m/sec) 及輕風 (風速在 4~7 mph 或 1.78~3.11 m/sec) 間] 之比
例 (超過99 %) 幾乎與夜間時 (約98%) 相當 (幾乎無差別)。

16. 結果與討論(4/5)
PM2.5上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
E1
PM2.5上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
E2
PM2.5上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
NE
PM2.5-10上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+Mg
2+
E1
PM2.5-10上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
- NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
E2
PM2.5-10上Ions(g/m
3
)
0
5
10
15
20
25
30
日間
夜間
Cl
-
F
- NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
NE
日夜採樣期間 PM2.5 及 PM2.5-10 上各水溶性離子平均濃度
15
本研究工業區大氣 PM2.5 及 PM2.5-10 上之NO3
- 及 NH4
+ 除
部分來自前驅物 (NO2 及 NH3) 光化反應衍生生成外，部
分可能直接來自製程排氣 HNO3、HCl 及 HF與微粒物理
結合所貢獻。
陳羿辰 (2009) 在台南某科技園區及林人杰 (2013) 在中科
后里園區之研究發現：兩園區大氣 PM2.5 及 PM2.5-10上之
水溶性離子濃度除 SO4
2- 、NO3
-及 NH4
+ 等三離子佔之比
例最高外， Cl- 及 F- 亦有相當測值。
蘭舜煒 (2002)、黃俊超 (2004) 及 Tsai et al. (2004) 之
研究指出：半導體製造業洗滌塔排氣之氣狀物有
HF、HCl、HNO3 及 NH3 ，而粒狀物上之離子則有
NO3
-、SO4
2- 、 NH4
+ 、Cl- 及 F- 等。
90% 67%

17. 結果與討論(5/5)
PM2.5-10上離子含量之E/NE值
0
2
4
6
8
10
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
：日間
：夜間
E2/NE
PM2.5上離子含量之E/NE值
0
2
4
6
8
10
：日間
：夜間
E1/NE E2/NE
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
Cl
-
F
-
NO3
-
SO4
2-
Na
+
NH4
+
K
+
Ca
2+
Mg
2+
E1/NE
：日間
：夜間
：日間
：夜間
PM2.5 及 PM2.5-10 上水溶性離子含量之 E/NE 值
16
兩 episode day (即E1 及 E2) 時其 PM2.5 上各水溶性離子含量與 non-episode (即NE)
時含量值之比中，Cl- 及F- 含量之 E1/NE 及 E2/NE 值均較 NO3
-、SO4
2- 及NH4
+ 之
值高。

18. 結論 (1/2)
 與一般日 (即non-episode day，以NE表示) 相較，無論日夜間兩次事件日 (episode day，以E表示)
採樣期間工業區大氣 PM2.5 及 PM2.5-10 濃度均增加；其 PM2.5 及PM2.5-10 之 (E1/NE、E2/NE) 值在
白天時分別為 (1.29、1.81) 及 (1.43、1.50)，夜間時其 PM2.5及 PM2.5-10之 (E1/NE、E2/NE) 值則
分別為 (1.56、2.32) 及 (1.79、2.53)。
 整個工業區3次採樣期間，日間時其大氣 PM2.5 及 PM2.5-10 濃度之平均濃度均較其夜間值高；與
夜間值相較，日間時其PM2.5 及 PM2.5-10濃度增加之範圍依序分別為24~37% 及 11~49%，平均值
則依序分別上升 30% 及 33%。
 無論在 episode day 或 non-episode day 期間其大氣懸浮微粒 (即 PM10) 均以細微粒 (即 PM2.5) 為
主 (佔 65% 以上)。
17

19.  工業區 episode day 1、episode day 2 及 non-episode day 日夜採樣期間其大氣 PM2.5 分析之 9 種
水溶性離子濃度大致上均以NO3
-、SO4
2- 及 NH4
+ 等三離子之濃度較高，而 PM2.5-10 上則以
NO3
-、SO4
2-、Cl- 及 Na+ 等 4 離子之濃度較高。
 PM2.5 及PM2.5-10 上除一般都會區常見之NO3
-、SO4
2- 及 NH4
+ 等二次氣膠離子外，以半導體製
造為主之高科技產業經常排放之 Cl- 及 F- 等二離子亦可測得相當濃度。
 大氣 PM2.5 及 PM2.5-10 上ΣIons 所佔比例之範圍分別為 34.1~65.9 及 25.5~72.1 %，平均值分別
為 53 及48 %；而 PM2.5及 PM2.5-10 上分析之 ΣIons 濃度中分別有 90 % (範圍 70~98 %) 及 67 %
(範圍 41~83 %) 是由 NO3
-、SO4
2- 及 NH4
+ 等三離子所貢獻。
結論 (2/2)
18

20.  未來可進一步深入探討園區大氣粗細微粒上各水溶性離子貢獻來源。
建議
19