淨化空氣品質之探究與實作

資料來源
科學研習月刊57-10


吳和桔 /國立中山大學附屬國光高中教師
 
當教室的空氣品質不良時,將影響教師教學與學生學習的效能與健康。因此本文以「淨化空氣品質之探究與實作」做為學生探究與生活有關的科學問題,並進行問題解決,以統整跨域知識(科學、技術、工程、美學、數學、社會/人文/生態/環境,STEAMS),期在過程中培養學生「科學探究」與「科技實作」能力。

 空氣的組成成分


所謂「空氣」是指大氣層內的空間氣體,主要是由78%的氮氣、21%氧氣、還有約1%的稀有氣體和雜質所組成的混合物。

 探究空氣污染物的種類與來源

ㄧ、室外空氣污染物的種類

 所謂「空氣污染物」是指大氣層內的空間氣體中,除了原有的空氣之氣體成分與濃度外,並含有其它的「懸浮微細物質」,此懸浮微細物質常以固態、液態、或氣態形式融入,造成原有氣體成分與濃度的改變,影響生物成長與生態平衡,故稱此有別於大氣層內的原有空氣氣體成分與濃度之物質為空氣污染物。常見的室外空氣污染物之分類,如下所述:
1.粒狀污染物:例如,懸浮微粒、落塵……等。
2.氣狀污染物:例如,一氧化碳、揮發性有機物……等。
3.衍生性污染物:例如,光化學霧、臭氧……等。
4.毒性污染物:例如,甲醛、石綿及含石綿之物質……等。
5.其他

二、室外空氣污染物的來源

室外空氣污染物的來源可依其產生的屬性、方式、狀態、區域來區分:

1.依產生的屬性可分爲原生性污染物與衍生性污染物兩種。
(1)原生性空氣污染物(初級污染物)是指經由某種過程所産生的空氣污染物,例如:運輸機械在動力過程中所產生的一氧化碳。
(2)衍生性空氣污染物(次級污染物)是指由初級污染物或其前驅物(可能為固體、液體或氣體)經化學反應而產生的污染物。例如:由碳氫化合物及氮氧化物在陽光下反應所產生的臭氧。

2.依產生的方式可分爲自然生成與人為造成兩種方式。
(1)自然生成的空氣污染物:例如,空氣中經化學作用而產生的酸性微粒(酸雨)。
(2)人為因素造成的空氣污染物:例如,燃煤電廠所產生的煤灰。

3.依產生的狀態可分爲點污染源、線污染源、面污染源三種狀態,如圖1A與1B所示。
(1)點污染源(固定污染源):例如,工廠排污,其PM2.5約佔27〜31%。
(2)線污染源(移動污染源):例如,運輸車輛排污,其PM2.5約佔30〜37%。
(3)面污染源(區塊污染源或稱散逸污染源):例如,商業與住宅之燃燒、餐飲業油煙排放……等所產生的PM2.5合計約佔32〜43%。

4.依產生的區域可分爲境內本區自產污染源(約佔66%)與境外移入本區污染源(約佔34%)兩種區域,如圖2所示。

圖1A.室外空氣污染物PM2.5的來源(依產生的狀態)


圖1B.室外空氣污染物PM2.5的來源(依產生的狀態:各細項)


圖2.我國境內自產與境外移入空氣污染物PM2.5之來源(依產生的區域)

 空氣污染對健康的影響

 
衛生福利部於107年6月15日公布106年國人十大癌症死亡率,依序為(1)氣管、支氣管和肺癌(2)肝和肝內膽管癌…。十大死因死亡人數中、癌症增277人(0.6%)、肺炎增268人(2.2%)較明顯。可見肺癌已位居癌症死亡之首且空氣污染已成為國人不可輕忽的死亡威脅。

ㄧ、懸浮微粒

所謂「懸浮微粒」(particulate matter, PM)是指懸浮在空氣中的微小粒子,其學名稱之為氣膠(aerosol),泛指微粒和氣體的混合物。懸浮微粒常以其粒徑區分大小,當粒徑小或等於10微米(μm,即百萬分之一公尺)時稱為粗懸浮微粒(PM10);當粒徑小或等於2.5微米時稱為細懸浮微粒(PM2.5);當粒徑小或等於1.0微米時稱為極細懸浮微粒(PM1.0)。懸浮微粒的計量單位是以微克/立方公尺(μg/m3)表示。當空氣中存在許多污染物時,特別是細懸浮微粒PM2.5(粒徑約為頭髮的1/28),因其可攜帶各種化學物質與重金屬,甚至細菌、黴菌與病毒,且可穿透肺部氣泡,並直接進入血管而隨著血液循環全身,故對人體健康及生物生長之影響最大。

二、空氣品質指標
所謂「空氣品質指標」(Air Quality Index, AQI)是指依據環保署監測資料將當日空氣中的臭氧(O3)、細懸浮微粒(PM2.5)、懸浮微粒(PM10)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)及二氧化氮(NO2)等六項成份濃度值,分別換算出不同污染物之副指標值,並以當日各副指標之最大值作為該測站當日之空氣品質指標(AQI)值。表1為室外空氣品質指標(AQI)對健康的影響。



 探究降低空氣污染的方法

降低空氣污染的方法可概分為源頭減量、流動減量與淨化減量三種方法。
1.源頭減量:依上述空氣污染來源(屬性、方式、狀態、區域)進行空氣污染防制,以達空污減量。
2.流動減量:可概分為自然流動與強制流動(機械通風)兩種,藉以遷移空污到可降低空污的環境中,以達空污減量。
3.淨化減量:可概分為物理、化學與生物淨化三種方式。

淨化空氣原理

本文實作所採用的淨化空氣原理為物理式之過濾阻隔原理。其原理是利用風扇與濾網(例如:HEPA濾網、活性碳濾網)所組成的濾淨系統,將空氣污染物吸附阻隔在濾網上,而乾淨空氣則通過濾網,以達淨化空氣。

 實作簡易空氣清淨機

由於師生在校期間大部分是在室內空間進行教學與學習活動,室內空氣品質的好壞,直接影響師生教與學的品質與效能。因此選定實作”簡易空氣清淨機”作為起點,後續可擴充其功能或增加造型並延伸其故事,以統整跨域知識(科學、技術、工程、美學、數學、社會/人文/生態/環境,STEAMS),並提升學生「科學探究」與「科技實作」能力。本文之空氣品質跨域整合STEAMS教學活動簡述如下:

S(Science,科學/學說/學理):以物理、化學、生物、地球科學…等學理為基礎,探究空污的成份與來源及解決之道。

T(Technology,科技/技術):
(1)以生活科技為主的創意設計與工程製作,進行實作淨化空氣裝置作品。例如:空氣清淨機實作;
(2)以資訊科技為主的運算思維,進行資通訊實作。例如:空氣品質偵測顯示模組(硬體)與程式設計(軟體)之整合實作;或空氣品質之探究與實作APP手遊、線上遊戲(延伸活動)。

E(Engineering,工程/工作程序):以工程製作為主的工作程序及最佳化作品。即先利用電腦數位輔助繪圖(繪圖軟體)或傳統手工進行創意設計圖(或草圖),繪製出作品外觀立體圖、三視圖、展開圖。接續再利用電腦數位輔助模擬與製造(例如:機構與結構模擬、3D列印、雷射切割……等)或傳統手工具進行試作模型、作品後進行測試、修正、改善、精緻...…等工作程序。

A(Art/Aesthetics,藝術/美學):以感官知覺為主的藝術美學之人性化作品。例如,視覺、色彩、造型、聽覺、人體工學(觸覺)……等感官知覺設計與實作(延伸活動)。

M(Mathematics,數學):以數學運算為主的成本與效能評估。例如,計算空氣淨化機體結構與濾材面積、過濾效能、耗電量…... (延伸活動)。

S(Society,社會/人文(文化、語文、故事)/生態環境):以社會、人文、生態為本的永續生存與發展。例如,空氣清新小精靈 (空氣清淨機) 誕生的故事(典故/由來),後續發展為太陽能電力、無線充電……等大精靈,以節能減碳並減緩氣候變遷,永續生態環境。或設計空氣污染之探究與實作桌遊(事件卡、機會卡……) (延伸活動)。

圖3為 STEAMS跨域整合教學活動流程示意圖,以供教師進行統整跨域與探究教學參考。

圖3.STEAMS跨域整合 教學活動流程 示意圖

一、實作說明

本文實作的空氣清淨機是利用小型電風扇或USB隨身風扇配合空氣濾材及其支撐結構組成空氣清淨機,並搭配Arduino 微電腦主控板及灰塵感測器、溫溼度感測器,以偵測空氣品質,並於液晶上顯示,以驗證實作之空氣清淨機濾淨空污效能,進而解決空污問題,改善室內空氣品質。

二、空氣清淨原理: 物理式吸附濾淨方式


三、實作材料

1.空污吸附濾淨系統材料
空污吸附濾淨系統材料,請參閱圖4、5。


圖4.各式濾材


圖5.各式風扇與濾網結構體(飲料杯、網籃)

2.空污感測顯示系統材料
空污感測顯示系統材料,請參閱圖6。

圖6.空污感測顯示系統元件

四、實作流程與步驟

(ㄧ)工程設計與製作空氣清淨機
1.依所選用之風扇並配合風扇尺寸製作空污淨化機體外殼(可用現成的圓形飲料杯或籃子,也可自行設計製作成圓錐體或正圓柱體,作為其機體,如圖7所示。

圖7.空污淨化機體外殼(結構體)

2.依所製作的空污淨化機體外殼或內緣(圓錐體或正圓柱體)製作展開圖(扇形或長方形面積),以利剪裁濾網之形狀尺寸,如圖8所示(濾網模型模板)。
 
圖8.製作空污淨化機體外殼或內緣之展開圖

3.依所製作之展開圖模型模板剪裁所需濾網(不織布濾網、靜電濾網……等)尺寸,如圖9所示。

圖9.剪裁空污淨化濾網之形狀尺寸大小

4.整合風扇、濾網與濾網支撐結構體為一體,形成完整的空氣清淨機,如圖10所示。
 
圖10.整合風扇、濾網與濾網支撐結構體為一體的空氣清淨機

(二)運算思維空氣品質感測顯示系統
1.依所選用的空污感測器、Arduino開發板等硬體,設計製作成空氣品質感測顯示模組,其電路圖與實體圖,如圖11~13所示。
 
圖11.夏普GP2Y1014AU0F 灰塵感測器實體圖與其端子意義


圖12.夏普GP2Y1014AU0F 灰塵感測器電路圖


圖13.溫濕度與液晶顯示電路圖

2.依硬體所設計製作的空氣品質感測顯示模組,撰寫程式。
(1)
程式碼
(2)可參考開源的程式碼或自行撰寫程式。

3.整合空氣品質感測顯示系統的硬體與軟體,形成軟硬兼具的空氣品質感測顯示系統,如圖14所示。


圖14.空氣品質感測顯示模組之實體接線圖

(三)整合空氣清淨機與空氣品質感測顯示系統,完成具空氣品質偵測的空氣清淨機。

五、驗證淨化效能
1.進出口空氣流速測試 (風速計單位: M/s)


圖15.進出口空氣流速測試

2.進出口空氣品質測試
測試結果,請對照表2,以判定空氣品質狀態。



3.教室實測(使用PMS5003/G5灰塵感測器:程式碼)
Youtube連結

圖17.教室黑板附近空氣品質測試

 結語

本文「淨化空氣品質之探究與實作」之內涵屬問題導向(PBL)的主題式課程,希望藉此探究與實作活動,統整跨域知識(STEAMS),期在過程中培養學生「科學探究」與「科技實作」能力,並引燃「終生學習」熱情、激發「動手實作」意念、享受「解決問題」喜悅、實踐「生命出口」信念、體現「合作學習」真諦、感受「專題作品」成就、累積「人生歷程」智慧、感悟「正面」人生觀與使命感。同時在主觀、客觀、宏觀、達觀的生命發展歷程中,成就每一個孩子;在「物性、人性、心性、靈性」的人生感悟歷程中,對「時間的運用」、「生活的重點」、「生命的重心」、「人生的目標」詮釋並體認「生活的目的」與「生命的意義」,享受生命的美好。

 後記

本簡易空氣清淨機可作為教室、辦公室、書房、車內等室內空氣淨化裝置及風扇使用。此外,亦可結合物聯網,製成智慧室內空氣清淨機器人,自動感測空氣品質,類似掃地機器人自動清淨室內每一角落。
詳細內容可參閱”
淨化空氣品質之探究與實作課程網”。
 延伸閱讀與探究及實作
環境感測器網路系統(LASS): http://lass-net.org/
 參考資料

1.環保署
2.袁中新(102/4/15)細懸浮微粒 (PM2.5) 之生成及危害, 國立中山大學環境工程研究所
3.蔡鴻德、楊鍇行、黃星富(106/9,P108〜113) 空氣污染防制新作為,國土與公共治理季刊 第五卷 第三期
4.蔡鴻德(106/5/22) 臺灣空氣品質現況與防制策略 行政院環境保護署