紅外線遙測技術於產業界之應用
工研院環安中心副研究員 楊人芝/研究員張寶額

前言
 
  近年來,我國產業發展的重點已由過去的傳統產業轉變為現今具高附加價值之高科技產業;然而不論是以石化業為首的傳統產業,或是以半導體產業為首之高科技產業,兩者均使用到大量毒性氣體、有機溶劑及各類酸鹼物質,若因疏忽或操作不慎,可能逸散至空氣中,不僅影響工作人員的健康,亦可能造成環境污染,對附近居民的健康構成威脅。
 
  國內於民國83年引進紅外線遙測技術,也就是傅立葉轉換紅外光儀(Fourier Transform Infrared, FTIR),以先進及精密的環境監測儀器,跨越傳統採樣分析所無法觸及的領域,為環境保護與污染防制工作開拓新的視野。本文將針對紅外光遙測技術在石化工業與半導體工業之污染監測與應用方面作介紹。
 
1.紅外光技術簡介
 
  紅外線量測技術是利用氣體分子吸收特定波長紅外線之特性,比對紅外線吸收圖譜與標準圖譜,即可判斷氣體之種類。而物種濃度則遵循比爾定律(Beer’s Law),利用氣體分子吸收強度與濃度成正比的關係,計算光譜的吸收強度即可得知。
 
  傅立葉轉換紅外線儀是應用傅立葉轉換原理。研製而成的紅外線譜儀,其量測上的優勢為:(1)可進行大範圍量測;(2)可長期且連續量測;(3)可同時監測多種化合物;(4)偵測極限可至ppb等級;(5)即時監測污染濃度隨時間變化之趨勢;(6)非破壞性量測;(7)量測光譜可儲存於電腦,以進行重複分析。
 
  目前,應用於環境氣體分析之FTIR,可依採樣方式區分為抽氣式或密閉式(extractive或closed-cell),以及開放光徑式或開放式(Open-path)。兩者的差別在於,前者是先將外界氣體以採樣管導入密閉氣體光譜吸收槽後,再進行紅外線掃瞄;而後者則是不須經由採樣程序,直接以紅外線掃瞄開放空間中的氣體。
 
  目前,國內外開放光徑式傅立葉轉換紅外線儀(Open-Path Fourier Transform Infrared, OP-FTIR)的應用範疇,主要是在於廢棄物掩埋場、廢水處理廠、石化廠與工業區周界,以及廠內製程區污染源調查等量測工作。國內將OP-FTIR應用於工廠與工業區周界空氣品質量測已有多年的歷史,量測結果不僅可作為污染防制工作的量化指標,更可協助釐清污染來源及責任歸屬。
 
  至於密閉式傅立葉轉換紅外線儀(Close-cell Fourier Transform Infrared, CC-FTIR)的應用則主要發揮其體積較小、機動性較強的特點,較常用於小區域的定點量測,如排放管道氣體量測、製程衍生物量測、製程機台處理設備處理效率評估、維修保養人員曝露量評估,以及全氟化物排放監測與製程條件最佳化等。
 
2.FTIR於石化工業區的應用
 
  (1)工業區污染物交互影響及來源分析
 
  台灣地區地狹人稠,工廠比鄰,常造成污染來源認定的困擾。由於FTIR具備多化合物同時辨識、即時量測的能力,再配合同步測得之即時氣象資料,可分析工廠間污染物交互影響與可能來源。其目的不在精確判斷污染地點,而在判別污染物是否由偵測目標工廠所發生,當排除其他廠干擾後即可界定偵測工廠之污染情形。
 
  量測方式是利用2台OP-FTIR於上下風處(以南北周界為佳)同步量測,如圖 1。在風向固定的環境下,廠內洩漏將只在下風處之OP-FTIR測得;同理,若廠外洩漏,則上風處測得的濃度應高於下風處,而且上風與下風處皆可測得(若污染物稀釋後尚在FTIR偵測極限以上)。
 
圖 1 工廠污染物交互影響調查之FTIR架設方式
 
  (2)判別污染物排放特性
 
  OP-FTIR因可長期且連續量測,因此將量測結果相對於時間作圖,可得污染氣體濃度變化趨勢,藉此可判別污染物的排放特性。依據歷年經驗,石化廠污染物可歸納為:連續性逸散、異常洩漏、定時性非連續排放,圖2彙整各排放類型之範例與可能發生來源。
 
  藉由污染排放特性之判定,對工廠而言,可協助追縱污染源之所在,以便在問題未擴大前,及早因應;對環保主管機關而言,則可提供管制重點,提升查核成效。
 
圖 3 石化廠污染排放特性
 
  (3)搜尋污染源
 
  利用多部OP-FTIR於量測區域內進行掃瞄,再將測得之光徑積分濃度輸入電腦計算交叉點濃度,即可繪製出監測區域內污染氣體之濃度分佈圖,找出污染源所在,圖 4即為一例。
 
圖 4 以OP-FTIR配合電腦運算求出之污染物等高濃度分佈圖
 
  (4)大量氣體外洩緊急應變處理
 
  工廠發生大量氣體外洩時,可將OP-FTIR架設於工廠與住宅區之間,利用OP-FTIR長距離量測的優勢,並輔以氣體擴散模式,即可模擬污染物在大氣中的擴散途徑與濃度分佈,找出可能受影響的區域,以緊急疏散該區居民。
 
圖 5 OP-FTIR應用於大量氣體外洩緊急應變處理示意圖
 
3.FTIR於半導體廠的應用
 
 (1)評估外氣對無塵室內空氣品質之影響
 
  一般說來,無塵室的氣流採貫穿樓層式循環氣流,大部分為循環空氣,少部分為外氣;因此無塵室之空氣品質,亦可能受廠外之污染物所影響。
 
  利用一部OP-FTIR架設於廠房外側空調進氣口處,進行長時間連續量測,並架設一簡易型氣象站,同步蒐集風向資料,以瞭解外氣中污染物的種類與濃度,以及污染物的來源風向。
 
圖 6 運用OP-FTIR評估外氣對無塵室內空氣品質之影響示意圖
 
 (2)無塵室作業環境空氣品質監測
 
  一般而言,無塵室污染的成因,大部分是製程所使用的化學品和清潔用的有機溶劑逸散所造成。無塵室空氣中微量的污染物存在,嚴重時足以影響產品的良率,而輕微時也足以造成異味的擴散,影響無塵室的空氣品質,及現場工作人員的工作舒適度與工作效率。
 
  利用OP-FTIR架設於無塵室各製程區內,以評估無塵室空氣中污染物之種類、逸散之濃度、逸散之型態等,再根據量測結果,謀求解決之道。
 
圖 7 OP-FTIR運用於評估無塵室作業環境空氣品質監測
 
 (3)機台預防性維修保養工作人員暴露情形評估
 
  在進行機台預防性維修保養的過程中,常會因為機台密閉空間瞬間開啟,導致機台內毒性氣體逸散出來,或是在使用去離子水或溶劑擦拭機台時,擦拭液與附著於機台壁之氣體微粒接觸,導致毒性氣體釋出。因此,站在工業衛生的立場,必須設法瞭解機台預防性維修保養的過程中污染物之種類與濃度,是否可能造成工作人員的不適或任何急慢性的傷害。
 
  在此,可利用CC-FTIR連接鐵氟龍採樣管,置於維修保養人員之呼吸帶,進行維修保養過程的全程採樣,並記錄各項維修保養時間,以利比對,追查可能逸散之動作或時機。
 
圖 8 CC-FTIR運用於機台預防性維修保養工作人員暴露量測
 
結論
 
  由於FTIR具備長時間連續量測、不需經過採樣程序、量測範圍廣大、多化合物同時量測、量測自動化、量測樣品可永久保存等多項特點,預期未來將可在工廠污染氣體量測的領域上嶄露頭角,協助更多產業改善勞工作業環境的安全衛生問題,以提升產業形象。
 

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