1、有機溶劑揮發量之估算方法趙煥平中原大學生物環境工程學系32023 桃園縣中壢市中北路200 號Tel: 03-2654914， Fax: 03-2654949， E-mail有機溶劑常具有高揮發性與毒性，當它們揮發至大氣中，往往會對工廠操作人員或附近居民健康造成威脅，許多工廠考慮以排放系數計算揮發性有機物(VOCs)之揮發量，雖然使用排放系數可以概略的估算出工廠整體揮發性有機物的排放量，但若要考慮有機溶劑揮發對人體健康可能產生之影響，則需要針對不同有機溶劑的個別揮發量進行估算。可惜的是，目前所有對于有機溶劑揮發所發展出的方法均為經驗方程式，雖然可以在特定條件下估算有機溶劑的揮發量，但往往因為環

2、境條件改變或工作地點變更而造成估算誤差，本文的主要目的在提供一個估算有機溶劑揮發量的方法，希望藉由此方法能夠估算工廠內有機溶劑之揮發量，以減少有機溶劑周遭工作勞工可能產生之危害。一、影響有機溶劑揮發之參數有機溶劑的揮發主要受到其本身性質的影響，其中最主要的影響因子為有機物本身的飽和蒸氣壓，常見有機化合物的蒸氣壓可以由一般物理化學的工具書查到1 ， 若是針對同一類型的有機物，如烷類、醇類、烯類等，飽和蒸氣壓將會隨有機物分子量增加而減少。若是針對不同類型的有機物如烷類與醇類，盡管分子量接近，但醇類分子間有氫鍵，因此戊醇的蒸氣壓將遠低于戊烷，除了有機溶劑本身的性質外，環境因子也會影響有機溶劑的揮發量

3、，其中最明顯者為溫度與風速2,3 ，溫度改變有機物的飽和蒸氣壓也會改變，通常溫度增加有機物的飽和蒸氣壓會增加，特別是高蒸氣壓的化合物，溫度增加時，蒸氣壓增加的趨勢更為明顯。另外液面上方風速也是一個非常重要的影響因子，有風與無風的條件下有機物的揮發量相差常超過 10 倍，因此當有風通過液面上方，將使有機溶劑的揮發量明顯增加4。除上述影響因子外，尚有一些因子可能會影響揮發量，但卻常常被忽略不計，如液體攪拌就是一個明顯的例子，一般觀念認為純的有機溶劑進行攪拌，并不會增加它們的揮發量，但實際上，攪拌可使有機溶劑表面產生擾動，仍然會使有機溶劑的揮發量增加，只是此揮發增加有限，因此除非是非常迅速攪拌，否則

4、可以忽略不計。另一項時常被忽略的因子為溶劑的溫度，雖然前述內容曾說明必須將有機物的溫度列為考慮，但因為揮發是一種吸熱反應，在反應的過程中液體表面的溫度可能因此降低，對一些高揮發性的有機物如苯、甲苯等，溫度可能下降超過10，若不修正將會造成明顯的估算誤差，但若是二氯苯這類揮發性較低的有機溶劑，盡管風速達到 56m/s,溫度差異可能僅 12C,此時溫度差異可以考慮忽略不計。二、有機溶劑在無風條件下之揮發量估算如果將上述因子整合則得到有機溶劑之揮發量可以用下式表示5Q= KP (1)其中Q（質量/面積.時間）單位面積單位時間之揮發量，P為有機溶劑在指定溫度下的飽和蒸汽壓，K為常數，上述方程式顯示有機

5、物之揮發量直接正比飽和蒸汽壓，但無法獲得K值仍無法計算出有機物之揮發量。在傳統的計算方法中，K值大部分以經驗式獲得，一些文獻中提出K值為有機物分子量與風速的函數6,7 ,依照所獲得之結果，這一種方法確實可以獲得有機物在指定條件下的揮發量，但是一個較麻煩的問題為這種方法所獲得之結果以經驗式為主，對于特定的化合物與特定的環境下或許可行，但若遇到化合物在不同的狀況下將產生相當大的誤差，造成此結果的原因有兩個，一個為前面所提到的揮發將使溫度下降的問題，高揮發性物質在揮發時溫度將明顯下降，此部分需要進行修正，第二個原因為風速量測的問題，因地面具有摩擦力，風速會隨著量測位置而改變，在過去量測戶外湖泊水分揮

6、發量時，常以地面10公尺位置之風速做為使用風速，因為水并非揮發性高的化合物，若地面對風速所造成的摩擦損失可以維持一致的話，上述風速的表示方法當然可行，但當有機溶劑在室內時，此估算方法無法有效應用，必須直接計算有機溶劑液面上方風速，而如前所述，不同位置將會造成風速估算差異，所幸通常室內風速不可能太大，因 此直接量測液面上風速仍為可應用的方法之一。由前述結果可以得知，有機物在單位面積與單位時間之揮發量將受到有機物的分子量、飽和蒸汽壓（實際液體溫度下）及風速等關系影響，在一指定環境條件下，假設風速對所有化合物為一致，則主要變量就轉換成有機物的分子量與飽和蒸氣壓，換言之，方程式 （1）可以被轉變成8，

7、9Q 8 PM -1/2（2）其中M為有機物的分子量，Q正比于飽和蒸氣壓 P為符合方程式（1）之假設，至于Q反比于分子量 M開根號則是依照氣體擴散的觀念，為了證實上述結果，作者曾選擇苯、甲苯、乙苯、鄰二甲笨、間二甲苯、氟苯、澳苯、鄰二氯苯等具有較高揮發性的有機化合物，在室溫2426 c下進行揮發實驗，并將所獲得之Q值除以各化合物的分子量與 P值（指定溫度下之飽和蒸汽壓值 ），所得到的結果如表1所示。表1有機物單位面積與單位時間揮發量與其分子量與飽和蒸氣壓之關系化合物MP (mmHg) 25 CQ/(PM -1/2 ) (g/m 2 min mmHg)苯78一92乙苯106鄰一甲苯106間一甲苯

8、106氟苯96澳苯157鄰氯苯147平均值標準偏差由表1的結果顯示在特定溫度下（25 C）,當有機物揮發量除以其飽和蒸汽壓后再乘以其分子量的平方根將趨近于常數，此常數可以平均值X 10-3代替，也就是說在有機溶劑飽和蒸汽壓介于范圍內，且在無風 之條件與溫度趨近于 25c時，皆可利用上述方法估算其揮發量。舉例而言有機溶劑甲苯處于開放空間中，室內溫度約為25C,其容器之與大氣接觸之表面積為，當容器打開5min,甲苯之揮發量為：X10-3X1X5X = (g)(3)其中代表分子量92開根號后之數值。同樣地，其他蒸氣壓近似的有機溶劑也可以利用此方法估算其揮發量。這個方法唯一的缺點為，若溫度無法控制在2

9、5c附近須針對有機溶劑的飽和蒸汽壓進行修正。三、有風條件下有機溶劑揮發量之估算方法事實上，有機溶劑在有風時的揮發量將遠高于無風時的揮發量，因此有風時揮發量估算將比無風時重要，在此以風速，s的條件下進行說明。表 2列出前述8種有機化合物在不同風速下以Q/( PM-1/2 )所獲得之平均值。表 2 Q/( PM -1/2 )在不同風速下之平均值與標準偏差風速(m/s)平均 Q/( PM -1/2 )值標準偏差由表2中的結果可以得到二個重點，第一個重點為有風存在時有機物的揮發量與無風時相差超過10倍，這也證實了先前的看法，第二個重點為標準偏差相當小，顯示在有風的條件下仍可應用所獲的Q/(PM-1/2

10、)平均值估算不同有機物之概略揮發量，這些計算的方法已列于方程式(3)。但必須提到的是在實驗的過程中，雖然是溫度仍控制在2426C,但在有風時有機溶劑表面的溫度會因揮發而急遽下降，飽和蒸氣壓(25C)超過50mmHg勺化合物如果與氟苯之溫度約下降 10C,飽和蒸氣壓2050 mmHg勺化合物約降46C , 飽和蒸氣壓120 mmHg的化合物則約下降14C,飽和蒸氣壓低于 1mmHg勺化合物則溫度不受影響，表 2 中所列出之Q/(PM-1/2)平均值為經溫度修正后所得到之結果， 并非以室溫的飽和蒸汽壓計算而得， 在實際量 測之有機溶劑仍須注意溶劑溫度下降所造成之影響。上述方法可以概略估算出有機溶劑

11、在指定的風速下，可能產生之揮發量，但若是風速不在指定的風速 中，則將變成無法估算，因此進一步求得Q/( PM -1/2 )與風速間的關系式將可解決上述問題，在圖 1中顯示出平均Q/( PM -1/2 )值與標準偏差值隨風速之變化趨勢。圖1 Q/( PM -1/2 )值隨風速之變化情形由圖1中的結果顯示 Q/( PM -1/2 )與風速之關系可以被分成兩階段，第一階段為劇烈上升期，如在風速s時，Q/( PM-1/ 2 )與風速0m/s時比較呈現了明顯增加之趨勢，第二階段為穩定增加期，由圖中亦可發現在風速超過s 后， Q/( PM -1/2 ) 隨風速呈現性增加，依照此特性，可以將圖1 中 Q/(

12、 PM -1/2 ) 與風速之關系歸納成下式(5)其中F代表Q/( PM -1/2 )值，u*代表風速，其他常數為經由回歸分析所獲得之結果，換言之，不同風 速下的 F 值即 Q/( PM -1/2 ) 值可以經由方程式(5) 獲得，再利用方程式(3) 的計算方式即可估算出有機溶劑的揮發量。四、估算方法之限制條件傳統上對于有機溶劑的揮發量大部分使用經驗式，這些經驗式受限于特殊環境下使用，上述方式提供一個有機溶劑揮發量之估算方法，但使用時仍有下列限制必須注意。1. 飽和蒸汽壓太高或太低的化合物不適合使用，上述方法使用時有機物25下的飽和蒸汽壓最好能介于1100mmHg太高可能因為溫度下降超過預期導致較大偏差，太低化合物可能吸水以致干擾揮發。2. 風速必須受到限制，所列出之風速范圍為06m/s， 超過此風速范圍有機溶劑表面容易引起劇烈波動，造成明顯誤差，所幸在室內風速要超過s 的機會并不多，因而此方法在大部分條件下均可適用。3. 室內溫度差異可能導致誤差