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Post Date: 10 June 2011

「土製」空氣監測器助中學進行環境教育

(曾於2011年6月10日於《信報》「科技新知」刊登。)

Prof. Arthur Lau, Prof. Chak K. Chan, Division of Environment
劉培生教授、陳澤強教授 香港科技大學 環境學部教授

 

空氣質素是近年香港的熱門話題,無論是為了自己與下一代的健康想,還是為了吸引世界各地的人才到香港生活與工作,以維持國際都會的地位,空氣質素都是大家關心的議題。以往不少人將空氣質素的問題歸咎於珠三角的污染,那麼香港本身又有沒有責任呢?有否可以改進的地方呢?從環境教育的角度看,香港學生又可否參與監測空氣質素,科學化地探究和認識這個課題?

我與科大環境學部主任陳澤強教授年前察覺到,本港中學生參與及認識空氣質素的渠道十分有限,中學在這方面的技術與儀器乏善可陳,學生基本上不能科學化地認識空氣質素。現時,業界用以監測空氣質素的儀器皆為認可的標準儀器,單是利用紫外吸收法的專業臭氧監測儀就動輒需要8 萬元一台,連同配套更需要近15 萬元;一般中學難以負擔這些費用。

融合物理、化學及資訊科技科大一項的研究帶來了佳音。科大化學工程系學生於畢業作業中,研究以廉價的方法,自行「土製」空氣監測器。自製監測器相較於標準的監測器,結果的誤差約為10%至20%;雖然誤差較大,但如果用作中學生自行學習空氣監測的工具,則是可以接受的,特別是自製監測器的價錢要廉宜得多。

自製監測器有多廉宜?每家中學先要買一個約5000元的氣泵,之後每年購置約1000 元的化學品,就可以監測空氣質素。以自製用以監測能見度的光度計為例,材料只需100 元左右。

科大環境學部得到優質教育基金資助,特別發起名為Explore and Research t he Atmospheric Environment(EXPLORE)探索大氣環境的二年先導計劃,與本港十間中學合作,讓中學生在其校園內裝置自製的EXPLORE監測站。EXPLORE 監測站可說是一個實驗平台,它融合了中學物理、化學與資訊科技科目的知識,讓學生探究現實中的空氣質素問題,可收溫故知新之效。藉這個計劃,我們希望能培養將來的科學人才。

計劃首先於去年1 月展開,我們先優化EXPLORE 監測站平台,即計劃的硬件。

我們於去年7 月進入第二階段,運用暑假舉行工作坊訓練中學老師與技術員有關EX PLORE 監測站的操作方法及有關知識。從去年9 月的新學年開始至今年6 月,中學生正式參與使用EXPLORE 監測站進行空氣監測。今年7 月起,將會對已收集的空氣資料處理及分析,並作總結及評估。最後,我們將把位處本港各區的參與學校得到的數據公布,建立網絡平台,即計劃的軟件,供學生參考與交流。

在推行EXPLORE 計劃期間,我們一直與中學師生保持密切聯繫,以了解其進度。不少中學將收集空氣樣本的器材放於流動手推車上,可以移動至露台、天井或窗口進行採樣。監測臭氧和二氧化氮約需二十分鐘,不少學校讓學生在小息或者午飯時間到實驗室研究,不消一個小時就知道結果。

監測黑碳約需要六個小時,學生如果早上六時啟動監測儀器,中午就有結果;然後晚上再讓儀器自行運作六個小時,就可以比較早晚的差別,從而比較學校附近的交通對空氣質素的影響。

由於參與的中學分布於本港不同地區,有助監測多個地點的情況;特別是香港山多、樓高,將大氣分隔成空氣質素各有不同的區域,因此空氣監測站愈多,愈容易反映不同區域的空氣質素。譬如我們一般建議監測黑碳需要六個小時,然而部分處於高速公路旁邊的中學發現,他們只須監測一個小時已經有結果,這乃是該地段受交通高流量而致嚴重污染。

 

自製監測站根據什麼原理

那麼,自製EXPLORE 監測站究竟包含什麼元素及根據什麼原理運作? EXPLORE 是一個廉價、可靠、容易使用的儀器,監測二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、黑碳(Black Carbon)、氣溶膠光學厚度(AOT)與能見度(visibility)。

為了製作監測臭氧的儀器,我們利用中學化學課介紹的氧化還原反應:臭氧把碘化鉀氧化成三價碘離子,即碘液中的其中一種成分。再利用中學課程介紹,檢測碘液的方法是用澱粉溶液(starch),中學實驗室內的澱粉遇上碘會變成深紫色。

這樣,在採集樣本後加上澱粉,便能從混合物的顏色深淺度監測臭氧。

用以量度能見度的光度計以懸浮粒子為監測對象,空氣中的懸浮粒子愈多,能見度越低。自製儀器利用發光二極管(LED)作為檢測器,加上集成電路與電阻表等,製作成手槍形狀,學生利用光度計測量室外的情況,就知道能見度高低。

二氧化氮危害健康,可引致肺病、支氣管炎與肺炎等;它亦損害環境,造成酸雨及影響臭氧層。用以監測二氧化氮的儀器,應用塗上吸收劑三乙醇胺(TEA)的過濾紙吸附二氧化氮,然後加上染料,再根據混合物的顏色深淺度標示出二氧化氮的濃度。

監測黑碳的標準工具需約20 萬元,我們的工具則以廉價做到監測的作用,以過濾紙抽取空氣中的懸浮粒子,六至八個小時之後就會因應懸浮粒子的濃度呈淺灰、深灰甚或黑色。我們請學生利用電腦掃描器將灰度轉化為紅綠藍的RGB(red, g reen, blue)色調,從紅綠藍的值,可以知道黑碳的濃度。這方法的理論基礎及應用已經在國際期刊Aerosol Science and Technology 2001 年第四十五期(581-58 6 頁)發表。

 

學生參與監測身處環境

就我們所見,各校學生的反應十分踴躍,雖然現在距離年底的總結及評估尚有一段日子,我們發覺學生已經有很好的監測數據。我們同時發現,學生雖然有很好的數據,卻未必懂得分析數據及了解其背後意義,因此我們希望再舉辦工作坊,進一步教導學生處理和分析。年底我們將讓各校學生聚首一堂,分享意見與心得,達致環保教育的目的。

我們認為,香港不可只將空氣質素的問題歸咎於珠三角,香港本身的交通、建築物與其他因素均會影響空氣質素。我們希望透過EXPLORE 計劃等進行環境教育及將訊息傳播,讓大家作為世界公民為環保盡一分力,同時幫助中學生運用科學化的態度去了解自己的環境。