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。