在台灣，自來水為何不能直接生飲？

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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近年來，酸雨已經變成大家所熟悉的空氣污染問題，酸雨不僅對建築物、古蹟和金屬物質產生嚴重腐蝕，導致人類經濟與文化資產的損失，同時也會對整個環境及生態系造成影響。

近期美國來德大學 (Rider University) 發表一項酸雨影響森林的研究結果，這是一項在阿帕拉契山脈進行十年的實驗，從 1989 年開始，美國林業局每年固定三次，在一片面積 34 公頃的森林澆灌酸化硫酸銨肥料。

結果發現，以酸化硫酸銨肥料（作為模擬酸雨）澆灌的森林，與未經酸化處理的森林相比，每年吸收的水分大約多了 5%，並在兩年中增加了 10%，經過處理的流域每年平均要增加大約 1,360 萬升水。而在研究期間，他們還發現，滲透到被酸化森林土壤水裡的鈣濃度也下降了，這可能是森林耗水增加的原因之一。

這究竟是怎麼回事？酸雨對森林的影響真的這麼大嗎？帶走土壤裡的鈣和森林「口渴」的關係是什麼呢？

要奪～酸才可以叫做「酸雨」？

根據環保署的資料，過去各國多將 pH 值小於 5.6 的雨水界定為酸雨，那 pH 值 5.6 這個數字又是怎麼來的？事實上，pH值 5.6 是大氣中二氧化碳含量為 330ppm 時，純水之酸鹼度的平衡值。

BUT！好像有哪裡怪怪的⋯⋯

因為自然界中也有其他酸性物質會影響雨水的 pH 值，例如甲酸等其他有機酸，所以大氣中即使是未受人為污染的雨水，pH 值也會介於 4.7 至 5.3 之間（也就是說，「基本款」的雨水就已經比原本的酸雨標準 pH 值 5.6 還要酸了！）。

因此從 1990 年開始，許多國家及科學機構逐漸改變酸雨的定義為，pH 值小於 5.0 的雨水，目前我國也以此作為判斷標準。

而我們常說的「酸雨」其實是「酸性沉降 (acidic deposition)」的俗稱，因為除了下雨之外，還有其他形式的沉降，可以區分為「濕沉降」和「乾沉降」，前者指的是空氣中氣狀或粒狀污染物隨雪、雹、雨等降水型態落至地面，而後者則是空中掉下的落塵帶來的酸性物質。

那些讓雨變酸的東東

酸雨的化學組成中，包括 Cl^–、NO₃^–、SO₄^2-、NH₄⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺ 及 Mg²⁺ 等，來源包括自然現象及人類活動。其中硝酸鹽 NO₃^– 及硫酸鹽 SO₄^2- 是讓雨水變酸的「罪魁禍首」，那它們是怎麼來的呢？

首先，工業活動或交通工具排放含有氮氧化物的廢氣，這些氮氧化物接著和空氣中的氧 O₂ 及水反應形成硝酸 HNO₃ ，在水中可以解離成硝酸根離子和氫離子。

HNO_3(aq) → H⁺ + NO₃^–

而硫酸鹽SO₄^2-的形成過程長得跟硝酸鹽的很像，石化燃料及火力發電廠燃燒含硫有機物，釋放出二氧化硫 SO₂，接著和空氣中的氧 O₂ 及水反應形成硫酸 H₂SO₄，硫酸在水中可以解離成硫酸根離子和氫離子，導致氫離子濃度升高。

H₂SO_4(aq) → HSO₄^– + H⁺        HSO₄^– → SO₄^2-+H⁺

硝酸及硫酸在降雨初期就被雨水吸收，或直接隨雨滴落到地面，都會增加雨水的酸度，造成酸雨。雖然自然界中的一些現象本來就會產生酸性物質，例如火山爆發噴出的硫化氫、高空閃電導致的氮氧化物⁵等等，但事實上，有超過 90% 的氮氧化物及硫氧化物是因人類活動排放的！

真相，永遠只有一個！（指）

ㄟ～那關「鈣」什麼事？

從生理的角度來看，植物需要陽離子作為訊號傳遞、調節等功能，因此，土壤中陽離子減少會導致生產力降低。而鈣便是大多數植物必需元素之一，在植物生理扮演著重要角色。

其中一個作用便是水分調節，鈣像是一個負責通風報信的使者。植物的氣孔孔徑是由周圍的保衛細胞控制的，經由一連串複雜的反應調節，而這些反應共同的終點都是「鈣」進入保衛細胞。水分不足時，通常細胞之間的鈣濃度上升時，會讓通往細胞內的鉀離子通道關閉（也就是不讓水進入），接著活化細胞通往外界的鉀離子通道，降低保衛細胞的含水量，使氣孔關閉。

而這個研究的假說之一，便是鈣會從酸化處理後的森林土壤浸出，可能引起植被用水量增加，因為鈣能夠調節氣孔關閉，缺鈣可能會造成蒸散作用增加。

結果顯示，酸化處理的確改變了處理流域的鹼性陰離子交換、土壤中的陽離子浸出，以及溪流 pH 值等，渗透到酸化森林土壤中的水中鈣含量也有所下降，證明酸雨改變土壤中鈣的供應，會顯著增加植被用水量。

進行此研究的學者表示，自己也沒想到植物對酸化的反應會這麼劇烈。如果想了解酸雨對森林以及植物用水量的後續影響，還需要更多的研究證實。

雖然我們仍不確定，酸雨對於其他類型的森林是否會有相同的影響，不過，這項研究可以提醒我們的是，生態系統是這樣的環環相扣，我們所做的任何一個決定，都可能以我們不知道的方式在影響整個環境。

參考資料

1. Decades of dumping acid suggest acid rain may make trees thirstier
2. Lanning, M., Wang, L., Scanlon, T. M., Vadeboncoeur, M. A., Adams, M. B., Epstein, H. E., & Druckenbrod, D. (2019). Intensified vegetation water use under acid deposition. Science Advances, 5(7), eaav5168.
3. McAinsh, M. R., Brownlee, C., & Hetherington, A. M. (1997). Calcium ions as second messengers in guard cell signal transduction. Physiologia Plantarum, 100(1), 16-29.
4. Debnath, B., & Ahammed, G. J. (2020). Effect of Acid Rain on Plant Growth and Development: Physiological and Molecular Interventions. In Contaminants in Agriculture (pp. 103-114). Springer, Cham.
5. 酸雨 (acid rain) ：組成和途徑
6. 行政院環境保護署環境資源資料庫
7. The Encyclopedia of Earth (EoE)
8. Casiday, R., & Frey, R. (1998). Acid rain. Inorganic Reactions Experiment, Washington University, Word Wide Web Address: http://www. chemistry. wustl. edu/∼ edudev/LabTutorials/Water/FreshWater/acidrain. html.
9. McLaughlin, S. B., & Wimmer, R. (1999). Calcium physiology and terrestrial ecosystem processes. Tansley Review No. 104. New Phytol, 142, 373-417.

• 文／ Witold Rybczynski 摘自《轉動世界的小發明：螺絲釘與螺絲起子演化的故事》

散佈地中海各地的發明——水螺絲

水螺絲由一根直徑約三十公分、長三至四．五公尺、裝入防水木管中的巨大螺釘組成。兩端開放的木管以低角度傾斜安裝，下端則沒入水中；當一人在木管外周的防滑釘上行走，進而帶動整個裝備旋轉之際，由木管下端進入的水，便由螺絲的螺旋形分隔（也就是螺紋）向上移動，而自頂端浮現。

水螺絲的轉動緩慢，能力卻相當大（角度愈低，流動量便愈大），有人估計它的機械效率可高達百分之六十，與後來提升水位的裝置如水車及水桶運送帶相較，還略勝一籌。

水螺絲最早的記載，出現於西元前第二世紀，眾學者均將這項發明歸功於阿基米德。據戴奧多羅斯記載，阿基米德發明水螺絲時，還是個在亞歷山大城求學的年輕人。

這點很合理。這項裝備對於埃及的農業灌溉而言非常理想，水螺絲和大水車不同，它能夠輕易地隨處移動；它所提升的水位並不高，但應付平坦的三角洲卻綽綽有餘；而其沒有活動零件的簡單設計，則能抵抗淤泥充塞的尼羅河河水引起的堵塞。

水螺絲的科技，由埃及散布至地中海各地。水螺絲用於灌溉，但也有其他的應用，據說阿基米德曾經利用水螺絲，倒光了國王亥厄洛一艘大船底部的汙水。古羅馬人也利用水螺絲，提升市政給水系統的水位，以及為礦坑抽水。二十世紀早期，在古羅馬位於西班牙的銅礦中發現了一些保存完善的木製水螺絲。

這些長達三．五公尺、直徑約三十公分的管子，以塗有瀝青的布料包裹，並以繩索鞏固；在其內部，螺旋形的分隔則以壓成薄片的木板製成，膠著後以銅釘固定。四根像這樣的水螺絲聯合起來，能將水位垂直提升約六公尺的高度。

戴奧多羅斯描述：「藉著不斷地輪流打水，它們將水自礦坑口吐出，從而排乾礦坑中的水；由於這工具的設計是如此別出心裁，大量的水得以奇妙而不費吹灰之力地射出。」自從戴奧多羅斯將水螺絲與其他提升水位的古老設備，如複雜的水桶運送帶和水車等相比較之後，便對水螺絲的簡明和有效留下深刻的印象。

鼓形水車是一種相當普通的水車，為一只直徑三至四．五公尺的大型中空輪，裡頭分隔成八個餅形的隔間。隨著水車轉動之際，水流進位置最低、沒入水中的隔間，而當該隔間抵達最高位置時，便自其流出。有人提議說，鼓形水車很可能是阿基米德靈感的來源。

實際上，如果把鼓形水車的形狀拉長一點，並使其沿著中軸旋轉，它便會產生一條圓柱螺旋線。這種三維外推法雖然一點兒都不顯然可見，但對一位熟練的數學家而言，卻非難事。將水螺絲的發明歸於阿基米德的假設，還有另一則有趣事實可供佐證。

想像力真的是一種超能力

在所有的希臘及拉丁文學中，唯一一件關於水螺絲的詳細敘述（作者是維特魯維亞），明確地描述一根具有「八個」螺旋形隔間的水螺絲；而如果水螺絲是自鼓形水車得到靈感，就正該是這個數字。 維特魯維亞描述的應該是最早的水螺絲；後來的古羅馬工程師，一旦發現八個隔間並沒有任何的機械利益，還增添不少成本時，便將隔間數目降低至二或三個。

不論阿基米德的靈感是否來自鼓形水車，水螺絲是由於人類想像力才得以實現的又一則機械發明實例，和科技演進無關。想像力是個善變的東西，以古代的中國人為例，他們並不知道水螺絲的存在；事實上他們連螺絲都沒聽過，螺絲是他們不曾自行發明的唯一一項機械裝置。

另一方面，當古羅馬人發明木螺鑽時，他們已經知道螺絲的存在，卻從未了解相同的原理可以解決一則重大的鑽孔問題：深孔極易被木屑堵塞。一直到十九世紀早期，所謂的螺旋鑽才得以發明；隨著鑽錐的轉動，螺旋狀的鑽柄會自行清除木屑。

水螺絲不僅是一台簡單而別出心裁的機器，就我們所知，它也是人類歷史上首度登場的螺旋線。螺絲的發現代表一種奇蹟；原本就只有像阿基米德這樣的數學天才才能描述螺旋線的幾何結構，也只有像他這樣的機械天才，才能為這不尋常的形狀想出一個實際的應用。

如果他還是個在亞歷山大求學的年輕人時就發明了水螺絲，後來並（如我私心所想一般）將螺旋線的概念改良應用於無限螺桿之上，那我們一定要在他許多傑出的成就上面，再添加一則小小的、卻不盡然微不足道的榮銜：螺絲之父。