在台灣，自來水為何不能直接生飲？

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.
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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
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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。

本文由益之源贊助，泛科學企劃執行

• 文/李赫

這日，太醫照例進宮中替娘娘診平安脈。但見娘娘身體康健、臉色紅潤，對著娘娘身旁的小宮女交代了幾句平時保養的注意事項，原本就是熟慣了的流程，太醫行了禮即盤算著告退。

但見娘娘的臉色和悅：「勞煩太醫了，新春的貢茶剛剛分派份例，兄長並於終南山新得泉水一處，今早剛剛也送了進來。請太醫一同品茶吧。」，這太醫原本極嗜品茶是眾人皆知之事，聞言只妥妥謝了恩，等著品好茶。

娘娘並非精擅茶道之人，只吩咐了身旁的宮女好好沏茶。

客氣接過了茶水的太醫欲言又止「這個茶……」。

娘娘反而緊張了起來：「這茶可有不妥？我想著是慣常的份例，也就沒有特意著人探看，該不會反而遭了哪個黑心的毒手。早知道就不該太輕信了這些奴才，這宮裡頭的人情來往……以下腦補一千字內心戲。」

「茶是好茶。」太醫掐著娘娘一串未完喘氣的空檔插話：「是水有不妥。」他讓娘娘指使宮女將所謂的「泉水」提進來。

「可……可那是兄長送來的啊！怎麼可能有差錯，莫不是家裡人居然讓人插了奸細，這該怎麼可好？」娘娘揪著小手帕力求鎮靜，眼看一杯茶引發的外戚國舅家腥風血雨即將開場。

「啟稟娘娘，水應當沒教人做了手腳。」太醫看了眼來自遠方的泉水，嘆了口氣：「娘娘有所不知，無論來自何方，水中本來就很多雜質！」

最佳的溶劑，水中有哪些雜質？

眼看娘娘仍是一臉茫然，太醫只得細細解釋：「水可載舟亦可覆舟，我們日常那些髒污既然是用水清洗了，那麼不管哪樣來由的水，裡面都有可能有雜質，這個是當然。

水中的雜質如果依據顆粒大小可以分成三大類：可分成懸浮物質、膠體和溶解物質三大類。渾濁的水就充滿了懸浮物質，其大小肉眼可見，主要是由泥沙、粘土、原生動物、藻類、細菌、病毒、以及高分子有機物等組成，常常懸浮在水流之中，也都是由此類物質所造成。其次為膠體，是許多離子和分子的集合物。天然水中的無機礦物質膠體主要是鐵、鋁和矽的化合物，有機膠體物質則主要是腐殖質。而更小的雜質就是所謂的溶解物質了，主要是溶解於水中的低分子量分子、鹽類、離子和氣體。

水中雜質含量甚是多元，固然有許多是好的，像是許多名泉之所以嚐起來格外甘甜，無外乎是由於泉水中含有特定礦物質，娘娘想必也知。礦物質是對身體有好處的。但水裡也會有許多雜質可能有致病的風險，如果不過濾直接喝下，假以時日必定會對身體造成危害。」

娘娘一邊聽著一邊點頭：「幸好太醫留心，本宮獲益良多啊！那不好的雜質會有哪些害處呢？」

「若論水中會危害人體的雜質，大約也可以分成三類：有機物、無機物以及微生物。

有機物最有影響的種類就是農藥了。聯合國相關機構研究證實，有機磷農藥特別對兒童的神經系統有嚴重影響。而長時間低劑量的農藥累積，最終會造成內分泌系統受化學物質嚴重干擾、神經系統損傷、甚至增加致癌風險。

而無機物中，危害最重的莫過於重金屬物質，即使在低濃度的情況下，就足以對身體構成損害。最嚴重的是會影響生殖系統和胚胎發展，因為胎盤無法隔絕重金屬，胚胎就會直接受到影響。而婦女受重金屬影響，可引致不孕、流產、荷爾蒙失調及誕下畸胎。

最後，許多疫病就是由沒有處理妥當的水源傳染的，以水為傳播媒介的病源包括細菌性的傷寒桿菌、副傷寒桿菌、霍亂弧菌、痢疾桿菌等；病毒型的疾病甲型肝炎病毒、脊髓灰質炎病毒、柯薩奇病毒和腺病毒等；甚至水中的原蟲如賈第氏蟲、溶組織阿米巴原蟲、血吸蟲等。因此水中的微生物也切莫小看啊！」

娘娘點點頭，沒有了稍早的慌張，臉色沉靜了下來：「那再請教太醫，水裡頭這麼多叫人不知不覺卻又有害的雜質，本宮到底該如何是好？」

太醫笑了笑，這娘娘果然是個有腦袋的：「既然知道有害，那就想辦法除掉便是了，倒也用不著慌張。」

如何過濾得到乾淨的水？

水要能夠飲用，那就必須除去水中之細菌、病毒，有機物以及重金屬。一般常用的淨水的方式包含：活性碳過濾、逆滲透過濾、陰陽離子交換樹酯過濾與 UV 殺菌。

其中，活性碳過濾藉由高吸附量的活性碳吸附水中的雜質，除了可以吸收殘留於水中之氯離子之外，也可以吸收小分子以及大分子之有機物（三氯甲烷、農藥）， 以及部分的重金屬物質（鉛、汞）。活性碳製造可分爲碳化和活化兩個過程，碳化是將木材等原料在缺氧的高溫 500 – 750 ℃ 的條件下，熱裂解形成多裂孔性的碳結構體。在這個碳化過程中，大部分的非碳元素，如氫、氧元素藉由原料之裂解成揮發氣體而被去除。如此碳化産物碳原子包含芳香環之片狀結構，由於非常不規則，故會形成一些裂隙，這些裂隙將會在活化過程中，形成更多的微孔結構。活化則利用高溫蒸汽（800-1000℃）或化學物質（500-800℃）來清除碳化過程中存在於孔隙結構中的焦油、裂解産物，以擴大碳化材料孔隙及創造微孔，來提高孔洞、體積或比表面積，産生高吸附量的活性碳。而活化之後的活性碳，由於孔道暢通、表面積比例增加。經過活化的碳才能稱為活性碳──活化處理前後的效率差了 10-20 倍。

逆滲透過濾則是以半透膜進行過濾，由於溶解在水中的溶質無法穿透半透膜，因此只要由有雜質的一方施壓超過滲透壓（osmotic pressure），就可使水分穿過半透膜，得到乾淨的水啦。逆滲透的純化效果可以達到離子的層面，取決於滲透膜的孔隙及特性，對於離子的排除率可達 90%-98%。但逆滲透須持續耗能，且如果逆滲透設備沒有作好保養處理，則滲透膜上容易有污物堆積，造成逆滲透功能的下降。另外有些逆滲透使用的半透膜容易被氯與氯氨所破壞，因此在逆滲透膜之前，也須經活性碳及軟化器等前置處理。

離子交換樹酯可分成陰、陽兩種：陽離子交換樹脂利用氫離子（H+）來交換水中的陽離子；而陰離子交換樹酯則利用氫氧根離子（OH-）來交換陰離子。氫離子與氫氧根離子互相結合成中性水。但不同的陰／陽離子交換樹酯的化學官能基 ，對陰／陽的交換能力皆有所不同。另外，如果離子交換樹脂可用於交換的位置達到飽和，淨水能力就會下降，設備就必須進行更換。

這時娘娘沉思了一會，又問道「所以太醫，我說那個細菌和病毒呢？」

只見太醫不疾不徐地又說了下去：

「過濾掉雜質之後，還有一種專門用來對付病源的淨水法子，則是 UV 殺菌。UV 就是紫外線，波長範圍大約從 400 nm 至 230 nm ，如果劑量夠大，能破壞生物體的蛋白質與遺傳物質，使得微生物細胞死亡。1965 年 Sykes 等人發現波長介於 240-280 nm 之間的紫外線殺菌的效果最好。紫外線照射除去細菌、病毒與其能量劑量強度（功率）有關，對於除去不同的細菌、病毒所需求的強度並不相同，所以使用的紫外線燈管必須有一定的能量強度。」

水要過濾到甚麼程度喝起來才健康？

「本宮收穫良多啊！既是如此，我這就稟了皇上，把這些設備通通弄來一套！」娘娘大喜。

「那大可不必，裡面有些設備著時昂貴呢。一般喝水用水只要安全衛生，其實不需要講究著高級豪奢，這就像每府有每府的份例安排，強求太好反而徒然浪費了。」太醫頓了頓，接著說明：

如果想將用水處理至超純水的等級，光設備就要花費數十萬以上。但基本上一般用水的過濾系統目的只有一個，就是喝得健康和安心。挑選濾水器時可以參考相關的認證，如非營利單位美國國家衛生基金會的 NSF 認證（註1）等，喝得更安心。

日常使用的自來水從自來水廠送出時就已做過基本過濾，但水中仍有雜質。其中對我們最容易構成傷害的不外乎懸浮物、農藥、有機藥物、細菌病毒、重金屬、水中餘氯等等。懸浮物因為其顆粒大，是最容易處理的，可以經由簡單的纖維質過濾，使大顆粒卡在纖維質中而除去。至於除去農藥、藥物、重金屬、水中餘氯，可以在前面提及的幾種過濾方法中擇一，考慮到更換成本上，以活性碳進行過濾是最為划算的。至於對付細菌、病毒最好的方式則是經由 UV 殺菌，因為紫外光能徹底摧毀細菌、病毒的 DNA，讓它喪失活性。

只要透過濾水器過濾，並搭配 UV 殺菌的方式，就可以確保飲用水的健康，而且同時兼顧環保。但基本上每一道程序使用的耗材都必須定期更換，才能達到安全的功效。」

「因此娘娘這杯茶，我就心領了。」太醫拱了拱手，將沒有沾唇的茶水放回小茶几上：「娘娘的待人慈藹，這宮裡宮外眼看沒有人算計，但日常起居用水，本來就要當心啊！」

「本宮省得，之後日常用水必不會叫她們這麼輕待了。」娘娘抬手示意把新貢茶賜給了太醫。這次就未遭推辭了，大夥和樂融融安穩行禮告退。

註1：美國國家衛生基金會（NSF）成立於1944年，是一個以科學研究為基礎的民間非營利組織，集結專業技術人員致力於公共衛生、安全、環境保護領域的標準制訂以及管理規劃。目前也是世界衛生組織（WHO）在食品安全與飲用水安全與處理方面的指定合作中心。（資料來源：MBA 智庫百科）

參考文獻：

1. Activated Carbon Filters
2. What is Reverse Osmosis?
3. Purified vs Distilled vs Regular Water: What’ s the Difference?
4. 淺析超純水、去離子水、RO水、蒸餾水、雙蒸水的區別 ！