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活性碳濾芯與 RO 逆滲透其實是閨密?淨水器原理大解密

活躍星系核_96
・2018/05/22 ・3011字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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  • 文/水知識生活家 許馨勻|在這資訊碎片時代,我們只提供最真實的水知識,大家最需要的水知識,讓人人都能當水知識生活家

你家有裝淨水器嗎? 目前活性碳濾芯和 RO 逆滲透為目前台灣淨水器的大宗。其實 RO 逆滲透是一套複合式的系統,其中主要的過濾環節也包含了「活性碳」;究竟這些淨水器是如何運作的,你知道嗎?讓我們一起來了解淨水器的組成和原理吧,有了這些知識也更能知道自己適合怎樣的淨水器、才不會被廣告或是業務牽著鼻子走囉。

首先,讓我們來看看活性碳的小知識吧!

活性碳淨水器

活性碳濾芯原理

活性碳濾芯原理,圖/ID Water水知識生活家。

活性碳(activated carbon)是很廣泛使用的的淨水器濾材,為一種多孔性的含碳物質,它具有高度發展的孔隙構造,其結構為碳形成的六環物堆積而成。由於六環碳的不規則排列,造成了活性碳多微孔結構及高表面積的特性,每一公克的活性碳就有如好幾個籃球場的面積,因為這特性所以它能夠讓汙染物如農藥、臭味、餘氯等有足夠空間吸附在上面,而達到過濾效果。

 活性碳主要功能有

  1. 臭味
  2. 吸附顏色
  3. 吸附氯氣
  4. 吸附農藥

活性碳就像海巡一般,負責把這些偷渡的物質給抓起來,然而對於暗渡陳倉的硝酸鹽、硬度以及絕大部分的重金屬,活性碳可能就拿他們沒辦法了(攤手)。

活性碳材質迷思

電子顯微鏡下的活性碳。source:Wikimedia

活性碳所使用的材料大多取自木材、鋸屑、木質素、果殼、棕櫚、椰子殼等,經高溫(300~500℃)碳化後,再以高溫(850~950℃)的水蒸氣予以活性化製成。活化的目的是清除碳化過程中,積蓄在活性碳孔隙內的焦油物質及提高孔洞體積、比表面積,以產生高吸附量的活性碳。

通常業者會聲稱椰子殼的活性碳就是最好的選擇,千萬不要陷入材料品質迷思,關鍵還是在於廠商的製造過程,而這個把關的部分,消費者需要注意的是,是否有美國國家衛生基金會(National Sanitation Foundation, NSF)認證材料證明,這樣才能避免買到劣質的活性碳濾心或淨水器。

NSF 認證活性碳濾心水壺,圖/NSF 國際官網

市面上常見的活性碳淨水器種類

一般市面上販售的活性碳淨水器大致可分為『粒狀』、『粉狀』、『壓縮碳棒』、『銀添抗菌活性碳』、『銀添抗菌活性碳纖維』五種型式,其過濾效果程度依序為:

  1. 銀添抗菌活性碳纖維
  2. 銀添抗菌活性碳
  3. 壓縮碳棒
  4. 粉狀
  5. 粒狀

由於活性碳本身無抗菌的能力,因此開發出添加具有抗菌效果的銀奈米粒至活性碳中,透過奈米大小具有高的比表面積特性,加入活性碳中可提高其吸附性。

活性碳的維護與管理

  • 增加水體與活性碳的接觸時間可以提高活性碳吸附的效果,這可以透過減低水流速度的方式達成。
  • 新的活性碳在第一次使用前應以清水流洗清潔,以去除殘留的粉末狀活性碳。
  • 活性碳的吸附對象是無選擇性的,只要是疏水性有機物,活性碳都具備某種程度的吸附效果。為增加吸附效果,水體應先適度過濾,去除雜質再進入活性碳濾心。

使用活性碳淨水器應注意的地方

過濾是以阻截為處理機制,達到去除水中物質的功能,因此使用一段時間後,濾芯上所截留下水中的雜質會逐漸累積。雖然活性碳的吸附能力很強,但也是細菌的溫床,使用時間一久,活性碳已屆使用期限,如果太久沒有更換或清洗,堆積在淨水器上的顆粒物質會愈來愈多,則通過之水流量會逐漸減少,並會孳生細菌,影響水質安全。

如何判斷淨水器被阻塞的程度 :一般淨水處理是利用入水與出水的壓力差。

經過一定的處理水量後,淨水器要定時進行反沖洗*以排除堆積其上的雜質,淨水器濾芯也需定期更換(一般 3 個月更換一次,活性碳濾心一般約半年更換;出水量顯著減少時,也需更換),才能確保濾出水的安全。

  • 反沖洗(back washing)為一種清洗濾料之方法,透過攪動使附著於濾層中的雜質污染物剝離,但這通常要請專業人士來執行。

活性碳的使用期限:當濾芯顏色變黃、淨水流量漸小時,就要及時更換,不然濾出的水質反而會比自來水更不安全。

RO 逆滲透淨水器

逆滲透(Reverse osmosis, RO)有如城堡裡的層層衛兵、設下了 2~3 層的關卡,是各類淨水器中對污染物最全面的處理技術。但逆滲透也因此成本最高,維護也較為困難,因此為了保護滲透膜的壽命,在滲透膜前端會有去除水中餘氯的機制,這通常利用活性碳濾芯來完成。

RO 逆滲透濾芯構造,圖/ID Water水知識生活家。

RO 淨水器構造

RO 淨水器一般是如何組成的,想必很多人不太了解,接下來讓我們來了解一下基本的構造吧!

一般 RO 淨水器系統基本是由五種不同的濾芯所组成:

RO 逆滲透率新構造,圖/作者製作。

RO 逆滲透的過濾原理

RO 薄膜即半透膜為一種多孔性的材質,水只能從一方流入,而不會回流,且其孔徑大小剛好可以通過水分子,因此比水分子大的分子如重金屬、酚類、螢光劑都無法通過,細菌、大腸菌、病毒亦無法通過。

RO逆滲透原理。source:wikimedia

利用半透膜的材質及水分子滲透的特性,一般水分子會由濃度低(雜質極少)的一端往濃度高(含較多雜質)的一端滲透,但是如果在濃度高的一端加壓就會形成逆滲透,也就是水分子由濃度高的一端往濃度低的一端移動,因此逆滲透的基本配件就是半透膜與加壓馬達。

此外,為避免水中懸浮微粒造成阻塞問題,通常在活性碳濾心前會再加一個 5 微米的濾心,水中較大的顆粒、餘氯及部分有機物可由前置活性碳及顆粒濾心去除。

滲透過分離膜的即為純水,沒有滲透過去的即為高濃度廢水,而 RO 造一桶純水須排放 3~4 桶廢水,但可將水中所有雜質完全去除(90%以上),是目前過濾效率最高的水處理方式。

RO 膜雖然能過濾水中雜質及異味,能有效提高用水品質,但相對的 RO 濾心是屬於耗材之一,面對不同用戶所使用的原水端,會因為水質差異而影響該濾心的使用年限,使其壽命降低。

RO 淨水器的維護管理

RO 淨水器的維護管理,圖/作者製作。

但因不同淨水器使用材料不同,消費者使用淨水器的次數、用量也不同,因此濾心使用壽命也就不同。缺乏維護保養的濾心本身就會形成二次污染,甚至造成更大的危害。

然而家用淨水器淨化後之水質經常沒有一個確切的標準來衡量,因此處理後之水質難以保證。

目前雖能做到由淨水器的自動控制系統根據水壓、時間提醒維護,但事實上等到濾芯顏色變黃、水流量變小時,也許已經是事態嚴重的程度了。

重要的是還是要根據水質,因此最好能夠常態的進行水質檢測,才能真正確保我們飲用水的安全。

活性碳與 RO 逆滲透濾心比較,圖/ID Water水知識生活家。

參考資料

  1. 黃惠如。2005 年 9 月 1 日。4 招確保我家水能喝。康健雜誌。82 期。
  2. 王根樹。2011 年 11 月 20 日。淨水器的使用。上課簡報。
  3. Ghaedi, M., Sadeghian, B., Pebdani, A. A., Sahraei, R., Daneshfar, A., & Duran, C. (2012). Kinetics, thermodynamics and equilibrium evaluation of direct yellow 12 removal by adsorption onto silver nanoparticles loaded activated carbon. Chemical Engineering Journal, 187, 133-141.
  4. 張傳旺。2011。超音波及酸鹼藥劑應用於 RO 膜清洗系統之研究。In: 第十一屆台灣電力電子研討會。國立清華大學 電機工程學系。
  5. 楊智其。2011。全球環境變遷與永續發展。課堂簡報。
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

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藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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