把冷泉加熱，就會得到溫泉嗎？ 關於柴山湧泉的那些事

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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泛泛泛科學 Podcast 這裡聽：

當減碳、淨零排放蔚為風潮，再生能源發電成為各國積極發展的方向。2021 年 11 月，宜蘭清水地熱發電廠正式啟用，然而「地熱發電」究竟是什麼？為何火山、溫泉多的台灣，到現在才有第一座「民營」地熱發電廠？現行的地熱發電模式，竟和你家冷氣機運作原理相近？

隨著即將到來的全民公投，發電問題也再度成為議論話題。本集 y 編將與泛科學專欄作者阿樹，探討「地熱發電」能否成為台灣發展「再生能源」的新方向？

2:21 什麼是地熱發電？

近日，宜蘭清水地熱發電廠取得執照後開始啟用。此為台灣第一座「民營」地熱發電廠，但並不是台灣第一座地熱發電廠，當地過往也曾有「公營」發電廠。「地熱」能源為由地殼抽取的天然熱能，能量來自地球內部的熔岩，阿樹也提及台灣火山多，並位處板塊交接處，因此地溫梯度（Geothermal Gradient）上升得很快（平均為每 1km 上升 30℃），十分適合發展地熱發電。

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7:41 美國、東南亞也有地熱發電

全球地熱發電量排名前十名的國家，除了包含火山活動頻繁的冰島之外，美國源於其西岸位處太平洋、北美洲板塊交界處，並且亦有多座火山，地熱資源豐富，因此地熱發電量位居榜首；東南亞的印尼、菲律賓兩國也因擁有許多火山，地熱發電量可觀；相對而言，地熱資源排名全球第三的日本，則並沒有很多地熱發電廠。阿樹也分享到蓋電廠涉及層面頗廣，涉及環境評估、居民意願等，即便興建的是再生能源發電廠，取用土地並非想像中容易。

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12:35 地熱發電難以發展的原因

阿樹提及，早期的地熱發電有很多技術層面需克服，例如：抽取到的地下水內含礦物質，容易腐蝕發電機組，或管線內沉澱鈣化合物，導致能通過的水量減少，導致發電成本高、效益不佳的結果。過往，1981 年啟用的清水公營地熱發電廠，也因上述原因，裝置功能消耗至僅剩原先十分之一，最終只好關廠停用。同時，地熱發電抽取的熔岩、地下水，容易含有重金屬成份，發電產生的蒸氣也可能含有有毒氣體，工安風險頗高。

15:40 發電和冷氣機運作模式很像？

經現代技術改良後，研發出「雙循環系統」（Binary Cycle System）有助於地熱發電。該機組有「存在熱源」、「工作流體」（地下水）兩個封閉的循環系統，透過熱交換器以熱源加熱工作流體，使其汽化產生推力，推動發電機組發電。阿樹也解釋其「熱傳導」作用方式，近似冷氣機讓冷媒由液體蒸發成氣體，進而從中排出「冷氣」。

阿樹也解釋，此系統特殊在於「取熱不取水」。「存在熱源」的循環，採用較低沸點的物質，與流體經加熱後發電，不僅可在熱源降低時進行，相較於沸點高的物質能產生更多蒸汽，達到更好的發電效果；「工作流體」循環則是從地底抽取的地下水，經發電過程使用後，由回注井再送回地底，讓地底高溫區幫它「加熱」再利用。

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18:19 地底下的技術瓶頸

由於希望讓發電使用後的地下水，再送回地底「加熱」，因此需動用常出現於石化工業的「水力壓裂技術」（Hydraulic Fracturing），往地底注入高壓水打破岩石裂縫，製造「回注井」輸送地下水。然而，阿樹解釋由於難以確認岩層狀況，需透過鑽井或甚至使用炸藥、打地震波等探勘方式，判斷地下岩石類型確實能被「鑽破」，分析「水力壓裂」製造裂縫後，水源確實能回柱到地底高溫區。

22:06 地熱發電的「附加價值」

y 編問及發展地熱發電時，是否還能有其他「附加價值」，阿樹則回應多半可作為發電的地區，也可能發展為「溫泉遊憩觀光區」，也提及由於地熱發電所需條件較高，要找到適當地點並不容易，相對而言找到「溫泉」的機率還是比較大。他也提到，只要有較完整的地質架構圖，地質學家便可以判斷此處是否可能有溫泉。

25:11 溫泉是被「法規」定義出來的

日本及台灣皆各自以《溫泉法》訂定溫泉的「標準」，台灣《溫泉法》下的《溫泉標準》則明定，地下自然湧出或人為抽取之泉溫須達攝氏三十度，且具有陰離子或其他特殊成分，才可被稱為「溫泉」；三十度以下且仍具有上述成分，則可被稱為「冷泉」。

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30:46 為何日本台灣的溫泉很有名？

全世界都有地熱資源，但日本、台灣卻形成特殊「溫泉文化」，進而讓溫泉成為觀光名勝景點。阿樹從地科角度指出，日、台的溫泉其實未有特殊之處，而是歷史脈絡的發展讓它變得特別，「溫泉」也只是溫泉文化形成的「背景條件」而已。

• 作者／潘昌志；繪者／陳彥伶

火山爆發時會造成什麼災害呢？

可能會燒毀附近區域、造成山崩、地震和土石流。

火山噴出的熱氣，會與周圍岩石碎屑混合，形成「火山碎屑流」，溫度極高且流速極快，從山上滾下來時會燒毀並活埋一切。火山碎屑流遇到河水、雨水或雪水，會變成很像土石流的「火山泥流」，黏性高，易壓毀經過的樹與建築。

火山猛烈爆發時，會噴出大量溫度高達 900 ∼ 1200°C 的岩漿，容易引起大火，還可能伴隨地震和海嘯。

「火山灰」是什麼呢？

火山灰是火山噴發出的細小岩石粉末和玻璃顆粒。

火山灰比大部分的灰塵還要細，可以飄到遠方，不但會影響到飛航安全，也可能遮蔽陽光，造成天氣變冷。2010 年冰島的艾雅法拉火山（Eyjafjallajökull）爆發時，大量火山灰曾造成全球 10 萬次的航班被迫取消。

• 地科小故事：維蘇威火山和龐貝城

西元 79 年 10 月，義大利的維蘇威火山爆發。當時鄰近的龐貝城很快就被高速流動的火山碎屑流摧毀。直到超過 1500 年後，這座古羅馬城才被挖掘出來。

火山只有可怕的災害，完全沒有益處嗎？

火山的地熱可用來發電，也常形成溫泉。

火山底下的熱源，可用來作為「地熱發電」，也能將地下水加熱成「溫泉」，還常因特殊的地形景觀而成為知名的觀光景點。日本九州因為遍布眾多火山，形成許多知名溫泉。

火山那麼燙，科學家要怎麼研究它呢？

科學家會穿著特殊的隔熱防護裝備，近距離的調查火山。

火山岩漿的高溫超過 1000°C，因此火山學家研究活火山時，常穿戴特殊的防護裝備與防毒面罩，隔絕高溫和毒氣。若是快要爆發的火山，科學家就不會靠近，而是運用觀測站或人造衛星的數據，距監測火山活動以確保安全。

火山爆發有辦法提前知道嗎？

大部分火山噴發前都有徵兆，透過長期監測就能預警。

火山噴發前可能有地震、地表隆起；如果地底的岩漿很活躍，有些小噴氣孔噴出的化學成分也會有變化。臺灣的活火山很少，不曾發布火山預警。但在火山密集的日本，就將火山警戒分五級，數字越大代表越危險。

——本文摘自泛科學 6 月選書《地震100問：最強圖解X超酷實驗 破解一百個不可思議的地科祕密》，2020 年 4 月，親子天下。