水利工程非萬靈丹

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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羅馬浴場：帝國先進的水利設施

水與都市衛生也有很大的關係。人類總是居住在河川、湖泊、湧泉等可以立刻取得乾淨水源的地方。但隨著文明的發展，人口集中的都市日漸發達，水源也因此逐漸短缺，於是發展出可大量供應乾淨水資源的設備——上水道。

所謂的上水道，指的是透過建造溝渠等方式，將水從郊外的湖泊或河川上游引進城市。

最早大規模建設上水道的是古羅馬人。他們不但整頓了上下水道、做出用水沖刷排泄物的馬桶，更驚人的是，他們甚至建造了公共廁所——考古學家曾在一處遺址裡挖掘出一千六百座馬桶。

從西元前三一二年至西元三世紀左右，古羅馬建設了許多上水道，從數十公里遠處將乾淨的水引進都市。當時以建造地下管線為主，不過也會用石材和磚塊建造拱型的水道橋；而且為了保持水質，還沿著主要管線設置蓄水池和過濾池。這些運送到市區的水，會分配至公共浴池、宅邸、公共設施，以及讓民眾汲水的噴泉。

古羅馬的公共浴池規模龐大，內部裝潢也十分豪華。一般來說，每座城市至少都有一座公共浴池，做為重要的社交場所。裡面設有專用的房間，由專人在身上抹油，並用木製或骨製刮板將身上的汙垢連同油脂一起刮除，以及不同水溫的浴池、蒸氣烤箱、健身房、圖書室等，民眾還可以在公共浴池內的講堂談論哲學和藝術。

高跟鞋、斗篷和香水 衛生觀念的倒退

然而，隨著羅馬帝國覆滅，大部分的上水道也遭到破壞。一直到中世紀晚期，不但上下水道長期不見天日，連公共廁所也消失了。當時的基督教教義認為，所有肉體欲望都要盡可能節制，裸體入浴是深重的罪孽。公共浴池就別提了，連自家也未設置洗浴設備，可說完全不具備衛生觀念。

這麼一來，城鎮會變成什麼樣子呢？

民眾在道路和廣場上隨意大小便。只能隨便處理的結果，使得排泄物滲入地下，導致病原菌汙染水源。

貴婦們身穿下襬寬大的長裙，就是為了方便隨地排泄；十七世紀初問世的高跟鞋，則是為了避免街上的糞尿泥濘弄髒腳而設計出來的——所以當時的高跟鞋不只是鞋跟，連鞋尖也會墊高。據說，當時甚至有鞋底高達六十公分的超級高跟鞋⋯⋯

另外，民眾會從二樓或三樓的窗口，將尿壺裡的排泄物直接往路上傾倒，所以外出時需要穿上斗篷，以遮擋這些「天上掉下來的禮物」。由於危險有可能隨時從天而降，當時的紳士才會養成護衛淑女走在道路正中央的習慣。

當時的人不太洗衣服，也完全不泡澡或沖澡。為了掩蓋體臭，有錢人會噴上大量的香水，香水工業發達的背後，其實是這個緣故。

乖乖照規定，才叫有禮貌

當時的人一旦感覺到便意，根本不在乎時間、地點，直接公然在外排泄。就連十七世紀的法國代表性建築凡爾賽宮，在早期的建設工程中，根本不包含廁所用和浴室用的水道設備。

宮殿裡，像是太陽王路易十四和著名的瑪麗．安東尼王后，他們所使用的都是坐式馬桶——臀部挖空的椅型便器，而排泄物就積放在下方用來承接的盆子內。當然，國王的馬桶不但鋪上了天鵝絨，還以金銀刺繡做為裝飾，是非常豪華的設計。

這個時代的凡爾賽宮，包含王公貴族、僕人在內，推測約有四千人住在裡頭，但宮中的坐式馬桶僅有不到兩百八十具，數量嚴重不足。因此，在宮中舉辦豪華絢麗的舞會時，愛乾淨的人還會帶著攜帶式便座，再由僕人負責將桶內的排泄物倒進庭園裡；當然，宮中的排泄物也一樣倒在這裡。至於未自備便器的人，則會直接在走廊、房間角落、庭園草叢裡大小便。結果，以美麗聞名的庭園處處充滿糞便，散發出嚴重的惡臭。

宮殿的庭園造景師見狀，非常憤怒，便在庭園裡插了一座「禁止進入」的牌子。一開始大家還不放在眼裡，直到路易十四下令要遵守立牌的指示，賓客才開始守法。

事實上，法語「禮儀」（uiquette）的原義就是「立牌」——最基本的禮貌，其實就是遵守既有的規定。而從這段軼事中，我們也可以預見，惡劣的衛生條件，必然為生命帶來重大威脅。

——本文摘自《世界史是化學寫成的：從玻璃到手機，從肥料到炸藥，保證有趣的化學入門》，2022 年 2 月，究竟出版，未經同意請勿轉載。

編按：今年3/31師大曾召開記者會，並發布新聞稿詮釋兩則師大學者參與的研究，惟因多數相關報導未說明兩項研究發現之關連性或差異性，筆者團隊重新訪問了黃婉如助理教授，並撰寫此稿以釐清科學事實。

當臺灣正面臨67年來最嚴重的旱災之際，北美加州在近年來也面臨了空前的旱象，當地政府甚至於今年度破天荒地開始進行限水措施。有鑑於各地極端氣候變異現象頻頻發威，了解其形成原因更顯重要。而國立臺灣師範大學地球科學系的助理教授黃婉如近期所參與的兩項研究，正是針對全球氣候變遷如何影響北美、臺灣近來的極端天氣現象做進一步的探討，其研究成果已分別刊登在英國皇家氣象學會的《大氣科學快報》與《國際氣候期刊》上。

猶記近兩個冬季，美國東部受到低壓的影響，飽受極端低溫的侵襲，如今美西也受上方高壓影響，正面臨百年大旱。黃婉如助理教授與美國猶他州立大學的研究團隊利用電腦模擬分析，發現在化石燃料造成的全球暖化影響下，將會增強上述大氣環流變異的強度，並造成北美的極端氣候變異加劇。此研究的主要作者，猶他氣候中心副主任、旅美臺灣學者王世宇教授認為，此研究最主要的貢獻，就是利用氣候模式所模擬的結果去找出影響北美極端氣候變異加劇的主要成因。

另一方面，臺灣正面臨大旱，也在4月份開始進行第二階段限水，那這樣的極端氣候變異與上述的北美大氣環流變異現象有關嗎？很遺憾的，北美與臺灣地區的大氣環流特性大不相同，無法直接作比較，但若從黃婉如的研究團隊在去年針對「過去20~30年間，臺灣5、6月(梅雨期)的降雨特性」所做的統計分析，也發現近30年來臺灣梅雨期的降雨型態有在變動的趨勢。研究發現，由鋒面所帶來的降雨天數逐漸減少，而午後對流的降雨天數與降雨強度則有增加的趨勢。目前，雖然無法直接解答此研究所發現的「鋒面降雨天數減少現象」與今年乾旱是否有關，但至少從天氣型態不斷變化來看，我們應正視氣候變遷對民生的影響。

從氣象局的網路資料可見，在臺灣一般將5、6月視為梅雨季，而梅雨期間臺灣最主要的降雨來自於在春夏交替時，因冷、暖氣團勢力僵持不下所形成的滯留鋒所帶來的降雨。而因每年冷、暖氣團勢力不同，滯留鋒出現的位置與時間並不固定，所以可能會往南或往北振盪、也可能會較早或較晚才開始影響臺灣。但就觀測資料發現，近30年來冷、暖氣團的勢力皆有向北移的趨勢。若由此推測，梅雨鋒面活躍處的位置應該也有北移的趨勢。倘若此氣候趨勢不變，則代表未來梅雨期間鋒面降雨對南臺灣的影響可能明顯較北臺灣小，而這對解決目前旱象並無幫助。此外，若再加上「強降雨事件增加，大水可能導致沖刷大量泥沙增加水庫淤泥」的考量，這方面也是不利於水庫蓄水。

總之，雖然我們對氣候變遷的複雜行為尚未參透，但對此必須呼籲各項民生相關單位應正視氣候變遷的相關議題，以因應趨於頻繁的極端天氣。

感謝支援本文的相關採訪工作的Pansci實習編輯張鳳茹、Xmallwolf協助！

本文同時發布於作者部落格地球故事書

延伸閱讀：

關於鋒面by氣象局

關於梅雨by氣象局

師大新聞稿：地科系參與國際研究 解釋極端氣候變異增強趨勢

文／羅智華

防水患需因地制宜

梅雨季鋒面帶來的連日大雨，讓台灣從南到北都降下了驚人雨量，許多低漥地區頓時成了「水鄉澤國」，而首善之區的台北都會區也不堪瞬間豪雨肆虐，就連熙來攘往的交通要道基隆路也頓時成了「基隆河」，不少人苦笑自己上班就像在「渡河」般辛苦，而眼看颱風季節又即將來臨，更多民眾擔心的是如何避免水患發生，不要讓「我家門前有小河」的窘況一再上演。

為何每逢大雨就成災？看到電視新聞播放一幕幕災區街道因大雨而成「水道」的畫面，讓不少受過水患之苦的民眾都忍不住質疑台灣水利工程排水成效究竟出了什麼問題，導致豪雨一來就「作大水」。

對此，成功大學特聘教授、同時也是水利及海洋工程學系主任詹錢登表示，ㄧ般人對水利工程往往都存有錯誤觀念與迷思，認為只要蓋了水利工程就可以「永保安康」、水患不會來敲門。事實上，這還關係到所降下的雨量多寡，以日前因鋒面影響而降下的豪雨來看，動輒超過 200 毫米的驚人雨量，即使是先進國家的水利工程設施都不一定能耐得住瞬間降下的暴雨。

他以之前發生的泰國水患為例，當時就持續好一陣子仍積水未退，相較之下，台灣的水利工程品質已經算是不錯，像「員山子分洪道」的完工就為基隆河打下重要的水利工程基礎，讓基隆河兩岸的淹水情況比過去改善許多，不會一下大雨就鬧水災。

「水利工程並非防水患的萬靈丹，而是要從多方面向整體考量才能減輕災情，」詹錢登強調，回歸基本面來看，水利工程目的是希望透過硬體設備的強化來提高排水能力、降低水患發生機率，但並不代表只要政府砸上百億元興建水利工程就能確保萬無一失，因為一旦降雨量超過水利工程承載量時，一樣有可能導致積水或淹水等問題發生。

他有感而發指出，要預防水患發生，並不是一味將堤防愈蓋愈高、或花大錢拚命蓋工程就可以，而是要保留公共低漥地、打造疏洪區，讓水有路可走；就像古早時代的老祖宗會在山林間打造梯田、水塘，讓大雨來臨時可以作為暫時的「蓄水池」，避免大水一下子就淹到民宅、造成傷亡損失。

而這樣的先人智慧也可運用在現代社會裡，對於地勢較地窪的地區要採取「非工程角度」來思考，因為「水往低處流」是亙久不變的真理，所以低漥地帶要規畫疏洪區讓大雨有「容身之處」，讓水不會立刻就往外流到市區、導致水利工程與防災規畫成效打折扣！

打造水患預警系統 規畫防災地圖

「防災規畫應該因地制宜，不能把所有地區都套用同一套防洪與防災標準，」詹錢登表示，每個地區地勢高低與地形環境各有不同，本來就應該視地形環境差異而量身打造，像台北本身由於是盆地地形，先天上就容易發生積水情況，因此保留疏洪區是不可少的基礎水利設施，像二重疏洪道的規畫就是將過多的雨水疏導至二重溪，流入大海。

詹錢登表示，「有時候水患不見得與硬體水利工程品質有關，而是人為因素所導致。」他以此次台北市文山區淹水為例，其主因就在於人為疏失，因為值班技工操作不當，將應該打開的水門關起來，導致大雨排不出去，造成涵管水壓太高而爆裂，形成淹水窘況。類似這樣的情況也意味著水利工程人員需再加強訓練，才能避免在緊要關頭出差錯。

而這也凸顯出軟硬體設備與資源雙管齊下的重要性。面對日益劇烈的氣候變遷與強降雨，相關部門在規畫水利工程時應該更有「遠見」，不能短視近利。他建議，政府當局應建立一套「防災地圖」，掌握每個縣市的低漥區有哪些，哪些區塊排水不良等，除了興建應有的堤防、擋土牆、水道工程外，建立「水患預警系統」亦不可或缺，他強調政府須把這些項目都一併納入都市規畫藍圖中整體考量，才不會陷入「顧此失彼」的窘況。

不只如此，推動防災教育、設計撤離動線亦是必要之務，他表示平日就要做好民眾與學生的防災訓練，讓大家可以預先準備才能「未雨綢繆」，了解水患發生時該如何安全撤離、有所因應，為大台北防洪計畫。

原文發表於人間福報 [2012-06-22]