探測管線外洩的新方法

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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• 文／水知識生活家 陳安莃｜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。

在國外的電影、影集當中，常常會有打開水龍頭、盛滿一杯水就直接生飲的橋段；但你有想過為何生在台灣的我們，都是把水煮開，或是用淨水器過濾之後才喝呢？其實並不是台灣的水比較髒，因為台灣的自來水也都有符合「飲用水水質標準」，也就是自來水其實皆可生飲。但為何連台灣自來水公司也不建議直接生飲自來水呢？

為何在台灣，不建議生飲自來水呢？

很多民眾都會直覺認為是台灣的自來水比較髒、自來水公司不認真，然而台灣自來水公司早已表示：

「供水皆經取得環保署認證之各區處檢驗室定期及不定期檢驗，及環保單位不定期抽驗，均符合『飲用水水質標準』，也就是說所有的自來水皆可生飲，但因國內時有開挖馬路挖斷管線，修理管線之情形，且用戶多裝有蓄水池或水塔，如沒有定期清洗，恐有被污染之虞，故本公司並不鼓勵生飲。」[1]

既然如此，又為什麼我們的自來水不適合生飲呢？主要是因為以下原因：

一、自來水的必經之路路迢迢：管線老舊、破管率高

管線老舊需要分成兩部分來解釋：一個是公家自來水管線老舊，另一個是居家自來水管線老舊。

1.公家機關的管線問題：

台灣環境特殊、地震頻繁，地形起伏的變化也相當大，這些因素都提高了管線毀壞的機率。例如台中、南投等地的輸水管線，就因十幾年前的921 地震而嚴重受損，漏水率至今仍居高不下。而山坡地占 80% 的基隆，則因地勢崎嶇，必須倚靠數十座的加壓站將水往上送，才能確保高地住戶用水無虞，以致管線常因水壓負荷過大而破管。

台灣各地自來水管網設備逐漸老化，道路長期受重車行駛輾壓與各項工程不斷挖修，致管線漏水嚴重，依據台水公司 97-101 年修漏案件統計分析發現，老化腐蝕、荷重振動及材質不良，佔漏水件數之 83.97%，塑膠管類佔漏水管種比例高達 92.87%。

由此可知，管線老舊及塑膠管材比例高，是管線漏水主要原因。台灣自來水公司總經理胡南澤指出，台灣漏水率偏高，背後主因是施工因素、地震侵害、交通車輛超載負荷、管線陳舊等所致。據估計，現在每年實質漏水量約6億立方公尺，相當漏掉 3座石門水庫。[2]

其實政府也聽到了這部分的聲音，近年來也制定相關政策；然而台灣自來水公司對此回應：長年因經費不足、技術人才不足，再加上部分縣市禁挖時間長 ，而導致汰換水管的進度不甚理想。不過台北自來水事業處表示：預計 3 年內全面汰換成不銹鋼優良管材；且已在 105 年年底更換進度更達 73%，進度大幅超前。 106 年預計累計完成 90%，107 年完成全部汰換作業。

2.居家自來水管老舊：

相信還是有部分民眾不太清楚，自來水公司所必須保障的好水，僅在水錶前；水錶過後，並不是水公司的業務範圍，民眾需自行處理；然而大多數的水污染事件，也常是水錶過後。

台灣目前大多數的住宅屬於公寓大廈，老舊的公寓大廈眾多，若發現自來水管有問題，想更換也很麻煩，耗費的資金也常令人望之卻步。目前也有專門在清洗水管的業者可供選擇，不然就是使用淨水器、濾水壺、等等來避免喝到不好的水質。[3]

二、你家的大樓，水塔有洗嗎？

台灣地區的居住型態，愈來愈趨向於集合式住宅，為因應集中人口的用水，許多公寓大樓都使用蓄水池與水塔作為穩定供水的設備。當符合飲水標準的水進入蓄水池與水塔後，經過蓄水池與水塔的儲存，水質可能產生變化，因此蓄水池與水塔的定期清洗與維護，是維護自來水水質的重要工作。

相關文獻也指出在整個自來水系統中，供水管線和貯水設施所扮演的角色至為關鍵，其重要性並不亞於自來水廠，甚至有研究發現自來水的異味問題通常皆與輸送系統有關。[4] [5]

根據環保署調查報告：

1. 僅 46.4% 的民眾知道「7成以上的自來水用戶水質汙染事件是因為疏於清洗水塔所致」，略低於不知道的民眾。
2. 僅 52.7% 家中有蓄水池、水塔的民眾會定期清洗，顯示民眾依舊沒有了解到蓄水池、水塔定期清洗的重要性。[6]

由以上數據我們了解到清洗家中的貯水設施是最容易忽略的地方，但往往這也是影響我們飲用水品質的關鍵。不過，有關於蓄水池與水塔清洗的頻率如何訂定，才能發揮最大的清洗效益，其實會隨著各個地區的水質好壞、氣候因素等因素而有所變動，若是有定期檢測家中水質的習慣，才能精準的說明何時該清洗才正確，若是無此習慣，可以先按照目前環保署與自來水公司的建議，至少半年清洗一次。

沒事多喝水，更要注意水從哪裡來

管線老舊及破管率高會影響供水的品質與穩定度，而貯水設施容易因通氣孔及溢水管處沒有加裝細網以及人孔蓋沒有緊閉與上鎖導致塵埃、昆蟲、雜物、雨水進入，進而汙染水質。 根據環保機關執行自來水水質抽驗結果顯示，自來水水質合格率高達99%以上，因此我們應注意的是用水設備如水塔、水池、管線的清潔維護管理及配置，以維持自來水品質，來保障自己喝下肚的水是乾淨無虞的。

資料來源

• [1]台灣自來水公司 常見問答
• [2]蘇意淳。103 年度自來水漏水防治之探討。台灣自來水公司。
• [3]黃仕強。自來水管網汰管啟發式篩選程序與優選模式（2009）。國立交通大學。
• [4]陳識文。97 年度如何建立用戶對自來水水質之滿意度。台灣自來水公司。
• [5]陳志堅。微生物於用水設備中再生長與水塔清洗效益之評估（2005）。國立高雄師範大學。
• [6]行政院環境保護署。103 年度家庭飲用水概況調查報告。